闫全英，王小，岳立航

（北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京市供热供燃气通风及空调工程重点实验室，北京 100044）

被动式相变房间传热性能的数值模拟

闫全英，王小，岳立航

（北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京市供热供燃气通风及空调工程重点实验室，北京 100044）

将相变材料以适当的方式加入围护结构,可提高围护结构的蓄热能力，降低夏季冷负荷和冬季热负荷，达到建筑节能的目的。以建立普通房间和相变房间的数学模型，利用ANSYS软件数值模拟，研究典型气象年室外气象参数波动情况下房间内壁温度和热流的变化规律。研究结果将为相变围护结构的实际应用提供参考依据。

相变材料；相变围护结构；数值模拟

0 引言

相变材料在建筑围护结构中的应用已经成为当前研究的热点问题，采用相变材料可以在一定程度上改善建筑围护结构的热性能和室内的热舒适性[1]。对相变材料的研究主要可通过3种方法：纯理论研究、实验研究、数值方法研究。近年来众多学者将数值模拟与实验研究结合起来进行对比研究，并为相变围护结构的应用提供很有价值的参考。

张寅平等模拟研究了直接受益式定形相变墙板和地板房间的热性能[2-4]。金丽丽[5]选择相变材料与水泥砂浆按不同比例进行混合制备相变墙体，并与普通墙体进行了对比研究。林坤平等[6-7]也通过数值方法模拟和评价了相变墙房间在我国不同气候地区的使用效果,说明了相变墙建筑在我国不同地区使用的优点和局限性。陈超等[8]采用有效热容法模拟分析了新型相变墙体的传热性能。Athienitis等[9]采用有限元分析方法建立了相变石膏板的被动式太阳房的数学模型，并对其热性能进行了数字模拟和实验研究。Dariusz等[10]模拟了在一年中相变房间室内的温度变化情况。Kalousck等[11]对屋顶应用相变材料的相变房间的进行了数值模拟，并将其热舒适性与普通房间的热舒适性进行比较。M.Ravikumar等[12]分析了PCM在建筑物屋顶的应用效果。屋顶结构模型利用ANSYS有限元分析软件的散热模块处理。

本文建立了普通房间和相变房间的数学模型，利用ANSYS软件数值模拟了典型气象年室外气象参数波动情况下房间内壁温度和热流的变化规律。

1 房间物理数学模型的建立

1.1 房间的物理模型

普通房间和相变房间的长×宽×高=4.8 m×4.5 m×3.0 m，平屋顶，南向和北向墙体各有一面双层PVC塑料外窗，窗的宽× 高=1.2 m×1.5 m，南向有50 mm厚实木外门，宽×高=0.9 m×2.1 m。房间结构模型如图1所示。

图1 房间三维模型

普通房间和相变房间的墙体结构如图2（a）、图2（b），普通屋顶和相变屋顶结构如图3（c）、图3（d）所示。相变墙体中使用的相变材料为65%48#石蜡和35%液体石蜡的混合物，相变温度为26.2℃，相变潜热为130 J/g。

图2 普通房间和相变房间墙体结构示意

图3 普通房间和相变房间屋顶结构示意

房间模型的墙体及屋顶结构中各层材料的物性参数如表1所示。

表1 各层材料的热工性能参数

1.2 房间的数学模型

对于水泥砂浆和钢筋混凝土等非相变层，导热方程见式（1）：

对于相变材料层，导热方程见式（2）：

H为相变材料的焓值（J/m3），可按式（3）计算：

式中：T0——焓值为0时的温度，℃；

Ts、Tl——相变温度范围内相变材料完全为固体、液体时的温度，℃；

T——τ时刻相变材料的温度，℃。

室外侧表面边界条件见式（4）：

室内侧表面边界条件见式（5）：

式中：hw——围护结构外表面对流换热系数，取23.26[W/（m2· K）]；

hn——围护结构内表面对流换热系数，取8.72[W/（m2· K）]；

tw——围护结构外表面温度，℃；

t0——室外环境温度，℃；

tn——围护结构内表面温度，℃；

ti——室内空气温度，℃。

本研究模拟时间为北京地区夏季（取5月1日至9月30日）空调供冷、冬季（11月15至次年3月15日）空调供热，夏季室内温度26℃，冬季室内温度18℃，全年其余时间作为过渡季节处理，空调不开启，不对其传热过程进行模拟。

2 模拟结果及分析

2.1 夏季模拟结果及分析

夏季7月普通房间和相变房间南墙及屋顶的温度和热流随时间变化规律如图4～图7所示。

图4 7月份南墙内壁温度随时间变化规律

图5 7月份南墙内壁热流随时间变化规律

图6 7月份屋顶内壁温度随时间变化规律

图7 7月份屋顶内壁热流随时间变化规律

普通围护结构与相变围护结构的内壁温度相对于室外综合温度的衰减倍数及延迟时间在整个空调季的平均值如表2所示。

表2 普通/相变围护结构各向温度衰减倍数和延迟时间平均值

从图4～图7和表2可以看出：普通墙体内表面温度波动较大，相变墙体内表面温度波动很小；由于围护结构本身的热惰性及保温材料的隔热作用，相比于室外综合温度的波动，普通围护结构和相变围护结构内壁温度的波动都有一定的衰减和延迟；在普通围护结构中，屋顶的衰减倍数最大，约为138，北墙的衰减倍数最小，约为86.4；东墙的延迟时间最大，约为12.3 h，西墙的延迟时间最小，为8.4 h；在相变围护结构中，南墙的衰减倍数最大，屋顶的衰减倍数最小，延迟时间最大为14.6 h，最小约为9.2 h；相变屋顶的温度和热流的波动较大，相变材料减小室内壁温度和热流波动的作用降低；相变屋顶内相变材料层最内侧（靠近室内侧）表面温度各月平均值高于相变材料的相变温度，相变材料长时间处于融化状态，起不到储热放热的作用。

2.2 冬季模拟结果及分析

冬季1～2月份普通房间和相变房间南墙及屋顶的温度和热流随时间变化规律如图8～图11所示。

图8 冬季1～2月份南墙内壁温度随时间变化规律

图9 冬季1～2月份南墙内壁热流随时间变化规律

图10 冬季1～2月份屋顶内壁温度随时间变化规律

图11 冬季1～2月份屋顶内壁热流随时间变化规律

从图8～图11可以看出：无论普通墙体还是相变墙体，受室外波动气象条件的影响，其内壁温度和热流都有一定的波动，并且其温度都低于室内空气温度；在冬季恒定的室内温度条件下，房间空调的能耗与由室内向外传递的热流密度有关，向外传递的热流密度越大，空调能耗越大；相变墙体内壁温度在大多数时间内高于普通墙体温度，提高了人体的舒适度，而且其热流绝对值（失热为负值）在供暖季的大多数时间较小，即相变房间的失热量较小，房间热负荷较小，降低了空调能耗；相变墙体中相变材料层温度最大值低于18℃，低于相变材料的相变温度，即相变材料在整个供暖季节中都未发生相变，所以相变材料在冬季仅起到保温作用；水平面太阳辐射较垂直面大，普通屋顶结构和相变屋顶结构外表面在有太阳辐射时会吸收较多的太阳辐射热，减少了通过屋顶的热量损失，而在没有太阳辐射热的夜间，屋顶的热损失增大，所以普通屋顶和相变屋顶内壁温度和热流的波动较大，但由于相变材料热阻的作用，相变屋顶内壁温度和热流的波动相比普通屋顶较小。

3 结论

（1）相变墙体内表面温度波动很小，可以提高房间舒适度，有利于空调设备的平稳运行和减小空调的额定功率，减少初始投资。

（2）相变围护结构的衰减倍数和延迟时间都大于普通围护结构，相变材料的添加对室外综合温度的衰减和延迟会产生积极作用。

（3）水平屋顶由于接受较多的太阳辐射，相变屋顶内壁温度和热流的波动有所增大，但相比于普通房间屋顶仍然有较大的衰减倍数和较好的保温作用。

（4）相变房间空调夏季耗冷量、冬季耗热量都小于普通房间，相变围护结构能够起到一定的建筑节能作用。

[1]牛犇.相变墙体夏季工况运行特性的数值模拟与实验研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[2] Zhou G B，Zhang Y P，Lin K P，et al.Thermal analysis of a direct-gain room with shape-stabilized PCM plates[J].Renew. Energ.，2008，33（6）：1228-1236.

[3] Xu X，Zhang Y P，Lin K P，et al.Modeling and simulation on the thermalperformance ofshape-stabilized phase change material floor used in passive solar buildings[J].Energ. Buildings，2005，37：1084-1091.

[4] Zhou G B，Zhang Y P，Wang X，et al.An assessment of mixed typePCM-gypsum andshape-stabilized PCM platesin a building for passive solar applications[J].Sol.Energy，2007，81 （11）：1351-1360.

[5] 金丽丽.相变墙体的实验研究与数值模拟[D].北京：北京建筑大学，2013.

[6]林坤平，张寅平，江亿.我国不同气候地区夏季相变墙房间热性能模拟和评价[J].太阳能学报，2003，24（1）：46-52.

[7]林坤平，张寅平，江亿.夏季“空调”型相变墙热设计方法[J].太阳能学报，2003，24（2）：145-151.

[8] Chen C，Guo HF，Liu YN，et al.A new kind of Phase change material（PCM） for energy storing wallboard [J].Energy and Buildings，2008，40（5）：882-889.

[9] Athienitis AK，Liu C，Hawes D，et al.Investigation of the thermal performance of a passive solar test room with wall latent heat storage[J].Building and Environment，1997，32（5）：405-10.

[10] Dariusz H，Joe AC.Numerical modeling and thermal simulation of PCM-gypsum composites with ESP-r[J].Energy and Buildings，2004，36（8）：795-80.

[11] Kalousck M，Hirs J.Simulation of the summer indoor thermal comfort by using wallboard with phase change material[J]. Eurosun，Bologna，2002.

[12]Avikumar M.R，Srinivasa DR.PSS.Phase change material as a thermalenergy storage materialforcooling ofbuilding[J].JournalofTheoreticaland Applied Information echnology，2005：503-511.

The numerical simulation for thermal performance of passive type phase change room

YAN Quanying，WANG Xiao，YUE Lihang
（Beijing Municipality Key Lab of Heating，Gas Supply，Ventilating and Air Conditioning Engineering，School of Environment and Energy Engineering，Beijing University of Architecture，Beijing 100044，China）

The heat storage capacity of the building envelope could be increased，the cooling load in summer and the heat load in winter could be reduced and the purpose of building energy could be reached by adding phase change materials into the building envelope.This paper established mathematical models of a common room and a phase change room，and simulated the variation of the inner wall temperature and the heat flow of the room in the case of outdoor meteorological parameters fluctuations in typical meteorological year by using ANSYS software.Results in this study can provide reference and basis for the practical application of phase change room which was made of phase change envelope.

phase change material，phase change envelope，numerical simulation

TU55+1.1

A

1001－702X（2015）04－0022-04

2014-08-29

闫全英，女，1970年生，河北宣化人，副教授，硕士生导师，博士。