相变墙体的热性能及传热数值模拟研究进展

2020-06-29董菁菁王汉青郭韵恬

建筑热能通风空调 2020年5期

关键词：热工墙体数值

董菁菁王汉青郭韵恬

1 湖南工业大学土木工程学院

2 建筑环境控制技术湖南省工程实验室

3 装配式建筑节能技术湖南省重点实验室

4 南华大学土木工程学院

随着人们对于室内热舒适度要求的不断提升，由建筑物产生的能耗和温室气体的排放量也相应的增加。有数据显示，30%～40%的温室气体排放可归因于建筑能耗[1-2]，而供暖通风和空调能耗可占到建筑能耗的50%以上[3-4]。因此采用合理的节能方式是降低墙体能耗、提高室内热舒适度的重要措施之一。相变材料（PCM）能在物质相变过程中吸收或释放潜热[5]，且储热密度大，可以根据气候条件和实际应用需求在特定的温度范围进行高效的热量存储，因而研究者通过在墙体加入相变材料来优化墙体蓄热性能。相变材料与建筑材料结合成相变储能墙体是利用相变材料的热特性改善墙体的蓄放热性能，有效减小室内温度峰值，降低室内供暖和空调负荷，进而达到降低建筑能耗的目的。本论文对国内外相变墙体蓄热性能的研究进展进行了归纳总结，并首次从数值模拟的角度全面概述了常用求解相变墙体传热过程的方法和软件模拟研究现状。

1 相变墙体的热工性能研究

墙体的蓄热能力强弱是建筑能否抵抗外界温度波动、维持室内环境舒适度的重要因素之一。不同相变材料热物性的差异化导致其在墙体中应用时的蓄热能力有差别，因此相变材料的热物性好坏是相变墙体的实际蓄热性能优劣的基础。现有的研究表明，材料的复合应用，相变层在墙体中的位置，厚度以及不同室外的气候条件等均对墙体应用时实际蓄热能力有较大的影响，因此其成为众多学者的研究热点。

1.1 墙体用相变材料的热物性研究

相变材料的选择对于其在应用中的蓄热能力至关重要，理想的相变材料应具有合适的相变温度、最佳的相变潜热和导热率等热物性。因此测量相变材料的热物性非常重要，现有的测量方法有示差扫描量热法（DSC），差热分析法（DTA）以及T-history 等方法。

DSC 和DTA 都是通过测量相变材料与参照品之间加入的热流差异，获得融化/凝固温度、热容量、相变潜热等相变材料的热物性，但DSC 还可以测量相变墙体的热性能[6]（如图1 所示）。T-history 是一种参比温度曲线的测量方法，张寅平[7]通过分析了DSC 和DTA等常规方法的局限性，提出了T-history 方法，而Hong[8]对T-history 方法进行改进。相比较于其他两种测量方法，T-history 方法实验简单、测试时间短且可用于多种相变材料的热物性同时测量（如图2[7]）。

图1 DSC 测量相变墙体的热性能

图2 T-history 方法测量相变材料热物性

目前常见的相变材料大多有导热率低的缺陷，在一定程度上限制了相变材料的实际应用。Irsyad[9]研究证明以椰子油作为相变材料所制备的砖导热性相比于空心砖更低。因此增强相变材料的导热率成为了改善相变墙体热物性的研究热点，常用方法是使用翅片、蜂窝、多孔介质、纤维材料、金属泡沫等高导热性物质与相变材料结合增强相变墙体的传热性能。Hussain 等人[1]将活性炭纳米片添加到相变材料中，显著提升了该相变材料的导热性。而Fukai 等[10]将碳纤维刷用于石蜡中，实验得出石蜡的热导率得到增强。Tian 和Zhao[11-12]对金属泡沫增强的相变材料中的传热进行了研究表明金属泡沫在抑制自然对流的同时显著促进了热传导，材料总传热率高于纯相变材料。

相变材料的导热率低导致其在墙体应用中产生热滞后现象从而增加相变过程的蓄放热时间，因此增强导热率强化相变墙体传热使相变材料得到了广泛应用。

1.2 相变层在墙体中最佳位置热工性能研究

目前的研究中关于相变材料在建筑墙体中的分布一般有两种，一种是只含单层相变材料其余为建筑结构层的墙体，另一种为具有双层定型相变材料的相变墙体。

图3 相变材料位置与热流减少百分比

单层相变材料墙体热工性能在应用时一般受相变层的厚度、位置等因素的影响。相变层太厚则会造成材料浪费，而相变层太薄又使墙体的蓄热性能大大降低，因此相变层在墙体中存在厚度的临界值[13]。相变材料的安装位置不同使得相变材料出现部分融化或凝固的现象。Jin 等[14]实验研究相变材料位置对墙体热性能影响，通过对比墙体热流减少百分比表明最佳位置位于距内表面1/5L 处（如图3 位置c）。Lee 等[15]研究有相变材料层的南面和西面墙体的热性能，研究得出南墙和西墙的最佳位置分别为位置3 和位置2（如图4）。华旭明[16]运用Matlab 对多层相变墙体中相变材料的分布位置对其温度场及热流密度的影响，研究得出相变材料位于中间位置时能显著降低夏季最大冷负荷。

图4 相变材料在南墙和西墙中的最佳位置

单层相变墙体的相变温度在一定范围内，一般仅能在特定季节起到减少室内能耗的作用，对于温度变化大的地区全年适用性较差。对此国外学者Diaconu[17]提出了一种适用于全年的双层相变墙体，相变材料层位于墙体内、外表面，外层的相变温度高用于夏季而内层的相变温度低用于冬季，全年模拟结果表明该墙体能降低全年冷/热负荷以达到节能的目的。而国内朱娜等人[18-22]研究了双层定型相变墙体在我国五个典型气候区应用的节能潜力及适用性，根据节能率性及经济性因素得出内、外层相变材料最优相变温度范围，对各地区应用效果对比表明冬季日较差较小的地区较适合使用相变墙体。

综上所述，相变墙体中相变层不同厚度和位置对其热工性能有一定影响，目前的研究表明单层相变墙体的相变层位置一般位于墙体中间时墙体的实际热工性能达到最佳。双层定型相变墙体的内外表面相变材料不同使得其节能效果具有全年适用性，但它在不同气候区的节能潜力有差异，因此实际应用适用性还需进一步考虑。

1.3 不同室外条件下的相变墙体热工性能

相变材料用于建筑墙体中的实际蓄能量受诸多因素影响，国内外学者对此展开研究发现室外气象参数的不断变化对相变墙体的实际应用蓄热性能有所影响。Gassar 等[23]探究了未来气候变化对不同气候区的影响，研究得出在未来的气候条件下相变墙体的使用节电率最高可达1.94%～5.15%。同一种相变墙体在不同气候区应用时对室内的温度和能耗有不同的影响，具体的节能效果与室外气象参数有关。Zwanzig 等人[24]模拟了美国所有季节性条件下相变材料在墙体应用的热性能性能，结果表明相变墙体性能高度依赖于天气条件，强调了在不同的气候区选择不同的相变材料的必要性。Soares 等人[25]发现，在轻质钢框架建筑中，将相变材料应用于干式墙可以将能效提高10%～60%，具体能效则取决于气候区。

室外气象条件是相变材料选择的决定性因素也是相变墙体应用时实际蓄放热的主要影响因素。综上所述相变墙体可适用于多种气候类型条件下建筑墙体，但在不同气候区应用时的热工性能和节能效果有所差异，因此需根据地区气候特点和经济性条件选择合适的相变材料及其封装方式。

2 复合相变材料在墙体中的研究

2.1 复合相变材料对相变墙体性能的影响

复合相变材料通过材料的复合弥补纯相变材料导热率低，融化时的自然对流和凝固时的过冷效应等缺陷。复合相变材料在墙体中应用时不同材料配比对复合相变材料是有影响的，如Lai[26]、li[27]将相变材料与建筑材料按不同的重量百分比制备的复合相变材料，其相变温度没有明显变化但相变潜热和比热随着相变材料重量百分比的增加而增加。Karaipekli[28]通过TG 分析表明复合相变材料具有良好的热稳定性和相容性，而Sari[29-30]复合相变材料在其工作温度范围之上具有高耐热性，通过添加一定质量分数的膨胀石墨可以提高相变材料的导热率。范兆荣[31]采用石蜡和硬脂酸作为原料按不同的混合比配制复合相变材料，通过实验表明液体石蜡含量越多相变温度越低但在加热后其渗出率越高。

综上所述，复合相变材料在不考虑经济性的情况下有一定的热稳定性，防止熔化时泄露和耐热性。复合相变墙体的蓄热量随着相变材料的百分比增加而增多，但对于液态相变材料其质量分数越高渗出程度越高，极大地影响了相变墙体的热工性能。

2.2 复合相变材料在墙体中的经济性研究

目前复合相变材料已被广泛应用与建筑墙体中，众多研究人员对其在墙体中的应用的实际性能和经济性进行了大量研究。国内学者张东[32]通过建筑实验模型，分析得出相变储能复合材料可明显降低室内温度和空调的电力负荷，在电力调峰方面大有潜力。Castell[33]也同样通过实验研究证明复合相变墙体使电能消耗降低了约15%，减少了大约1-1.5 千克/年/平方米的二氧化碳排放量。Ramakrishnan 等[34]将石蜡和膨胀珍珠岩制备成复合相变材料通过实验和模拟研究，结果表明每年可节省16%～25%的能源。Zwanzig[24]在美国不同气候带的典型住宅建筑中使用复合相变墙板使整个季节降低35%的冷却负荷，而另一气候带年降温量减少了45%。Tian 等[35]将复合相变材料用于夏季墙体，通过实验表明，相变储能墙体相比于普通墙体储能能力提高了50%。与含保温材料的墙体相比复合相变墙体的热工性能也是更优[36]。Shi[37]等将相变材料结合混凝土用于香港的建筑，在经济上发现相变材料在香港公屋单位的应用是显而易见的，投资回收期为11 年。

经济评估是评估相变材料在建筑物中的适用性的重要过程，从经济回收期考虑，相变材料节约的电费和资本成本是影响相变材料集成到墙体中的成功应用的关键因素。从复合相变材料的应用经济性来说，复合相变材料应该具有全年全寿命周期的节能效果才能获得更高的经济效益。

3 相变墙体传热的数值模拟研究方法

3.1 相变传热数值模拟方法

相变墙体在相变过程中是非稳态传热且过程较为复杂，因此其传热研究与所采用的数值模拟方法有关。相变材料传热过程数值求解的方法有焓法、有效热容法、等效热容法、集中参数法、有限元法等诸多建立数学模型进行模拟的方法。其中焓法和有效热容法是国内外研究人员最常用的数值模拟方法。

焓法最先由Eyres[38]提出来用来处理材料的热性能随着温度的变化，是以焓作为因变函数，将其带入传热微分方程对温度场进行求解的一种计算方法。Biswas 等人[6]利用该方法建立了添加纳米的相变材料增强墙板蓄热性能的二维模型。李利民等[39]采用焓法模型对相变墙体传热特性进行分析，通过与实验数据对比证明了焓法模型的有效性。高翔翔等[40]总结了建立相变墙房间的传热一维传热的焓法模型的数学建模方法。

有效热容法是控制方程和相关的离散方程具有非线性热容量热传导方程的一般形式，即有效热容量[41]，而得到精确模拟结果的方法是选择正确的非线性热容曲线[42]。如zhou[43]利用该方法模拟一个相变材料板的一维传热模型，通过文献结果进行验证模型的有效性。陈超等[44]采用有效热容法模拟分析了新型相变墙体的传热性能。

3.2 基于数值模拟的相变传热研究

相变过程是非线性变化过程，而数值模拟软件是可以处理相变瞬态过程中非线性问题，求得近似解析解的数值解的一种工具。目前用于相变墙体的数值模拟软件多为商业软件，例如Ansys、EnergyPlus、Comsol等，不仅可以得到数值解还可得到相变过程的温度场和热流密度。

Ansys 是基于有限体积法的数值模拟软件，可以对相变材料和相变墙体在周期性室外气象条件下的动态传热过程进行模拟。Ye 等[45]用Ansys-Fluent 软件对复合材料的相变板进行模拟和实验，模拟与实验结果吻合度良好。刘朋[46]运用Ansys 对夏热冬冷地区不同朝向的墙体温度进行数值模拟，确定了各朝向墙体的最适宜相变温度。闫全英[47]则用Ansys 研究了典型气象年室外气象参数波动情况下普通房间和相变房间内壁温度和热流的变化规律。

EnergyPlus 是动态建筑能耗模拟软件，使用有限差分热传导（condfd）求解算法来模拟相变材料。该算法将建筑墙体离散为不同的节点，并使用有限差分法（fdm）对传热方程进行数值求解。陈喜明[48]使用EnergyPlus 软件对相变材料的应用效果进行模拟，可以得到在空调季节里室内温度变化情况和空调节能效果。Chernousov[49]用该软件模拟结果表明相变材料可优化亚热带气候的围护结构并有效地调节峰值电。Nghana 和Laaouatni[50-51]利用EnergyPlus 及实验研究复合相变材料在建筑中的节能潜力，且实验结果与数值模拟结果一致。

COMSOL 软件是基于有限元方法来求解非线性传热，可以在相变墙体的传热研究使用传热与流体模块进行数值计算，模拟出周期性室外温度条件下的相变墙体和室内的温度变化，便于研究动态相变过程。Laaouatni[52]通过实验和Comsol 的三维模拟研究一种基于相变材料与通风管的结合的墙体的热惯性，实验和数值结果之间有良好一致性。Kant[53]用Comsol 对含有相变材料的砖进行二维数值模拟研究相变材料中的传热传质。张洋洋[54]用Comsol 模拟周期性室外变化时不同相变材料对内墙表面温度波动和导入室内热通量的变化，研究结果对相变墙体的应用与推广有指导意义。

软件模拟是目前研究相变墙体热性能及其对建筑室内环境，节能效果的一种有效方式。通过模拟可以得到室内温度分布和空调能耗情况，从而分析相变材料应用时蓄放热性能优劣，通常是将模拟结果与实验结果结合进行相互验证得到相变墙体应用效果。