閆全英，王小，岳立航

（北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

被動(dòng)式相變房間傳熱性能的數(shù)值模擬

閆全英，王小，岳立航

（北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

將相變材料以適當(dāng)?shù)姆绞郊尤雵o(hù)結(jié)構(gòu),可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，降低夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷，達(dá)到建筑節(jié)能的目的。以建立普通房間和相變房間的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件數(shù)值模擬，研究典型氣象年室外氣象參數(shù)波動(dòng)情況下房間內(nèi)壁溫度和熱流的變化規(guī)律。研究結(jié)果將為相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

相變材料；相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

0 引言

相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，采用相變材料可以在一定程度上改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能和室內(nèi)的熱舒適性[1]。對(duì)相變材料的研究主要可通過(guò)3種方法：純理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值方法研究。近年來(lái)眾多學(xué)者將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究，并為相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供很有價(jià)值的參考。

張寅平等模擬研究了直接受益式定形相變墻板和地板房間的熱性能[2-4]。金麗麗[5]選擇相變材料與水泥砂漿按不同比例進(jìn)行混合制備相變墻體，并與普通墻體進(jìn)行了對(duì)比研究。林坤平等[6-7]也通過(guò)數(shù)值方法模擬和評(píng)價(jià)了相變墻房間在我國(guó)不同氣候地區(qū)的使用效果,說(shuō)明了相變墻建筑在我國(guó)不同地區(qū)使用的優(yōu)點(diǎn)和局限性。陳超等[8]采用有效熱容法模擬分析了新型相變墻體的傳熱性能。Athienitis等[9]采用有限元分析方法建立了相變石膏板的被動(dòng)式太陽(yáng)房的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其熱性能進(jìn)行了數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)研究。Dariusz等[10]模擬了在一年中相變房間室內(nèi)的溫度變化情況。Kalousck等[11]對(duì)屋頂應(yīng)用相變材料的相變房間的進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將其熱舒適性與普通房間的熱舒適性進(jìn)行比較。M.Ravikumar等[12]分析了PCM在建筑物屋頂?shù)膽?yīng)用效果。屋頂結(jié)構(gòu)模型利用ANSYS有限元分析軟件的散熱模塊處理。

本文建立了普通房間和相變房間的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件數(shù)值模擬了典型氣象年室外氣象參數(shù)波動(dòng)情況下房間內(nèi)壁溫度和熱流的變化規(guī)律。

1 房間物理數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 房間的物理模型

普通房間和相變房間的長(zhǎng)×寬×高=4.8 m×4.5 m×3.0 m，平屋頂，南向和北向墻體各有一面雙層PVC塑料外窗，窗的寬× 高=1.2 m×1.5 m，南向有50 mm厚實(shí)木外門，寬×高=0.9 m×2.1 m。房間結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 房間三維模型

普通房間和相變房間的墻體結(jié)構(gòu)如圖2（a）、圖2（b），普通屋頂和相變屋頂結(jié)構(gòu)如圖3（c）、圖3（d）所示。相變墻體中使用的相變材料為65%48#石蠟和35%液體石蠟的混合物，相變溫度為26.2℃，相變潛熱為130 J/g。

圖2 普通房間和相變房間墻體結(jié)構(gòu)示意

圖3 普通房間和相變房間屋頂結(jié)構(gòu)示意

房間模型的墻體及屋頂結(jié)構(gòu)中各層材料的物性參數(shù)如表1所示。

表1 各層材料的熱工性能參數(shù)

1.2 房間的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于水泥砂漿和鋼筋混凝土等非相變層，導(dǎo)熱方程見(jiàn)式（1）：

對(duì)于相變材料層，導(dǎo)熱方程見(jiàn)式（2）：

H為相變材料的焓值（J/m3），可按式（3）計(jì)算：

式中：T0——焓值為0時(shí)的溫度，℃；

Ts、Tl——相變溫度范圍內(nèi)相變材料完全為固體、液體時(shí)的溫度，℃；

T——τ時(shí)刻相變材料的溫度，℃。

室外側(cè)表面邊界條件見(jiàn)式（4）：

室內(nèi)側(cè)表面邊界條件見(jiàn)式（5）：

式中：hw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，取23.26[W/（m2· K）]；

hn——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，取8.72[W/（m2· K）]；

tw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度，℃；

t0——室外環(huán)境溫度，℃；

tn——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；

ti——室內(nèi)空氣溫度，℃。

本研究模擬時(shí)間為北京地區(qū)夏季（取5月1日至9月30日）空調(diào)供冷、冬季（11月15至次年3月15日）空調(diào)供熱，夏季室內(nèi)溫度26℃，冬季室內(nèi)溫度18℃，全年其余時(shí)間作為過(guò)渡季節(jié)處理，空調(diào)不開(kāi)啟，不對(duì)其傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 夏季模擬結(jié)果及分析

夏季7月普通房間和相變房間南墻及屋頂?shù)臏囟群蜔崃麟S時(shí)間變化規(guī)律如圖4～圖7所示。

圖4 7月份南墻內(nèi)壁溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖5 7月份南墻內(nèi)壁熱流隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6 7月份屋頂內(nèi)壁溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7 7月份屋頂內(nèi)壁熱流隨時(shí)間變化規(guī)律

普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)與相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁溫度相對(duì)于室外綜合溫度的衰減倍數(shù)及延遲時(shí)間在整個(gè)空調(diào)季的平均值如表2所示。

表2 普通/相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)各向溫度衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間平均值

從圖4～圖7和表2可以看出：普通墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)較大，相變墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)很小；由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的熱惰性及保溫材料的隔熱作用，相比于室外綜合溫度的波動(dòng)，普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)和相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁溫度的波動(dòng)都有一定的衰減和延遲；在普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，屋頂?shù)乃p倍數(shù)最大，約為138，北墻的衰減倍數(shù)最小，約為86.4；東墻的延遲時(shí)間最大，約為12.3 h，西墻的延遲時(shí)間最小，為8.4 h；在相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，南墻的衰減倍數(shù)最大，屋頂?shù)乃p倍數(shù)最小，延遲時(shí)間最大為14.6 h，最小約為9.2 h；相變屋頂?shù)臏囟群蜔崃鞯牟▌?dòng)較大，相變材料減小室內(nèi)壁溫度和熱流波動(dòng)的作用降低；相變屋頂內(nèi)相變材料層最內(nèi)側(cè)（靠近室內(nèi)側(cè)）表面溫度各月平均值高于相變材料的相變溫度，相變材料長(zhǎng)時(shí)間處于融化狀態(tài)，起不到儲(chǔ)熱放熱的作用。

2.2 冬季模擬結(jié)果及分析

冬季1～2月份普通房間和相變房間南墻及屋頂?shù)臏囟群蜔崃麟S時(shí)間變化規(guī)律如圖8～圖11所示。

圖8 冬季1～2月份南墻內(nèi)壁溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖9 冬季1～2月份南墻內(nèi)壁熱流隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10 冬季1～2月份屋頂內(nèi)壁溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖11 冬季1～2月份屋頂內(nèi)壁熱流隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖8～圖11可以看出：無(wú)論普通墻體還是相變墻體，受室外波動(dòng)氣象條件的影響，其內(nèi)壁溫度和熱流都有一定的波動(dòng)，并且其溫度都低于室內(nèi)空氣溫度；在冬季恒定的室內(nèi)溫度條件下，房間空調(diào)的能耗與由室內(nèi)向外傳遞的熱流密度有關(guān)，向外傳遞的熱流密度越大，空調(diào)能耗越大；相變墻體內(nèi)壁溫度在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)高于普通墻體溫度，提高了人體的舒適度，而且其熱流絕對(duì)值（失熱為負(fù)值）在供暖季的大多數(shù)時(shí)間較小，即相變房間的失熱量較小，房間熱負(fù)荷較小，降低了空調(diào)能耗；相變墻體中相變材料層溫度最大值低于18℃，低于相變材料的相變溫度，即相變材料在整個(gè)供暖季節(jié)中都未發(fā)生相變，所以相變材料在冬季僅起到保溫作用；水平面太陽(yáng)輻射較垂直面大，普通屋頂結(jié)構(gòu)和相變屋頂結(jié)構(gòu)外表面在有太陽(yáng)輻射時(shí)會(huì)吸收較多的太陽(yáng)輻射熱，減少了通過(guò)屋頂?shù)臒崃繐p失，而在沒(méi)有太陽(yáng)輻射熱的夜間，屋頂?shù)臒釗p失增大，所以普通屋頂和相變屋頂內(nèi)壁溫度和熱流的波動(dòng)較大，但由于相變材料熱阻的作用，相變屋頂內(nèi)壁溫度和熱流的波動(dòng)相比普通屋頂較小。

3 結(jié)論

（1）相變墻體內(nèi)表面溫度波動(dòng)很小，可以提高房間舒適度，有利于空調(diào)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和減小空調(diào)的額定功率，減少初始投資。

（2）相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間都大于普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)，相變材料的添加對(duì)室外綜合溫度的衰減和延遲會(huì)產(chǎn)生積極作用。

（3）水平屋頂由于接受較多的太陽(yáng)輻射，相變屋頂內(nèi)壁溫度和熱流的波動(dòng)有所增大，但相比于普通房間屋頂仍然有較大的衰減倍數(shù)和較好的保溫作用。

（4）相變房間空調(diào)夏季耗冷量、冬季耗熱量都小于普通房間，相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠起到一定的建筑節(jié)能作用。

[1]牛犇.相變墻體夏季工況運(yùn)行特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，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] 金麗麗.相變墻體的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].北京：北京建筑大學(xué)，2013.

[6]林坤平，張寅平，江億.我國(guó)不同氣候地區(qū)夏季相變墻房間熱性能模擬和評(píng)價(jià)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，24（1）：46-52.

[7]林坤平，張寅平，江億.夏季“空調(diào)”型相變墻熱設(shè)計(jì)方法[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，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

閆全英，女，1970年生，河北宣化人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士。