華旭明 刁永發(fā) 季亮

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

相變蓄熱材料的發(fā)展在綠色建筑應(yīng)用中起到了尤為重要的作用。相變蓄熱材料可以將超過其相變溫度的部分熱能儲存起來， 當(dāng)環(huán)境溫度降低在一定范圍后再釋放其潛熱， 以此削減室外溫度波動對室內(nèi)溫度的影響 [1-3] 。石蠟作為一種普遍的低溫相變材料， 具有相變溫度接近人體舒適度，本文采用相變石蠟 RT28作為相變板材[4]， 利用相變材料熱工性質(zhì)研究在工程實例中在前人利用焓法處理相變問題基礎(chǔ)上， 對建筑相變材料嵌入多層次圍護結(jié)構(gòu)中進行數(shù)值分析模擬，得出相變板材在多層次外圍護結(jié)構(gòu)的不同位置對相變板材內(nèi)側(cè)接觸面溫度、 熱流密度的影響 [5-7] 。

1 參數(shù)處理及擬合

1.1 氣象參數(shù)處理擬合

由于影響圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度的因素較多，其 中包括：室 外空氣對流換熱，太 陽直射輻射，地 面反射輻射，天 空散射輻射和空氣的長波輻射等[8]， 不 能僅以收集的氣象資料作為外部條件，綜 合考慮這些因素，為 了簡化計算，將 這些因素造成的溫升效果統(tǒng)一為一個外部溫度對外表面造成的影響，稱 其為室外空氣綜合溫度[9]。且由于選擇相變材料相變溫度范圍在26～28 ℃，能夠明顯產(chǎn)生相變的季節(jié)為夏季，故本文采用 NASA測出的夏季溫度計算夏季室外空氣綜合溫度。

式中：tzh為室外空氣綜合溫度， ℃；hout為外表面換熱系數(shù)， W/(m2· K)；I為水平或垂直面上的太陽輻射照度，W/m2；α為太陽輻射吸收系數(shù)， 取 0.75。

式中：trp為夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算日平均溫度， ℃； Δtr為夏季室外計算平均日較差 ， ℃， Δtr=(trm-trp)/0.52=10.19；tsh為夏季空調(diào)室外計算溫度逐時值， ℃。

目前，在 MATLAB軟件中用于曲線擬合的方法主要是三次多項式插值法， 拋物線加權(quán)平均法， 張力樣條函數(shù)插值法等， 這些方法計算量大。 最小二乘法[10]計算過程簡便， 用最小二乘法將計算出的夏季室外空氣綜合溫度數(shù)據(jù)進行反復(fù)校驗處理后， 結(jié)果得到的曲線方程為。

得到的曲線如圖1， 圖中曲線為擬合數(shù)據(jù)線。

圖1 上海地區(qū)夏季室外空氣綜合溫度

擬合出的曲線溫度值與實際計算的夏季室外空氣綜合溫度之間最大誤差為5%，平均誤差為0.02%，可近似認(rèn)為擬合曲線與計算值吻合。

為了研究相變板材在多層次結(jié)構(gòu)中不同位置的溫度變化情況， 先需要計算出其他建筑板材內(nèi)側(cè)溫度變化規(guī)律作為外邊界條件。在進行外圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程計算的室內(nèi)參數(shù)設(shè)定為： 空調(diào)房間室內(nèi)計算溫度T0 =24 ℃， 室內(nèi)換熱系數(shù)h0 =8.7 W/(m2·℃)。

1.2 圍護結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析擬合

本文研究的多層次外圍護結(jié)構(gòu)是由五種組成， 由外到內(nèi)依次為： A- 聚合物抗裂砂漿 （網(wǎng)格布）， B- 發(fā)泡水泥板Ⅱ型， C- 水泥砂漿，加氣混凝土、 D- 泡沫混凝土， E- 混合砂漿。該住宅圍護結(jié)構(gòu)原始參數(shù)則如表 1所示。

表1 住宅圍護結(jié)構(gòu)原始參數(shù)

將此視為一維條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱， 各層圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱方程 [11] 為：

式中：αi為各層熱擴散系數(shù)。

初始溫度：t=t0

邊界條件：

第一類邊界條件：t|x=xi=twi(τ)

第三類邊界條件：q|x=xi= [txi-1-txi] /Ri

由于在解決工程領(lǐng)域的過程中， 需要推導(dǎo)算法、 設(shè)計程序、 編制軟件等一些繁重工作， 且沒有形象的圖形解。利用 MATLAB 中的偏微分方程工具箱編程求解可將方程的色彩解與實際物理規(guī)律等結(jié)合進行解釋論證， 其計算速度快、 方便、 求解穩(wěn)定可靠[12]， 調(diào)用pdepe函數(shù)[13]求解該偏微分方程， 可直接將求解的偏微分方程組轉(zhuǎn)換為：

邊界條件可描述為

墻體模型如圖2所示：

圖2 原始墻體模型

計算擬合結(jié)果如下：

擬合出的各層溫度分布函數(shù)誤差均在合理范圍內(nèi)， 可用于之后相變板材數(shù)值分析的邊界條件。

2 相變構(gòu)件的數(shù)值模擬

選用的建筑相變材料為中德杰能 ZDJN-28A， 其相變溫度范圍為 26～28 ℃，相變潛熱為 186 kJ/(kg· ℃)，比熱容cp,s=2.16 kJ/(kg· ℃)、cp,l=2.02 kJ/(kg · ℃)、 導(dǎo)熱系數(shù)λ s=0.32 W/(m · K)、λl=0.28 W/(m ·K)，密度ρs=860 kg/m3、ρ l=790 kg/m3。

2.1 相變傳熱模型的建立

相變板材在多層次圍護結(jié)構(gòu)的不同位置會對本身溫度、 熱流密度產(chǎn)生不同的影響， 圖3中， 三種模型，相變板材厚度為 0.02m， 依次置于聚合物抗裂砂漿與發(fā)泡水泥板之間， 水泥砂漿與鋼筋混凝土之間， 鋼筋混凝土與混合砂漿之間。

圖3 相變板材在圍護結(jié)構(gòu)不同位置模型

在多層次建筑圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中視為一維熱傳導(dǎo)其導(dǎo)熱控制方程 [14] 統(tǒng)一采用焓法處理 [15] ：

控制方程：

初始條件：

第三類邊界條件：

其中， 溫度t與比焓H之間的關(guān)系為：

其中，cp,s為建筑相變材料固態(tài)時的平均比熱容；cp,l為建筑相變材料液態(tài)時的平均比熱容；Hs為相變材料固態(tài)飽和比焓；Hl為相變材料液態(tài)飽和比焓；∈ 為相變材料相變半徑；qpcm為相變潛熱。

利用MATLAB軟件對三種模型的傳熱過程進行編程， 與文獻[16]進行對比驗證， 先得出了的相變板材的溫度變化趨勢， 并與外側(cè)圍護結(jié)構(gòu)及室外綜合溫度進行比較分析， 具體參數(shù)及結(jié)果見圖4～6。 圖中紅線表示室外綜合溫度、 綠線表示各模型的外邊界條件所示溫度、 藍線表示相變材料在不同位置內(nèi)側(cè)溫度。 圖7為三種模型相變材料溫度變化比較。

圖4 模型1的溫度變化比較曲線

圖5 模型2的溫度變化比較曲線

圖6 模型3的溫度變化比較曲線

圖7 三種模型內(nèi)墻溫度變化比較

通過上圖比較發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)相變板材的位置處在中間時能夠顯著降低一天中溫度峰值， 相對于相變板材處在多層次圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)和內(nèi)側(cè)， 中間位置的效果更加明顯。這說明相變板材放置在中間位置， 在白天更能有效的減少高溫峰值，使夏季白天峰值溫度降低， 溫度變化平緩， 有利于居住舒適度及空調(diào)節(jié)能。

圖 8 是三種模型下相變板材的熱流密度變化情況， 熱流密度值為正則為墻體的蓄熱階段， 熱流密度值為負則為墻體的放熱階段， 通過比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)相變板材位于多層次圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)時可以存儲更多的潛熱量， 相對于模型一， 其他兩種模型在白天存儲的熱量較模型一少， 但是減少熱負荷峰值的能力較強。

圖8 三種模型熱流密度變化比較

3 能耗模擬分析

3.1 建筑模型

本文以位于夏熱冬冷地區(qū)上海嘉定嘉譽住宅建筑為建筑模型， 作為傳統(tǒng)的住宅建筑， 在住宅中具有一定的代表性。分析傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)、 相變板材在圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)、 相變板材在圍護結(jié)構(gòu)中間、 相變板材在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)對該建筑物夏季能耗的影響。本課題選取的建筑模型為當(dāng)前典型的住宅樓建筑，該建筑地下 0層、 地上16層， 建筑面積7292m2， 建筑高度為23.2m，層高2.9m， 每層8個戶型， 共128戶。 窗墻面積比： 南、北向0.38。 東、 西向均為 0.18、0.12。 建筑采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)， 冷熱源為水冷螺桿冷水機組加燃氣鍋爐組合。選定從 6月1日至9月30日為供冷季節(jié)。根據(jù)實際建筑結(jié)構(gòu)在ecotect軟件里建立建筑模型， 建筑模型圖如圖9所示。

圖9 建筑模型

3.2 各項參數(shù)的設(shè)置

在建筑軟件 ecotect 中對所建建筑模型的以下各項參數(shù)進行設(shè)定。

1） 氣象參數(shù)設(shè)置：ecotect 模擬所采用的中國上海典型氣象參數(shù)來自于 ecotect 軟件自帶的氣象數(shù)據(jù)文件，該文件由 EnergyPlus 中的 EPW氣象文件轉(zhuǎn)化而來。 上海屬于中國的夏熱冬冷地區(qū)， 位于北緯 31.4° ， 東經(jīng)121.4° ， 海拔高度 4.5m， 夏季大氣壓 100.53 kPa， 夏季空調(diào)設(shè)計日為7月15日， 室外干球溫度34 ℃， 濕球溫度28.2℃， 平均風(fēng)速2.95m/s。 這些參數(shù)均在所采用的上海市的氣象數(shù)據(jù)文件中有所體現(xiàn)。

2） 建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置： 根據(jù) 《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施一暖通空調(diào)動力》 中的標(biāo)準(zhǔn)圍護結(jié)構(gòu)類型的要求， 各圍護結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)在ecotect模擬軟件中根據(jù)實際工程實例修改參數(shù)設(shè)置， 參數(shù)模型設(shè)置見圖9。

3） 透明圍護結(jié)構(gòu) （玻璃窗） 參數(shù)設(shè)置： 根據(jù)室外氣象參數(shù)與室內(nèi)設(shè)定的溫度來判斷玻璃窗中玻璃窗所處的狀態(tài)， 然后在能耗模擬軟件中根據(jù)實例使用窗戶的參數(shù)進行能耗計算。

建筑物室內(nèi)人員活動和設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置： 空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)包括人員， 燈光， 設(shè)備， 溫濕度以及新風(fēng)量。 先是人員的設(shè)置， 定義起居室2人， 主臥2人，次臥1人， 書房1人。接著是燈光設(shè)備的設(shè)置， 定義燈光負荷為5 W/m2， 設(shè)備負荷為800 W/戶。夏季溫濕度分別設(shè)置為24 ℃，60%。新風(fēng)量按同時滿足每戶0.65次/h 換氣新風(fēng)量和人均新風(fēng)量 25m3/s中的最大值考慮， 每戶各風(fēng)口平均分配， 標(biāo)準(zhǔn)層主臥室設(shè)置2個新風(fēng)口， 次臥和書房各設(shè)置1個新風(fēng)口， 客餐廳設(shè)置2個新風(fēng)口。

3.3 能耗模擬結(jié)果與分析

建模后對模型進行模擬便可以得到模擬結(jié)果。ecotect 軟件本身是提供模擬結(jié)果圖標(biāo)以及模擬輸出數(shù)據(jù)的。結(jié)果文件中包含了負荷， 系統(tǒng)， 設(shè)備和經(jīng)濟的詳細報告， 由于本課題是進行四種模型對建筑能耗的影響，故僅選取其中通過建筑圍護結(jié)構(gòu)的夏季7月份得熱量和散熱量、 夏季供冷能耗的兩個報表進行分析即可。

通過模擬計算可以得到四種模型的夏季 7 月得熱量與散熱量， 如圖10所示。通過原始圍護結(jié)構(gòu)模型的夏季7月的得熱量明顯高于添加相變材料的圍護結(jié)構(gòu)的得熱量，相變材料在圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)的夏季7月散熱量明顯高于原始圍護結(jié)構(gòu)的散熱量。相變材料在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)相比于相變材料在圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)， 中間以及原始圍護結(jié)構(gòu)而言，7 月得熱量分別降低了7457386.36 kJ、2485795.45 kJ、29829545.45 kJ，7 月散熱 量 分 別 降 低 2734375 kJ、248579.54 kJ 和 增 加22123579.55 kJ。相變材料在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)時，夏 季 7月的隔熱性能略優(yōu)于相變材料在圍護結(jié)構(gòu)中間。相比于相變材料在圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)以及原始圍護結(jié)構(gòu)，其 夏季隔熱效果明顯。夏季，相 變材料在圍護結(jié)構(gòu)的潛熱吸收并貯存部分太陽輻射熱量，減 小了圍護結(jié)構(gòu)的直接太陽輻射得熱量，同 時相比于原始圍護結(jié)構(gòu)，由 于其內(nèi)側(cè)多了一層相變夾層，使 得相變材料在夜間釋放吸收的潛熱時，減 小了向室內(nèi)的散熱量，使 得更多的熱釋放到室外，從 而降低了夏季空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

圖10 建筑物通過四種不同圍護結(jié)構(gòu)的七月得熱量與散熱量

盡管夏季相變材料在圍護結(jié)構(gòu)的使用中具有很好的調(diào)溫隔熱效果。但在冬季的工況下也存在著不利于對太陽輻射的吸收。所以在工程實踐中， 需要提前計算模擬， 分析出更合適的， 冬夏兩季均會發(fā)生相變的相變材料進行使用， 才能在全面制冷采暖時期起到節(jié)能的效果。

圖 11 顯示了上海某住宅供冷季節(jié)采用四種不同位置組合的圍護結(jié)構(gòu)后七月的供冷能耗。建筑物采用的相變板材分別置于圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)、 中間、 內(nèi)側(cè)相比于原始圍護結(jié)構(gòu)，較其夏季的供冷能耗分別降低12.2%，13.8%和13.2%。建 筑物將相變板材置于圍護結(jié)構(gòu)中間后供冷能耗相于置于圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)或置于圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)分別降低了 1.6%和 0.7%。相變板材置于圍護結(jié)構(gòu)中間夏季調(diào)節(jié)空調(diào)負荷的能力較強，節(jié) 能效果較為明顯。由以上分析可知，將相變板材置于圍護結(jié)構(gòu)的任何位置基本上都可以滿足夏季隔熱的要求，在夏熱冬冷地區(qū)使用該窗體具有較大的節(jié)能潛力。

圖11 建筑物通過四種不同圍護結(jié)構(gòu)的七月制冷能耗

4 結(jié)束語

本文對相變板材在上海嘉定區(qū)嘉譽住宅多層次維護結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用效果進行了數(shù)值模擬， 將建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)及NASA氣象數(shù)據(jù)處理后， 利用焓法模型通過MATLAB軟件編程求解在多層次圍護結(jié)構(gòu)中相變板材在不同位置對溫度場及熱流密度的影響。結(jié)果表明建筑相變板材不僅可以有效減少一天中室內(nèi)溫度峰值過高的問題， 在室外溫度達到最高時還可以有效延遲其對室內(nèi)溫度的影響。當(dāng)相變板材位于中間時，減少夏季空調(diào)冷負荷峰值效果最好。當(dāng)相變板材位于外側(cè)時，存儲的潛熱量更多。實際工程中可利用此結(jié)論合理設(shè)計相變板材位置， 達到綠色節(jié)能的目的。

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