陳瀟囡，方廷勇，胡浩威，朱明俊

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)，安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601）

0 前言

針對(duì)建筑業(yè)發(fā)展而言，世界各地區(qū)都存在一種共同的目標(biāo)，即改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境、降低空調(diào)能耗。一方面，根據(jù)專家預(yù)估，按照當(dāng)今的消費(fèi)能源的使用速率,枯竭性能源的消費(fèi)時(shí)間也只能維持幾百年，因此能源問(wèn)題將成為社會(huì)發(fā)展乃至人類生存所面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。另一方面由于大氣污染加劇和太陽(yáng)活動(dòng)加強(qiáng)，導(dǎo)致厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)、大氣溫度屢創(chuàng)歷史新高，目前人類生活水平的提高，對(duì)室內(nèi)生活品質(zhì)的要求逐步提升，使得國(guó)家供電壓力陡升。因此關(guān)于建筑節(jié)能和提高生活品質(zhì)的研究成為國(guó)內(nèi)外所關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同材料蓄熱墻體開(kāi)展了大量的研究，表明不同蓄熱材料的吸放熱特性不同、對(duì)室內(nèi)溫差變化的影響程度不同[3]。如張春芳[4]的研究表明不同蓄熱材料的熱惰性不同，吸放熱特性不同，對(duì)室內(nèi)溫度的影響也不同——熱惰性與室內(nèi)晝夜溫差成負(fù)相關(guān)，且熱惰性達(dá)到一定值時(shí)溫差基本不變。

相變材料是一種高效的儲(chǔ)能材料，會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而轉(zhuǎn)換相態(tài)，并伴隨著吸、放熱現(xiàn)象[5]。又有研究表明室內(nèi)溫度的變化是由于熱流直接影響，主要是因?yàn)檠舆t時(shí)間與衰減因子可以證明與室內(nèi)外溫度波存在一定相互聯(lián)系[3]。因此，相變材料應(yīng)用到現(xiàn)代建筑中，可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排、綠色環(huán)保[6]。大量的研究表明使用相變材料可有效降低室內(nèi)晝夜溫差（在肖偉團(tuán)隊(duì)的研究中，溫差降低達(dá)到了54%）[7]。

然而，與歐美等國(guó)家相比較而言，中國(guó)人均建筑能耗結(jié)構(gòu)處于較低水平[8]。因此，本文擬運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)常見(jiàn)的四種墻體材料（粉煤灰陶?；炷?、加氣混凝土（B07）、紅磚砌塊和水泥砂漿）以及石蠟類相變材料進(jìn)行熱分析，得到常見(jiàn)材料在合肥地區(qū)應(yīng)用的適宜性分析；并分析對(duì)比石蠟類相變材料與普通墻體材料的吸、放熱性能，得到合肥地區(qū)最優(yōu)墻體材料，推動(dòng)相變材料在建筑工程中的實(shí)際應(yīng)用、加速建筑低能耗進(jìn)程。

1 模擬方法

1.1 模型建立

本文模擬采用ANSYS軟件對(duì)不同材料墻體的蓄熱性能進(jìn)行分析與建模。ANSYS軟件對(duì)普通墻體和相變墻體的導(dǎo)熱模擬操作大致分為三個(gè)步驟。①前期的處理。在模塊Meshing中設(shè)置長(zhǎng)方形形狀生成2D/3D網(wǎng)格。②運(yùn)行求解器。輸入生成的網(wǎng)格和所用物理模型的參數(shù)，確定其邊界條件，然后運(yùn)行求解。③結(jié)果的處理。將最終結(jié)果形象化表示出來(lái)，可以對(duì)墻體材料的內(nèi)壁面的溫度場(chǎng)變化和最小溫度差等來(lái)分析墻體的蓄熱性能。

本文利用ANSYS軟件對(duì)蓄熱墻體分析以下內(nèi)容。分析不同墻體材料的建筑物內(nèi)壁溫度場(chǎng)，對(duì)比得出最優(yōu)蓄熱性能材料；研究相變材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱物性、模擬及其內(nèi)壁溫度場(chǎng)的變化，并比較兩種材質(zhì)墻體的蓄熱特性。假設(shè)墻體材料之間為局部熱平衡、環(huán)境溫度為24℃。在普通材料和相變材料模擬過(guò)程中均假設(shè)：

①忽略相變材料由于發(fā)生相變而引起的速度變化以及表面張力的影響；

②流體與固體之間處于局部熱平衡；

③相變材料物理特性穩(wěn)定，物性不隨溫度變化而變化。

1.2 計(jì)算模型

本次模擬根據(jù)不同墻體材料熱物性，采用ANSYS軟件模擬出一個(gè)簡(jiǎn)單的4層復(fù)合墻體，分別為外保溫層、抹灰層、主體層和內(nèi)保溫層等，設(shè)置的物理模型見(jiàn)圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 物理模型

圖2 模型網(wǎng)格劃分

1.3 參數(shù)細(xì)節(jié)設(shè)置

物理模型中4層復(fù)合墻體的外保溫層、抹灰層、主體層和內(nèi)保溫層的厚度分別為 60mm、20mm、220mm及20mm，墻體主體厚度為240mm，內(nèi)外保溫用的是保溫隔熱型膨脹?；⒅檩p質(zhì)砂漿，為了分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能對(duì)建筑負(fù)荷的影響，本文選取主體結(jié)構(gòu)材料分別為粉煤灰陶?；炷痢⒓託饣炷?、紅磚砌塊等3種不同材料及其選取了石蠟類相變材料為主的蓄熱墻體。假設(shè)墻體材料之間為局部熱平衡，邊界條件如表1所示。邊界條件設(shè)置為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算，h=11.6+7×W^0.5，其中W是風(fēng)速，當(dāng)室外風(fēng)速為W=1.7m/s得到外墻對(duì)流傳熱系數(shù)為17.5W/m2℃，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速很小選取W=0.2m/s時(shí)，內(nèi)墻對(duì)流傳熱系數(shù)為12.3W/m2℃。

表1 邊界條件設(shè)置

1.4 模擬方案

本文分別研究?jī)煞N不同的方案模擬，分析不同材料的蓄熱墻體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響情況。第一種主要研究分析普通蓄熱材料的影響，第二種主要研究相變材料的影響情況。用于建筑外墻主體結(jié)構(gòu)3種普通蓄熱級(jí)別材料的熱物性見(jiàn)表2，石蠟類相變材料的熱物性見(jiàn)表3和表4。

表2 普通蓄熱級(jí)別材料的熱物性

表3 復(fù)合相變材料熱物性能

表4 復(fù)合相變材料相變焓

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 室外溫度擬合結(jié)果

在模擬室外溫度時(shí)，其目的是模擬出溫度隨著時(shí)間的變化而變化的一種情況，根據(jù)24小時(shí)室外實(shí)測(cè)溫度輸入origin軟件，利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得到該室外溫度變化方程：

根據(jù)合肥夏季平均氣溫為29℃，最低可達(dá)到21℃。7月20日的氣溫符合夏季平均氣溫溫度，因此本文選取7月20日為模擬日，得到室外溫度和內(nèi)壁面溫度變化曲線見(jiàn)圖3所示。

2.2 普通蓄熱墻體的熱特性分析

在觀察3種材料的溫度場(chǎng)變化時(shí)分別選取在10000s、20000s、30000s、40000s四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行墻體溫度場(chǎng)的比較，蓄熱材料依次為粉煤灰陶?；炷痢⒓託饣炷梁图t磚砌塊。用ANSYS軟件模擬出不同時(shí)間的3種材料的溫度分布圖，見(jiàn)圖4所示。

圖3 室內(nèi)外環(huán)境溫度變化

圖4 三種材料的溫度分布圖（從左至右依次為：粉煤灰陶?；炷痢⒓託饣炷?、紅磚砌塊）

如圖可知，當(dāng)在T=10000s到T=30000s都呈上升趨勢(shì)，體現(xiàn)了蓄熱墻體的吸熱特性。粉煤灰陶?；炷?、加氣混凝土和磚切塊的溫度直線上升趨勢(shì)，在T=10000s三種材料的溫度場(chǎng)變化幾乎一致，但是從T=20000s加氣混凝土的溫度場(chǎng)變化有異于其他兩種材料，此時(shí)分辨率比較清晰，其上升趨勢(shì)緩慢與其他兩種材料。當(dāng)T=30000s時(shí)3種材料的溫度都達(dá)到了最高值，此時(shí)紅磚砌體的溫度最高在23℃。當(dāng)時(shí)間從30000s至40000s時(shí)，3種材料的溫度隨著室外溫度的降低而降低，體現(xiàn)了蓄熱墻體的放熱特性，此時(shí)加氣混凝土、粉煤灰陶?；炷梁痛u切塊的溫度在19.6℃左右。因此其蓄熱性能比較好，不易使熱量的流失，適宜北方墻體和晝夜溫度差大的地區(qū)的使用。

將3種材料在0到40000s的墻體內(nèi)壁溫度值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同普通材料墻體內(nèi)壁溫度對(duì)比圖

從圖中3種材料墻體內(nèi)壁溫度模擬結(jié)果對(duì)比分析得出，墻體溫度隨室外溫度降低而降低，加氣混凝土、粉煤灰陶?；炷梁图t磚切塊的溫度基本在19.6℃，展現(xiàn)墻體的蓄熱性能較好。加氣混凝土從0點(diǎn)開(kāi)始到40000s的時(shí)溫度波動(dòng)變化平緩，其內(nèi)壁溫度差值最小，即內(nèi)壁最小溫度差在5℃左右，比較適宜，凸顯加氣混凝土作為墻體的材料能改善室內(nèi)溫度波動(dòng)的作用，建議加氣混凝用于主體結(jié)構(gòu)，可較好儲(chǔ)存?zhèn)魅胧覂?nèi)的熱量，有效防止熱量的流失。

2.3 相變蓄熱墻體的熱特性分析

利用這個(gè)相變墻體作為加氣混凝土墻體的對(duì)照組，室內(nèi)外溫度變化曲線的擬合、環(huán)境溫度、內(nèi)外對(duì)流仍保持一致。并在觀察相變料的溫度場(chǎng)變化時(shí)分別選取在 10000s、20000s、30000s、40000s四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行墻體溫度場(chǎng)的比較，見(jiàn)圖6所示。

圖6 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的相變材料的溫度分布圖

2.4 最優(yōu)普通材料與相變材料模擬結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)以上分析將相變材料和加氣混凝土材料在0到40000s的房屋墻體內(nèi)壁溫度的數(shù)值變化進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖7所示。

圖7 為相變材料墻體與普通材料的對(duì)比圖，相變材料日照時(shí)間在0至30000s吸收太陽(yáng)光所產(chǎn)生的熱量使得室內(nèi)溫度的升高，升高溫度在20℃左右，而上述的加氣混凝土溫度的峰值在2.5℃左右，因此其升高的速度要低于加氣混凝土材料，體現(xiàn)了相變材料墻體的吸熱特性。當(dāng)時(shí)間從30000s至40000s室外太陽(yáng)光變?nèi)跫词覂?nèi)熱源逐漸消失，使得室內(nèi)溫度降低至16℃，降幅為2.5℃左右。墻體內(nèi)壁面的溫度受室內(nèi)的影響表現(xiàn)出延遲，當(dāng)室外溫度降低時(shí)，相變墻體使得室內(nèi)溫度儲(chǔ)存，體現(xiàn)了相變材料蓄熱能力較好。

圖7 相變和加氣混凝土材料墻體內(nèi)壁溫度模擬結(jié)果對(duì)比

合肥位于夏熱冬冷氣候區(qū)，其氣候特征為四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫為16℃。通過(guò)相變材料和加氣混凝土材料墻體內(nèi)壁溫度模擬結(jié)果對(duì)比分析得出，加氣混凝土隨著室外溫度升高，墻體內(nèi)壁溫度變化升高的速度大于相變材料的墻體，體現(xiàn)了相變材料蓄熱能力較好，因此相變材料對(duì)于溫度的改變具有延時(shí)作用。從圖7看出相變材料的墻體比普通材料的墻體室內(nèi)溫度降低了8℃。室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的高低，對(duì)供暖能耗有著明顯的影響，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)冬季降低1℃，建筑能耗降低約10%[9]。彰顯了加入相變材料的墻體在改善室內(nèi)溫度波動(dòng)的作用，并優(yōu)化了室內(nèi)熱環(huán)境。在白天可以吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生的熱量防止溫度過(guò)高，在相變的過(guò)程中把吸收的熱量?jī)?chǔ)存在相變材料的內(nèi)部，在夜晚溫度較低的時(shí)候又可以通過(guò)相變釋放白天所儲(chǔ)存的熱量提供給室內(nèi)，這樣可以有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)的晝夜溫度并改善人居住環(huán)境及提高能源的利用率。

3 結(jié)論

通過(guò)用ANSYS軟件對(duì)普通材料和相變材料的墻體進(jìn)行模擬分析，主要結(jié)論如下。

通過(guò)兩種材料的內(nèi)壁溫度進(jìn)行對(duì)比分析，得出加入相變材料的墻體內(nèi)部溫度波動(dòng)平緩，降幅為2.5℃左右，溫度降低8℃左右。說(shuō)明相變材料的使用明顯提高了墻體蓄熱能力，對(duì)于溫度的改變具有延時(shí)作用，更適宜用于合肥地區(qū)作為墻體蓄熱材料。

本文研究?jī)?nèi)容存在尚有待發(fā)掘的方向，模擬過(guò)程中未考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)蓄熱性能的影響，作者擬從不同類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面著手，進(jìn)一步開(kāi)展相變材料適宜性研究。