董菁菁 王漢青 郭韻恬

1 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室

3 裝配式建筑節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

4 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

隨著人們對(duì)于室內(nèi)熱舒適度要求的不斷提升，由建筑物產(chǎn)生的能耗和溫室氣體的排放量也相應(yīng)的增加。有數(shù)據(jù)顯示，30%～40%的溫室氣體排放可歸因于建筑能耗[1-2]，而供暖通風(fēng)和空調(diào)能耗可占到建筑能耗的50%以上[3-4]。因此采用合理的節(jié)能方式是降低墻體能耗、提高室內(nèi)熱舒適度的重要措施之一。相變材料（PCM）能在物質(zhì)相變過(guò)程中吸收或釋放潛熱[5]，且儲(chǔ)熱密度大，可以根據(jù)氣候條件和實(shí)際應(yīng)用需求在特定的溫度范圍進(jìn)行高效的熱量存儲(chǔ)，因而研究者通過(guò)在墻體加入相變材料來(lái)優(yōu)化墻體蓄熱性能。相變材料與建筑材料結(jié)合成相變儲(chǔ)能墻體是利用相變材料的熱特性改善墻體的蓄放熱性能，有效減小室內(nèi)溫度峰值，降低室內(nèi)供暖和空調(diào)負(fù)荷，進(jìn)而達(dá)到降低建筑能耗的目的。本論文對(duì)國(guó)內(nèi)外相變墻體蓄熱性能的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，并首次從數(shù)值模擬的角度全面概述了常用求解相變墻體傳熱過(guò)程的方法和軟件模擬研究現(xiàn)狀。

1 相變墻體的熱工性能研究

墻體的蓄熱能力強(qiáng)弱是建筑能否抵抗外界溫度波動(dòng)、維持室內(nèi)環(huán)境舒適度的重要因素之一。不同相變材料熱物性的差異化導(dǎo)致其在墻體中應(yīng)用時(shí)的蓄熱能力有差別，因此相變材料的熱物性好壞是相變墻體的實(shí)際蓄熱性能優(yōu)劣的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的研究表明，材料的復(fù)合應(yīng)用，相變層在墻體中的位置，厚度以及不同室外的氣候條件等均對(duì)墻體應(yīng)用時(shí)實(shí)際蓄熱能力有較大的影響，因此其成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1.1 墻體用相變材料的熱物性研究

相變材料的選擇對(duì)于其在應(yīng)用中的蓄熱能力至關(guān)重要，理想的相變材料應(yīng)具有合適的相變溫度、最佳的相變潛熱和導(dǎo)熱率等熱物性。因此測(cè)量相變材料的熱物性非常重要，現(xiàn)有的測(cè)量方法有示差掃描量熱法（DSC），差熱分析法（DTA）以及T-history 等方法。

DSC 和DTA 都是通過(guò)測(cè)量相變材料與參照品之間加入的熱流差異，獲得融化/凝固溫度、熱容量、相變潛熱等相變材料的熱物性，但DSC 還可以測(cè)量相變墻體的熱性能[6]（如圖1 所示）。T-history 是一種參比溫度曲線(xiàn)的測(cè)量方法，張寅平[7]通過(guò)分析了DSC 和DTA等常規(guī)方法的局限性，提出了T-history 方法，而Hong[8]對(duì)T-history 方法進(jìn)行改進(jìn)。相比較于其他兩種測(cè)量方法，T-history 方法實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單、測(cè)試時(shí)間短且可用于多種相變材料的熱物性同時(shí)測(cè)量（如圖2[7]）。

圖1 DSC 測(cè)量相變墻體的熱性能

圖2 T-history 方法測(cè)量相變材料熱物性

目前常見(jiàn)的相變材料大多有導(dǎo)熱率低的缺陷，在一定程度上限制了相變材料的實(shí)際應(yīng)用。Irsyad[9]研究證明以椰子油作為相變材料所制備的磚導(dǎo)熱性相比于空心磚更低。因此增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱率成為了改善相變墻體熱物性的研究熱點(diǎn)，常用方法是使用翅片、蜂窩、多孔介質(zhì)、纖維材料、金屬泡沫等高導(dǎo)熱性物質(zhì)與相變材料結(jié)合增強(qiáng)相變墻體的傳熱性能。Hussain 等人[1]將活性炭納米片添加到相變材料中，顯著提升了該相變材料的導(dǎo)熱性。而Fukai 等[10]將碳纖維刷用于石蠟中，實(shí)驗(yàn)得出石蠟的熱導(dǎo)率得到增強(qiáng)。Tian 和Zhao[11-12]對(duì)金屬泡沫增強(qiáng)的相變材料中的傳熱進(jìn)行了研究表明金屬泡沫在抑制自然對(duì)流的同時(shí)顯著促進(jìn)了熱傳導(dǎo)，材料總傳熱率高于純相變材料。

相變材料的導(dǎo)熱率低導(dǎo)致其在墻體應(yīng)用中產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象從而增加相變過(guò)程的蓄放熱時(shí)間，因此增強(qiáng)導(dǎo)熱率強(qiáng)化相變墻體傳熱使相變材料得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 相變層在墻體中最佳位置熱工性能研究

目前的研究中關(guān)于相變材料在建筑墻體中的分布一般有兩種，一種是只含單層相變材料其余為建筑結(jié)構(gòu)層的墻體，另一種為具有雙層定型相變材料的相變墻體。

圖3 相變材料位置與熱流減少百分比

單層相變材料墻體熱工性能在應(yīng)用時(shí)一般受相變層的厚度、位置等因素的影響。相變層太厚則會(huì)造成材料浪費(fèi)，而相變層太薄又使墻體的蓄熱性能大大降低，因此相變層在墻體中存在厚度的臨界值[13]。相變材料的安裝位置不同使得相變材料出現(xiàn)部分融化或凝固的現(xiàn)象。Jin 等[14]實(shí)驗(yàn)研究相變材料位置對(duì)墻體熱性能影響，通過(guò)對(duì)比墻體熱流減少百分比表明最佳位置位于距內(nèi)表面1/5L 處（如圖3 位置c）。Lee 等[15]研究有相變材料層的南面和西面墻體的熱性能，研究得出南墻和西墻的最佳位置分別為位置3 和位置2（如圖4）。華旭明[16]運(yùn)用Matlab 對(duì)多層相變墻體中相變材料的分布位置對(duì)其溫度場(chǎng)及熱流密度的影響，研究得出相變材料位于中間位置時(shí)能顯著降低夏季最大冷負(fù)荷。

圖4 相變材料在南墻和西墻中的最佳位置

單層相變墻體的相變溫度在一定范圍內(nèi)，一般僅能在特定季節(jié)起到減少室內(nèi)能耗的作用，對(duì)于溫度變化大的地區(qū)全年適用性較差。對(duì)此國(guó)外學(xué)者Diaconu[17]提出了一種適用于全年的雙層相變墻體，相變材料層位于墻體內(nèi)、外表面，外層的相變溫度高用于夏季而內(nèi)層的相變溫度低用于冬季，全年模擬結(jié)果表明該墻體能降低全年冷/熱負(fù)荷以達(dá)到節(jié)能的目的。而國(guó)內(nèi)朱娜等人[18-22]研究了雙層定型相變墻體在我國(guó)五個(gè)典型氣候區(qū)應(yīng)用的節(jié)能潛力及適用性，根據(jù)節(jié)能率性及經(jīng)濟(jì)性因素得出內(nèi)、外層相變材料最優(yōu)相變溫度范圍，對(duì)各地區(qū)應(yīng)用效果對(duì)比表明冬季日較差較小的地區(qū)較適合使用相變墻體。

綜上所述，相變墻體中相變層不同厚度和位置對(duì)其熱工性能有一定影響，目前的研究表明單層相變墻體的相變層位置一般位于墻體中間時(shí)墻體的實(shí)際熱工性能達(dá)到最佳。雙層定型相變墻體的內(nèi)外表面相變材料不同使得其節(jié)能效果具有全年適用性，但它在不同氣候區(qū)的節(jié)能潛力有差異，因此實(shí)際應(yīng)用適用性還需進(jìn)一步考慮。

1.3 不同室外條件下的相變墻體熱工性能

相變材料用于建筑墻體中的實(shí)際蓄能量受諸多因素影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn)室外氣象參數(shù)的不斷變化對(duì)相變墻體的實(shí)際應(yīng)用蓄熱性能有所影響。Gassar 等[23]探究了未來(lái)氣候變化對(duì)不同氣候區(qū)的影響，研究得出在未來(lái)的氣候條件下相變墻體的使用節(jié)電率最高可達(dá)1.94%～5.15%。同一種相變墻體在不同氣候區(qū)應(yīng)用時(shí)對(duì)室內(nèi)的溫度和能耗有不同的影響，具體的節(jié)能效果與室外氣象參數(shù)有關(guān)。Zwanzig 等人[24]模擬了美國(guó)所有季節(jié)性條件下相變材料在墻體應(yīng)用的熱性能性能，結(jié)果表明相變墻體性能高度依賴(lài)于天氣條件，強(qiáng)調(diào)了在不同的氣候區(qū)選擇不同的相變材料的必要性。Soares 等人[25]發(fā)現(xiàn)，在輕質(zhì)鋼框架建筑中，將相變材料應(yīng)用于干式墻可以將能效提高10%～60%，具體能效則取決于氣候區(qū)。

室外氣象條件是相變材料選擇的決定性因素也是相變墻體應(yīng)用時(shí)實(shí)際蓄放熱的主要影響因素。綜上所述相變墻體可適用于多種氣候類(lèi)型條件下建筑墻體，但在不同氣候區(qū)應(yīng)用時(shí)的熱工性能和節(jié)能效果有所差異，因此需根據(jù)地區(qū)氣候特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性條件選擇合適的相變材料及其封裝方式。

2 復(fù)合相變材料在墻體中的研究

2.1 復(fù)合相變材料對(duì)相變墻體性能的影響

復(fù)合相變材料通過(guò)材料的復(fù)合彌補(bǔ)純相變材料導(dǎo)熱率低，融化時(shí)的自然對(duì)流和凝固時(shí)的過(guò)冷效應(yīng)等缺陷。復(fù)合相變材料在墻體中應(yīng)用時(shí)不同材料配比對(duì)復(fù)合相變材料是有影響的，如Lai[26]、li[27]將相變材料與建筑材料按不同的重量百分比制備的復(fù)合相變材料，其相變溫度沒(méi)有明顯變化但相變潛熱和比熱隨著相變材料重量百分比的增加而增加。Karaipekli[28]通過(guò)TG 分析表明復(fù)合相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性和相容性，而Sari[29-30]復(fù)合相變材料在其工作溫度范圍之上具有高耐熱性，通過(guò)添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹石墨可以提高相變材料的導(dǎo)熱率。范兆榮[31]采用石蠟和硬脂酸作為原料按不同的混合比配制復(fù)合相變材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明液體石蠟含量越多相變溫度越低但在加熱后其滲出率越高。

綜上所述，復(fù)合相變材料在不考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下有一定的熱穩(wěn)定性，防止熔化時(shí)泄露和耐熱性。復(fù)合相變墻體的蓄熱量隨著相變材料的百分比增加而增多，但對(duì)于液態(tài)相變材料其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高滲出程度越高，極大地影響了相變墻體的熱工性能。

2.2 復(fù)合相變材料在墻體中的經(jīng)濟(jì)性研究

目前復(fù)合相變材料已被廣泛應(yīng)用與建筑墻體中，眾多研究人員對(duì)其在墻體中的應(yīng)用的實(shí)際性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了大量研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者張東[32]通過(guò)建筑實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析得出相變?chǔ)能復(fù)合材料可明顯降低室內(nèi)溫度和空調(diào)的電力負(fù)荷，在電力調(diào)峰方面大有潛力。Castell[33]也同樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明復(fù)合相變墻體使電能消耗降低了約15%，減少了大約1-1.5 千克/年/平方米的二氧化碳排放量。Ramakrishnan 等[34]將石蠟和膨脹珍珠巖制備成復(fù)合相變材料通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究，結(jié)果表明每年可節(jié)省16%～25%的能源。Zwanzig[24]在美國(guó)不同氣候帶的典型住宅建筑中使用復(fù)合相變墻板使整個(gè)季節(jié)降低35%的冷卻負(fù)荷，而另一氣候帶年降溫量減少了45%。Tian 等[35]將復(fù)合相變材料用于夏季墻體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，相變儲(chǔ)能墻體相比于普通墻體儲(chǔ)能能力提高了50%。與含保溫材料的墻體相比復(fù)合相變墻體的熱工性能也是更優(yōu)[36]。Shi[37]等將相變材料結(jié)合混凝土用于香港的建筑，在經(jīng)濟(jì)上發(fā)現(xiàn)相變材料在香港公屋單位的應(yīng)用是顯而易見(jiàn)的，投資回收期為11 年。

經(jīng)濟(jì)評(píng)估是評(píng)估相變材料在建筑物中的適用性的重要過(guò)程，從經(jīng)濟(jì)回收期考慮，相變材料節(jié)約的電費(fèi)和資本成本是影響相變材料集成到墻體中的成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素。從復(fù)合相變材料的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，復(fù)合相變材料應(yīng)該具有全年全壽命周期的節(jié)能效果才能獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 相變墻體傳熱的數(shù)值模擬研究方法

3.1 相變傳熱數(shù)值模擬方法

相變墻體在相變過(guò)程中是非穩(wěn)態(tài)傳熱且過(guò)程較為復(fù)雜，因此其傳熱研究與所采用的數(shù)值模擬方法有關(guān)。相變材料傳熱過(guò)程數(shù)值求解的方法有焓法、有效熱容法、等效熱容法、集中參數(shù)法、有限元法等諸多建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬的方法。其中焓法和有效熱容法是國(guó)內(nèi)外研究人員最常用的數(shù)值模擬方法。

焓法最先由Eyres[38]提出來(lái)用來(lái)處理材料的熱性能隨著溫度的變化，是以焓作為因變函數(shù)，將其帶入傳熱微分方程對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解的一種計(jì)算方法。Biswas 等人[6]利用該方法建立了添加納米的相變材料增強(qiáng)墻板蓄熱性能的二維模型。李利民等[39]采用焓法模型對(duì)相變墻體傳熱特性進(jìn)行分析，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比證明了焓法模型的有效性。高翔翔等[40]總結(jié)了建立相變墻房間的傳熱一維傳熱的焓法模型的數(shù)學(xué)建模方法。

有效熱容法是控制方程和相關(guān)的離散方程具有非線(xiàn)性熱容量熱傳導(dǎo)方程的一般形式，即有效熱容量[41]，而得到精確模擬結(jié)果的方法是選擇正確的非線(xiàn)性熱容曲線(xiàn)[42]。如zhou[43]利用該方法模擬一個(gè)相變材料板的一維傳熱模型，通過(guò)文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證模型的有效性。陳超等[44]采用有效熱容法模擬分析了新型相變墻體的傳熱性能。

3.2 基于數(shù)值模擬的相變傳熱研究

相變過(guò)程是非線(xiàn)性變化過(guò)程，而數(shù)值模擬軟件是可以處理相變瞬態(tài)過(guò)程中非線(xiàn)性問(wèn)題，求得近似解析解的數(shù)值解的一種工具。目前用于相變墻體的數(shù)值模擬軟件多為商業(yè)軟件，例如Ansys、EnergyPlus、Comsol等，不僅可以得到數(shù)值解還可得到相變過(guò)程的溫度場(chǎng)和熱流密度。

Ansys 是基于有限體積法的數(shù)值模擬軟件，可以對(duì)相變材料和相變墻體在周期性室外氣象條件下的動(dòng)態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬。Ye 等[45]用Ansys-Fluent 軟件對(duì)復(fù)合材料的相變板進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度良好。劉朋[46]運(yùn)用Ansys 對(duì)夏熱冬冷地區(qū)不同朝向的墻體溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了各朝向墻體的最適宜相變溫度。閆全英[47]則用Ansys 研究了典型氣象年室外氣象參數(shù)波動(dòng)情況下普通房間和相變房間內(nèi)壁溫度和熱流的變化規(guī)律。

EnergyPlus 是動(dòng)態(tài)建筑能耗模擬軟件，使用有限差分熱傳導(dǎo)（condfd）求解算法來(lái)模擬相變材料。該算法將建筑墻體離散為不同的節(jié)點(diǎn)，并使用有限差分法（fdm） 對(duì)傳熱方程進(jìn)行數(shù)值求解。陳喜明[48]使用EnergyPlus 軟件對(duì)相變材料的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬，可以得到在空調(diào)季節(jié)里室內(nèi)溫度變化情況和空調(diào)節(jié)能效果。Chernousov[49]用該軟件模擬結(jié)果表明相變材料可優(yōu)化亞熱帶氣候的圍護(hù)結(jié)構(gòu)并有效地調(diào)節(jié)峰值電。Nghana 和Laaouatni[50-51]利用EnergyPlus 及實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合相變材料在建筑中的節(jié)能潛力，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

COMSOL 軟件是基于有限元方法來(lái)求解非線(xiàn)性傳熱，可以在相變墻體的傳熱研究使用傳熱與流體模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬出周期性室外溫度條件下的相變墻體和室內(nèi)的溫度變化，便于研究動(dòng)態(tài)相變過(guò)程。Laaouatni[52]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和Comsol 的三維模擬研究一種基于相變材料與通風(fēng)管的結(jié)合的墻體的熱慣性，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果之間有良好一致性。Kant[53]用Comsol 對(duì)含有相變材料的磚進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究相變材料中的傳熱傳質(zhì)。張洋洋[54]用Comsol 模擬周期性室外變化時(shí)不同相變材料對(duì)內(nèi)墻表面溫度波動(dòng)和導(dǎo)入室內(nèi)熱通量的變化，研究結(jié)果對(duì)相變墻體的應(yīng)用與推廣有指導(dǎo)意義。

軟件模擬是目前研究相變墻體熱性能及其對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境，節(jié)能效果的一種有效方式。通過(guò)模擬可以得到室內(nèi)溫度分布和空調(diào)能耗情況，從而分析相變材料應(yīng)用時(shí)蓄放熱性能優(yōu)劣，通常是將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合進(jìn)行相互驗(yàn)證得到相變墻體應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

相變材料結(jié)合到建筑墻體是改善墻體熱工性能的有效途徑，眾多國(guó)內(nèi)外研究表明相變墻體在實(shí)現(xiàn)熱舒適和建筑節(jié)能方面有重要作用。但目前相變墻體的研究多處于理論和實(shí)驗(yàn)階段沒(méi)有大范圍的在實(shí)際工程中使用，在以下方面值得進(jìn)一步深入研究：

1）目前的國(guó)內(nèi)外相變材料的相變溫度范圍較窄，僅適用于單一的季節(jié)不適用于全年，因此需要提高相變材料的可適用相變溫度范圍。雙層相變墻體可適用于全年，但目前的研究多存在于理論階段，且較少將雙層相變墻體與其他保溫措施在經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能效果以及熱舒適性等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2）復(fù)合相變材料在技術(shù)上存在材料的相容性問(wèn)題，且無(wú)法保障復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定性以及在墻體中應(yīng)用時(shí)的力學(xué)性能。因此在保證經(jīng)濟(jì)性的條件下，選用具有良好的熱物理性能和力學(xué)性能的復(fù)合相變材料應(yīng)用于建筑墻體中對(duì)推動(dòng)相變材料在建筑中進(jìn)一步應(yīng)用具有實(shí)際價(jià)值。

3）目前已有很多數(shù)值模擬方法和模擬軟件運(yùn)用于相變墻體傳熱數(shù)值模擬研究中且眾多研究表明數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)有良好的一致性，但對(duì)于三維相變墻體動(dòng)態(tài)傳熱過(guò)程模擬精度有待提高。國(guó)內(nèi)外研究的數(shù)值模擬模型通常是單面墻體或單一的房間，很少有對(duì)含相變材料的整個(gè)建筑物在全壽命周期內(nèi)的模擬。