李成延，廖玥琪，方從啟，2

（1.上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201418；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的增加，我國的建筑運(yùn)行能耗已約占社會(huì)總能耗的35%，建筑節(jié)能的形勢(shì)迫在眉睫。為了降低建筑運(yùn)行能耗，研發(fā)一種新型保溫隔熱建筑墻體，減少空調(diào)等室內(nèi)恒溫設(shè)備的使用頻率就顯得尤為重要。由于相變材料在相變時(shí)能夠吸收或放出大量的熱量，因此可以充分利用這一特性，將其摻入混凝土墻體中，實(shí)現(xiàn)蓄能效果。

近年來，國內(nèi)外對(duì)于相變儲(chǔ)能混凝土的研究較多。Pilehvar等[1]以石蠟為相變材料制備了微膠囊相變混凝土，其抗壓強(qiáng)度與相變材料的摻量成反比，當(dāng)體積摻量為20%時(shí)，強(qiáng)度損失率為40%，所以相變材料在混凝土建筑墻體的實(shí)際運(yùn)用中，摻量不應(yīng)過高。Cao等[2]研究發(fā)現(xiàn)，相變儲(chǔ)能混凝土中膠囊量的增加降低了混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，增加了混凝土的潛熱；但是除了在相變溫度附近，其他溫度下并沒有改變混凝土的比熱容。這些研究往往都偏向于基礎(chǔ)性研究，離實(shí)際施工運(yùn)用還有一定距離。

鑒于此，本文以保溫隔熱建筑墻體為研究背景，相變材料采用10%的體積摻量，建立雙層相變混凝土墻體模型以保證在環(huán)境溫度中墻體的熱物理性能，通過測(cè)得的相變混凝土建筑墻體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和升溫曲線，結(jié)合COMSOL數(shù)值模擬的方法，模擬相變儲(chǔ)能混凝土建筑墻體對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度的自主調(diào)節(jié)能力。

1 熱物理性能測(cè)試

1.1 相變儲(chǔ)能混凝土

Diaconu和Cruceru[3]研究了一種適用于全年的雙層相變混凝土墻體，分為2層，外層采用相變溫度高的相變材料，適用于夏季，內(nèi)層采用相變溫度低的相變材料，適用于冬季，使相變材料一直處于相變溫度區(qū)間，抵消工作溫度對(duì)墻體比熱容的影響，使其全年保持較高比熱容，從而顯著降低峰值冷熱負(fù)荷。因此，本研究以這種雙層相變混凝土墻體為模型，相變材料為正十八烷相變微膠囊和正十四烷相變微膠囊，相變溫度分別為28、8℃。由于相變材料摻量會(huì)影響混凝土的抗壓強(qiáng)度，為了使混凝土力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，所以本實(shí)驗(yàn)相變微膠囊等體積替代10%砂。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）=1∶2.5∶2.2∶5，密度為2500 kg/m3的普通混凝土PC作為對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組分別用3種相變材料等體積替代10%的砂（如表1所示），制備成相變混凝土墻體（如圖1所示），以研究不同相變溫度對(duì)其熱物理性能的影響。水為自來水；水泥為P·O42.5水泥；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.6的中砂，粗骨料為粒徑5～10 mm的級(jí)配碎石；萘系減水劑：硫酸鈉含量18%，萬山化工。

表1 混凝土墻體配合比 kg/m3

圖1 普通混凝土及3種雙層組合墻體結(jié)構(gòu)示意

1.2 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試

依據(jù)SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的要求測(cè)試相變儲(chǔ)能混凝土建筑墻體的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，為了避免早期讀數(shù)規(guī)律性較差，選用自記錄溫度起30 min以后的各次讀數(shù)，按式（1）計(jì)算：

式中：λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Q——試件由中心向四周的傳熱量，為3.600 kJ/（W·h）；

a、b、L——試件的外徑、內(nèi)徑、高度，m；

θ1——冷卻水溫，K；

θ2——試件中心水溫，K；

W——電熱功率，W。

待每組相變混凝土中心溫度穩(wěn)定，記錄10次數(shù)據(jù)，代入式（1）求出各次測(cè)量的導(dǎo)熱系數(shù)，求平均值得到PC、MPCM-8、MPCM-28、MPCM墻體的導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.189、1.634、1.688、1.614 W/（m·K）。由于相變微膠囊的導(dǎo)熱系數(shù)低于砂，同時(shí)不同相變材料的摻入使得混凝土孔隙率增大[4]，所以相變儲(chǔ)能混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之減小。

1.3 比熱容的測(cè)試

采用絕熱法測(cè)試相變儲(chǔ)能混凝土建筑墻體在每個(gè)溫度段的比熱容，在8～12、20～24、26～30、32～36℃溫度區(qū)間取一點(diǎn)測(cè)試其比熱容，擬合曲線，模擬相變混凝土建筑墻體在一年中工作環(huán)境溫度下的比熱容。

不同溫度區(qū)間內(nèi)的比熱容依據(jù)SL/T 352—2020進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)得的數(shù)據(jù)代入式（2）中計(jì)算比熱容，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同PCM摻量的相變混凝土的比熱容

式中：Cp——混凝土比熱容，kJ/（kg·K）；

Q——輸入的電能，kJ；

T1——態(tài)始溫度，K；

T2——末態(tài)溫度，K；

m——樣品質(zhì)量，kg。

由圖2可見：

（1）MPCM-28的比熱容最高點(diǎn)在28℃左右，達(dá)到1.53 kJ/（kg·K），MPCM-8的比熱容最高點(diǎn)在10℃左右，約為1.50 kJ/（kg·K）；而普通混凝土對(duì)照組的比熱容則始終保持在0.89 kJ/（kg·K）。說明相變混凝土在相變溫度區(qū)間附近即固液共融區(qū)得到最大比熱容[5]。當(dāng)相變材料平靜地處于固態(tài)或液態(tài)時(shí)，相變儲(chǔ)能混凝土的比熱容不會(huì)有較大提高，只有當(dāng)溫度處于相變區(qū)時(shí)，在相變過程中不斷吸收潛熱能，才能使其獲得較大比熱容[6]。

（2）MPCM組能夠在正常環(huán)境溫度中一直保持較高的比熱容，因此采用雙層相變儲(chǔ)能混凝土建筑墻體模型，來適用于各種溫度段保證墻體良好的熱物理性能。將MPCM組墻體結(jié)構(gòu)（設(shè)為模型2）與普通混凝土建筑墻體（設(shè)為模型1）進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其節(jié)能潛力。

1.4 升溫曲線

將模型1、模型2墻體放置在抗火實(shí)驗(yàn)爐（見圖3）中以800℃高溫均勻加熱3 h，模擬火災(zāi)高溫情況，通過在墻體內(nèi)部埋置熱電偶片測(cè)得墻體在高溫下的溫度變化情況，擬合得到模型1與模型2的升溫曲線（如圖4）。顯然，模型2相變混凝土墻體的升溫速率要遠(yuǎn)小于普通混凝土墻體，約為其1/2，且升溫速率的增長在不斷放緩，普通墻體則相反。因而相變混凝土墻體具有更好的隔熱抗高溫作用，能夠通過相變材料的相變作用吸收熱量，并大大減少墻體兩邊的熱傳遞。

圖3 抗火實(shí)驗(yàn)爐

圖4 800℃下模型1與模型2的升溫曲線

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 模型描述

在COMSOL有限元分析軟件中，建立一個(gè)墻厚200 mm的混凝土墻體作為四周墻體，上下層開口設(shè)置為絕緣面的4.0 m×5.0 m×3.6 m的簡易房間，建筑側(cè)面有1扇1 m×2 m的門，材料為25 mm厚的木板，另一側(cè)面上離地1.2 m高處有1扇2.0 m×1.0 m的窗，材料為20 mm厚的雙層中空玻璃，內(nèi)部無其他設(shè)備，建筑模型如圖5所示。

圖5 相變混凝土建筑墻體熱工計(jì)算模型

模型1作為基準(zhǔn)模型，墻體與屋面都是200 mm厚的混凝土；模型2墻體采用MPCM組相變儲(chǔ)能混凝土墻體。門窗的傳熱系數(shù)分別為1.18、0.76 W/（m2·K），墻體的熱物理性能如表2所示。本模型采用三角形單元常規(guī)單元大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元有13 913個(gè)。

表2 墻體的熱物理性能參數(shù)

設(shè)置參數(shù)24 h中的最低溫度Tmin、最高溫度Tmax、初始溫度Tin，定義環(huán)境溫度Tamb為隨時(shí)間t變化的函數(shù)，見式（3）。

定義邊界條件為上下兩面開口以及上下墻體接觸面均為絕緣面，墻體與房間內(nèi)空氣設(shè)為初始溫度Tin，墻體內(nèi)表面設(shè)置為對(duì)流熱通量，外部溫度為環(huán)境溫度Tamb，墻體外表面熱通為對(duì)流熱通量外部自然對(duì)流垂直壁，整體模型根據(jù)能量守恒（廣義的傳熱）方程，采用PARDISO求解器瞬態(tài)求解。

2.2 典型日室內(nèi)溫度與能耗模擬

2.2.1 夏季

令人體舒適的室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)值為16～24℃[7]，定義初始溫度Tin為18℃；假設(shè)夏季最高溫度Tmax為40℃，最低溫度Tmin為30℃。經(jīng)過24 h，步長為0.1 h模擬后，得到室內(nèi)溫度變化如圖6所示，24 h時(shí)模型溫度分布云圖如圖7、圖8所示。

圖6 夏季時(shí)典型日溫度變化曲線

圖7 夏季時(shí)模型1的溫度分布云圖

圖8 夏季時(shí)模型2的溫度分布云圖

模型在經(jīng)過24 h夏季環(huán)境溫度模擬后，模型1室內(nèi)溫度由18℃上升到25.2℃，升高了7.2℃，模型2室內(nèi)溫度升至22.5℃，溫度僅升高了4.5℃，溫升值僅為模型1的62.5%；相變混凝土墻體溫度在25.0℃左右，與室內(nèi)溫度相差2.5℃，普通混凝土墻體溫度在26.2℃左右，與室內(nèi)溫度相差約為1.0℃，可以看出，相變混凝土能夠有效吸收夏季高溫?zé)崃?，并將其隔絕在室外。

進(jìn)一步觀察室內(nèi)24 h溫度的變化情況，由圖6可知，2組模型室內(nèi)溫度都隨環(huán)境溫度的升高升溫速度加快；環(huán)境溫度降低，則升溫速度減慢，但相變混凝土組的升溫速率明顯低于普通混凝土組，對(duì)于夏季室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)有著較為明顯的作用，即使在夏季一天的高溫中，不使用其他恒溫設(shè)備，也能保持室內(nèi)溫度處于人體舒適的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 冬季

定義初始溫度Tin為20℃；假設(shè)冬季最高溫度Tmax為8℃，最低溫度Tmin為-2℃。經(jīng)過24 h，步長為0.1 h模擬后，得到室內(nèi)溫度變化曲線如圖9所示。24 h后模型溫度分布云圖如圖10、圖11所示。

圖9 冬季時(shí)典型日溫度變化曲線

圖10 冬季時(shí)模型1的溫度分布云圖

圖11 冬季時(shí)模型2的溫度分布云圖

模型在經(jīng)過24 h冬季環(huán)境溫度模擬后，模型1室內(nèi)溫度由20℃下降到13.3℃，降低了6.7℃；模型2室內(nèi)溫度降至15.9℃，溫度僅下降了4.1℃，溫度降低值約為普通混凝土的61.2%；相變混凝土墻體溫度在11℃左右，與室內(nèi)溫度相差4.9℃，普通混凝土墻體溫度在8℃左右，與室內(nèi)溫度相差約為5.3℃，可以看出，相變混凝土墻體有較好的保溫效果。

經(jīng)計(jì)算，在冬季典型日模型2的日均最高節(jié)能率η=36.6%。與夏季的日均最高節(jié)能率為23.6%相比有顯著提高，說明相變儲(chǔ)能混凝土建筑墻體在冬季的節(jié)能效果更顯著。并且如圖9可知，2組模型室內(nèi)溫度都隨環(huán)境溫度的降低降溫速度加快，環(huán)境溫度升高，則降溫速度減慢，但相變混凝土組的降溫速率仍然明顯低于普通混凝土組，說明相變儲(chǔ)能混凝土墻體更好地隔絕了室內(nèi)外的熱傳導(dǎo)，對(duì)于冬季室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)同樣也有著較為明顯的作用，能夠很好地隔絕熱量起到保溫作用，使其在冬季低溫氣候中也能在24 h內(nèi)基本維持室內(nèi)處于人體舒適的冬季室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 長時(shí)間模擬分析

以上試驗(yàn)只驗(yàn)證了短時(shí)間內(nèi)，相變混凝土對(duì)于墻體保溫有著較大的作用，在24 h確實(shí)可以基本使室溫保持在舒適溫度區(qū)間中，但并沒有驗(yàn)證長時(shí)間下室內(nèi)溫度的改善情況，于是將模擬時(shí)長范圍由1 d放大至1個(gè)月（30 d），步長設(shè)置為2 h，模擬1年中的整個(gè)最炎熱的高溫時(shí)期與最寒冷的冬季。得到夏季、冬季室內(nèi)溫度變化曲線如圖12、圖13所示。

圖12 夏季長時(shí)間室內(nèi)溫度變化曲線

圖13 冬季長時(shí)間室內(nèi)溫度變化曲線

由圖12可見，普通混凝土和相變混凝土模型室內(nèi)溫度變化曲線都是先上升至最高溫度點(diǎn)再小幅下降。普通混凝土模型室內(nèi)溫度的升溫速率要明顯高于相變混凝土，而且升溫峰值也高于相變混凝土模型；在第129 h就達(dá)到了最大值33.8℃，而相變混凝土模型室內(nèi)溫度在第173 h才達(dá)到最大值32.3℃；普通混凝土模型室內(nèi)溫度明顯有1個(gè)最高溫度峰值，而相變混凝土墻體則幾乎沒有，這說明相變材料增大了墻體熱容，不僅降低了傳入室內(nèi)的最大熱流，還延遲了最大熱流的到來時(shí)間，起到了“削峰延遲”的作用[8]。

但大約在330 h以后相變材料的影響幾乎可以忽略不計(jì)，此時(shí)相變混凝土組室內(nèi)溫度僅比普通混凝土組低約0.1℃。最終在經(jīng)過720 h模擬后兩者室內(nèi)溫度基本都維持在31.4℃左右；相變混凝土模型室內(nèi)溫度在42.5 h后完全超過人體舒適室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)值[7]，因此僅使用相變混凝土作為建筑墻體的自調(diào)溫能力并無法完全使建筑不需要使用恒溫設(shè)備，但能極大地減少恒溫設(shè)備的使用率，若再結(jié)合白天的自然對(duì)流以及晚間低溫度時(shí)的多次換氣，可以更好地發(fā)揮相變材料的蓄冷作用，大大降低建筑運(yùn)行能耗。

由圖13可見，普通混凝土和相變混凝土模型的室內(nèi)溫度變化曲線都是先大幅下降至最低溫度點(diǎn)再小幅回升，普通混凝土模型室內(nèi)溫度的降溫速率要明顯高于相變混凝土，而且溫度最低點(diǎn)也要遠(yuǎn)低于相變混凝土模型，降溫時(shí)間也要遠(yuǎn)長于相變混凝土模型；在第334 h就達(dá)到了最低點(diǎn)-1.42℃，而相變混凝土模型室內(nèi)溫度在第184.5 h就停止降溫達(dá)到溫度最小值5.45℃，說明相變材料的低導(dǎo)熱系數(shù)特性顯著降低了室內(nèi)外的熱交換，起到了極大的保溫效果，顯著降低了峰值冷負(fù)荷[8]。由于相變材料高比熱容的特點(diǎn)可以看出相變混凝土模型室內(nèi)溫度在達(dá)到溫度最低值后溫度回升幅度較大，最后穩(wěn)定值在7℃左右，相比普通混凝土模型的室內(nèi)溫度最終穩(wěn)定在-1.4℃有著非常大的提高，降低了室內(nèi)溫度的波動(dòng)，盡可能長時(shí)間使室內(nèi)溫度維持在合適范圍內(nèi)[9]?？梢钥闯觯噍^于夏季，相變材料對(duì)冬季的保溫能力更加優(yōu)異，可以大大提高冬季墻體的儲(chǔ)熱能力，降低建筑運(yùn)行能耗。

3 結(jié)論

（1）相變材料的摻入可降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)相變材料平靜地處于固態(tài)或液態(tài)時(shí)，相變儲(chǔ)能混凝土的比熱容不會(huì)有較大提高，只有當(dāng)溫度處于相變區(qū)時(shí)，在相變過程中不斷吸收潛熱能，才能使其獲得較大比熱容。所以將相變材料摻入混凝土?xí)r，要確保其相變溫度應(yīng)適合其工作溫度，這樣才能大大提高混凝土建筑墻體的比熱容，提高其蓄冷蓄熱能力。

（2）相變混凝土建筑墻體對(duì)于室內(nèi)溫度的自調(diào)節(jié)能力明顯優(yōu)于普通混凝土建筑墻體，其升溫、降溫速率都要低于普通混凝土，能減小室內(nèi)溫度的波動(dòng)，使室內(nèi)溫度更長時(shí)間停留在令人體舒適的溫度范圍內(nèi)。

（3）相變混凝土建筑墻體增大了墻體比熱容，從而降低了傳入室內(nèi)的最大熱流，延遲了最大熱流的到來時(shí)間，也通過低導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)減少了與外界的熱交換，在夏季可降低室內(nèi)最高溫度2.7℃，日均節(jié)能率為23.6%；冬季可提高室內(nèi)最低溫度2.6℃，日均節(jié)能率為36.6%，可降低全年峰值冷熱負(fù)荷。若結(jié)合自然通風(fēng)與換氣設(shè)備等可以極大減少恒溫設(shè)備等運(yùn)行時(shí)間，從而顯著降低建筑運(yùn)行能耗。

（4）相變儲(chǔ)能混凝土建筑墻體在冬天低溫情況下的節(jié)能效果要明顯優(yōu)于夏季高溫情況，可以將室內(nèi)溫度維持在較高的范圍內(nèi)，大大提高了冬季墻體的儲(chǔ)熱隔熱能力。