新型变传热系数墙体浅析

2019-04-22阙隆磊张叶张芳琴

科技视界 2019年6期

阙隆磊张叶张芳琴

【摘要】目前我国能源形势紧张，建筑能耗占社会总能耗的一半左右，其中采暖空调能耗占建筑能耗的50%以上，采暖空调能耗中建筑围护结构的耗热量又高达30%以上。根据“十三五”规划的要求，降低建筑采暖空调能耗，可以着重从建筑围护结构方面入手，通过对墙体，门窗，屋顶等结构进行合理的设计，改善围护结构的热工特性，最大程度减少冬季采暖和夏季空调的负荷，控制室内的热湿环境，满足人们对室内舒适环境的要求。因此，课题组对国内外现有的改善围护结构热工性能的几种方法进行总结;基于部分严寒地区的昼夜温差大的气候特点，提出了新型变传热系数墙体，并采用数值模拟和实验对所提出的墙体进行了研究。研究所提出的新型变传热系数墙体为改善围护结构热工性能，减少建筑能耗提供一条新路径。

【关键词】围护结构;Trombe墙;相变材料;传热系数;自调节墙体

中图分类号： TQ171.1;TU111.4文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0221-006

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.086

【Abstract】At present， the energy situation in our country is tense， building energy consumption accounts for about half of the total energy consumption， of which heating and cooling load accounts for more than fifty percent of the building energy consumption， heating and air conditioning energy consumption of building envelope heat consumption is up to more than thirty percent. According to the requirements of 13th Five-Year Plan ， reduce the energy consumption of building heating and air conditioning， can be mainly from the aspects of building envelope， through the reasonable design of the wall， doors and windows， roof and other structures， improve the thermal characteristics of the envelope， minimize the winter heating and summer air conditioning load， control indoor thermal environment and satisfy the requirement of people for comfortable indoor environment. Therefore， our research group summarized several existing methods to improve the thermal performance of the envelope. Based on the climate characteristics of large diurnal temperature difference in some cold regions， put forward a new type of variable heat transfer coefficient wall， and both numerical simulation and experiment were adopted to research the proposed wall. The new variable heat transfer coefficient wall proposed in this study provides a new way to improve the thermal performance of the building envelope and reduce the building energy consumption.

【Key words】Building envelope; Trombe wall; Phase change material（PCM）; Heat transfer coefficient; Automatic adjustment of wall

0 引言

我國是能源消费大国，由于人们不合理不科学的开采和生产作业，造成能源巨大浪费，随着现代化进程的快速发展，能源供不应求。据统计[1]2017年我国的煤炭消耗占总能耗的60%，石油、可再生能源、天然气、核能分别占比19%，12%，7%，2%。虽然我国现在面临能源转型并取得一定成果，但在短期内煤炭资源仍然占主导地位，据专家估计[2]，到2020年我国煤炭需求量将达45-48亿吨。“十三五”期间[3]，基于建筑节能的目标，要实现节约1亿吨的标准煤，其中建筑物承担约60%，采暖系统承担40%，而降低采暖空调能耗可以从建筑自身的围护结构入手，因此，如何改善建筑围护结构的热工性能，降低采暖空调的能耗就显得尤为重要。目前对于围护结构热工性能的研究基本上从零能耗建筑，trombe太阳能集热墙，附加阳光间，相变蓄热墙等几个方面展开，课题组通过对国内外现有的改善围护结构热工性能的几种方法进行总结，提出了一种可以根据室外温度变化自动改变自身传热系数的墙体，从而改善围护结构的热工性能。

1 零能耗建筑

由于城市化的进程逐渐加快，造成大量的能源浪费，人们的环保意识也逐渐增强，如果不采取一定措施来降低能源的损耗，势必会加快环境的恶化程度。越来越多的学者在建筑节能的研究过程中，为了实现能源的最优配置，总是希望通过合理的建筑设计，实现“零排放，零污染，零损耗”，最大程度减少建筑对环境的污染，以期建成“零能耗建筑”来实现建筑节能的目的。因此，丹麦技术大学的Torben V. Esbensen等人，在1976年首次提出“零能耗建筑”的概念[4]。但真正意义上的“零能耗”难以实现，“零能耗建筑”的概念逐渐演变成了“被动式超低能耗建筑”，1991年，世界上第一幢“被动式”建筑在德国达姆施塔特落成[5]，随后在全世界范围内展开研究，大部分国家在德国被动房的基础上进行改造，根据当地气候条件，建造具有气候自适应的被动式超低能耗建筑。经过近30多年的发展，目前国内外的 “被动式超低能耗建筑”避免了煤炭，石油，天然气等传统能源的使用，通过合理的建筑选址，体形设计，遮阳通风设计，材料选择等，集成供热制冷系统，全热回收新风系统，将建筑与光伏电热有机结合，真正做到高效、智能一体化。

目前“被动式超低能耗建筑”应用较为成熟的有德国，英国，丹麦等国。德国柏林的马尔占（Marzahn）公寓[6]由Assmann等人所设计。为了寻找与太阳辐射最为匹配的建筑体形，建筑师设计了6种建筑平面几何形式，通过计算每种体形的耗能量，最终选定扇形作为几何平面。该公寓严格遵守坐北朝南的原则，南面采用大量的玻璃幕墙来吸收太阳辐射和自然采光。阳台上出挑的遮阳装置经过严格计算，用于夏季遮挡阳光，冬季争取日照得热，从而使房间的负荷达到最低。

Wang LiPing[7]以英國地区为例，利用太阳能风电供热系统，通过设置窗户、墙体的传热系数窗墙面积比等围护结构参数，模拟计算得出，当窗户的传热系数为1.78W/（m2·K），墙体的传热系数0.1W/（m2·K），窗墙面积比为0.1时，全年供暖能耗比普通建筑减少了26.5%。Morelli[8-9]等人在丹麦进行的超低能耗被动房的研究中，通过区域供热和机械通风热回收系统，可将全年的能耗降低至19.8 KW·h/（m·a）。

2010年上海世博会上的“汉堡之家”是我国第一个通过认证的“超低能耗被动房”。迄今为止，我国28个项目单位的40栋被动房示范建筑总面积达40万m2[10]，在“被动式超低能耗建筑上”取得了一定的进展。清华大学的0-House太阳能实验住宅[11]运用模块式的加工手段，集太阳能光热，光电于一体，将厕所，储物室等放在建筑物北侧抵挡部分冬季寒风，建筑南向立面设置为阳光间，起到夏季遮阳冬季采暖的作用。通过院落的水池蒸发，植被的蒸腾作用，地面的渗透以及自动喷淋系统来调整局部微气候，减少夏季的空调负荷。

同济大学的“复合生态屋”[12]从改善围护结构热工性能的角度出发，大量采用低碳环保的竹木材料，外窗使用三层中空+中空Low-e玻璃，墙体材料为双层真空绝热板，利用太阳能光伏发电系统，集独立除湿控温系统，热压通风系统于一身，使外墙，屋面，外窗等围护结构的传热系数都远远符合标准值，致力于营造宜居的室内环境。

奥地利大学代表队在国际太阳能十项全能竞赛中以LISI（Living Inspired by Sustainable Innovation）作品最终摘得桂冠[13]。该建筑以木材为主要材料，通过巧妙的空间设计，最大程度地实现了空间的合理配置，同时屋顶上4块太阳能板组成的光伏发电系统收集到的太阳能应用于生活冷热水的供给，以及新风回风设备、采暖制冷系统的运行。充分利用太阳能资源，将高效低碳的建筑材料与先进的节能技术相结合，创造一个舒适智能的室内环境。

2 围护结构热工性能的研究概况

基于以上的几个“零能耗建筑”的案例分析，我们可以知道，实现零能耗，不外乎从太阳能利用入手，通过科学合理的设计，改善建筑围护结构的热工性能，从而减少采暖空调的负荷。依照德国的标准，其被动式超低能耗房要满足[14]：年供暖能耗≤15kW·h/（m2·a）或热负荷≤10W/m2;而我国的气候条件与德国不同，要求[15]严寒地区年供暖量≤15kW·h/（m2·a）;夏热冬暖地区年供冷量≤30kW·h/（m2·a），围护结构外墙屋面的平均传热系数为0.20-0.35W/（m2·K）。基于此标准，目前现有的被动式建筑大多是通过合理的建筑选址，朝向设计，巧妙的体形处理和恰当的材料选择，不添加任何机械设备的辅助，凭借其自身的建筑围护结构的特性，有效利用太阳辐射，达到集热蓄热又放热的效果。此类建筑对于建筑外壳的绝热性能有很高的要求，同时还要尽可能的扩大集热表面。目前的被动式建筑有Trombe集热墙，水墙，附加阳光间等形式。

2.1 Trombe墙及其相关应用

1965年法国太阳能实验室主任Felix Trombe提出一种根据热压差引起空气环流的集热墙，后人命名为“Trombe”墙。该墙的工作原理为：在墙体外表面侧设置一层玻璃，在冬季白天，由于墙体表面涂抹深色选择性涂层，当太阳辐射透过玻璃时，集热墙体吸收一部分热量，同时墙体的上下通风口打开，利用热压原理，形成空气环流向室内供暖。冬季夜晚，所有通风口关闭，拉下夹层中间百叶或窗帘，集热墙释放白天吸收的热量，同时向室内辐射换热，保持室内温度的稳定。夏季白天，玻璃两个的通风口开启，墙体两个风口关闭，窗帘或者百叶向阳面涂抹浅色涂料，减少太阳辐射吸收，玻璃和窗帘空气受热从玻璃上部通风口流出，下通风口由于冷空气的进入可以保持墙体不至于过热。夏季夜晚，窗帘或收起，玻璃和墙体的四个通风口关闭，墙体向室外和室内环境放热后，温度下降，再从室内吸收热量向室外放热。

根据此基本原理国内外学者对降低室内冷热负荷进行了大量实验和数值研究。

何伟[16]等人在传统的Trombe墙体里装有涂抹高反射率和高吸收率涂层的百叶，通过实验研究，测试百叶在偏角为45°时，室内集热效果最好。与此同时，还建立普通集热墙进行对比，测得冬季实验房间和对比房间温差相差12.6°，说明百叶型集热墙能够改善室内热环境。

为了分析Trombe墙体系统的节能特性，Eduardo Krüger[17]等人构建了两个内部容积为5.4m3的测试单元，其中一个测试单元附带有自然通风的Trombe墙体，另一个测试单元为普通基准测试墙体。结果表明，与基准测试单元相比，Trombe系统具有更高的性能，而基準测试单元在低温条件下节能性能更为显著。

孙鹏[18]等人以大连地区为例，搭建了带有Trombe墙体的太阳房，对室内外温度以及通风口温度等进行了为期2个月的实测，测得在晴天时，太阳房室内温度保持在13℃～17℃之间，而在阴天，室内温度全天保持在10℃左右，基本满足冬季室内温度要求。

季杰[19]等人在传统的Trombe墙体的玻璃盖内侧贴上了深蓝色多晶硅光电池。通过实验发现，带有PV-Trombe墙的热箱与普通热箱相比，室内温度高出7℃，且实验热箱室内温度保持在20℃以上，满足冬季人们对热舒适的要求。而苏亚欣等人认为季杰等人设计的PV-Trombe墙体，由于电池内置在玻璃盖内侧，影响蓄热墙的集热能力，不利于空气对流。提出[20]将太阳能电池铺在墙体的外表面，强化自然通风。通过数值模拟的方法，指出当太阳辐射强度为 S=100W/m2，流道H=6.0m，宽高比为6.0：0.3时热效率最高，且认为电池内置式PV-Trombe墙能够提高太阳能综合利用率。

此外一些学者还研究了在风压，热压影响下的自然通风。杨卫波等人通过数值模拟的方法，建立了太阳能通风式屋顶的传热模型，研究室外气象参数对建筑通风性能影响，得出在太阳辐射强度较大，温度较高的地区，使用太阳能通风式屋顶可以增强建筑的通风性能以及降低室内冷负荷。同时研究屋顶的长度L，倾角θ，厚度бw 对建筑通风的影响，得出结论[21]：屋顶长度L不宜过长，应选择宽厚比较大的截面，可以增大排热量，倾角θ一般根据当地实际气候设计在30°～60°之间，厚度бw控制在0.1～0.3m之内。

一般来说，建筑内部的自然通风可划分为风压通风和热压通风，正如Szokolay[22]解释的那样，当气流被建筑物表面阻挡时，就会发生气压通风。风速在建筑物的迎风侧产生更高的压力，而背风侧的压力低很多，这种差异可以促使空气进入室内环境，从而降低建筑内的温度，利用这个基本规律，他们在建筑内部增加空气的阻力，来创造一个更舒适的室内环境

Shuzo Murakami[23]等人利用实验和数值模拟的方法，对高密度的建筑群采用不同立面形式的通风性能展开了研究，发现当立面采用多孔模型时，其二氧化碳的排放量可以减少原来的30%。

自然通风作为建筑中的被动冷却技术似乎比其他人工冷却技术具有显著优势，但是Givoni[24]对辐射冷却的研究证实，这种被动式冷却方式在炎热潮湿的气候下并不适用。昼夜温差小、湿度大、云量大会影响建筑传热速度，会在建筑内部形成热陷，造成不舒适的热环境。

基于以上学者的理论和实验研究，以Trombe墙体为主的被动式太阳房主要存在以下几个问题：

（1）被动式太阳房不采用任何设备辅助，虽然在一定程度上节约了能源，但对自身围护结构性能要求较高，要综合各方面的因素，如建筑选址，体形设计等，常常会受到地域的限制导致采暖通风的效果不明显

（2）被动式太阳房其最大的能量来源就是太阳能资源，对于四川，重庆等盆地，山地地形的城市来说，太阳能利用率较低，被动式太阳房效果并不明显

（3）Trombe墙体并不是对所有地区都适用，如云南，昆明等地区四季如春，温度适宜，对于采暖和制冷的需求并不是那么大，如果使用Trombe墙体反而成为一种建筑能耗。

（4）另外，对于极端气候的地区来说，比如新疆，昼夜温差大，Trombe墙不能够满足人们对室内环境的要求;且风沙多，如果采用Trombe墙来强化通风，势必会造成室内的污染。而且对于一些高大办公建筑，对外形的美观有极高的要求，如果采用Trombe墙体则有损美观。

（5）目前的trombe墙体还大多都是研究围护结构保温方面的性能，满足冬季的供暖需求而对于夏季的隔热效果方面的研究还是略有欠缺。

2.2 被动式附加阳光间建筑

附加阳光间是直接受益式和集热墙式的混合产物[25]，它将建筑分隔成两部分，一部分为“集热区”。一部分为“供热区”。公共墙体以及地面收集太阳辐射热，通过对流换热和热传导等方式向供热区提供热量，其多余的空间还可以用来休闲娱乐，种植花草。目前[26]我国附加阳光间太阳房有：封闭暖廊、封闭门斗、封闭走廊、封闭阳台，增设屋顶等多种形式，特别是在北方地区，太阳能资源丰富，因此应用较为广泛。

张国艳[31]等人通过对蒙古地区某职工公寓进行附加阳光间的研究，采用Energyplus软件对房间的能耗进行分析，表明附加阳光间式被动太阳房建筑的采暖季耗热量指标较既有建筑的耗热量指标减少了63.31W/m2，最终耗热量指标仅为15.93W/m2，低于标准的限值16.8W/m2，节能率达79.9%。通过计算可以节约热量4.51×10-11J/年，节约煤的成本高达35000多元。

陈明东[27]等人在青岛农村地区对某住宅进行附加阳光间的改造，在屋顶设置附加阳光间，通过与普通住宅的室内温度以及采暖负荷对比，发现带有阳光间的住宅室内平均温度比普通住宅高出3.8℃，最高温差可达7.2℃，还测得对比房采暖负荷为76.7W/m2，而实验房采暖负荷为53.1W/m2，供暖节能率达30.8%。该项研究仅对于农村地区的平房使用，对于城市的小区建筑并不适用，由于在屋顶搭建附加阳光间，对建筑的美观有一定的影响。

郑海[28]等人通过研究发现陕北地区的附加阳光间会使冬季热损大，夏季过热，基于此情况对玻璃窗，集热墙，地面材料，保温遮阳装置做了优化设计，提出用双层中空玻璃替代单层玻璃，Trombe集热墙替代普通的24墙，地面材料改用陶粒混凝土，并设置保温隔热卷帘和百叶窗，起到冬季集热，夏季散热的作用。该项研究更加有针对性地对陕北地区的附加阳光间进行了改造，一来可以通过阳光间集热，二来可以对室内向室外散热过程进行一个缓冲，三来多余的空间还可堆放杂物或者种植花草。

对于附加阳光间建筑来说，要求有足够的空间来设置集热区，且有时还需要将阳台，屋顶，走廊和室内空间结构相结合，这就要求建筑师有较高设计水平。但在太阳能利用率不高的地区或者是常年阴雨天气的南方地区，就无法体现阳光间的优越性。

2.3 相变材料应用

目前现有的相变材料[29-30]按照化学组成来分，一般分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料;按照相变温度来分可分为低温、中温、高温三类;按照形态变化，相变材料又可以分为固—液，固—气，固—固和液—气四种。按照蓄能方式又可以分为被动式相变蓄能和主动式相变蓄能。笔者主要分析主动式和被动式相变蓄能。

所谓被动式相变蓄能就是将围护结构和相变材料相结合，根据室内外温度变化或者接受太阳辐射，通过相变材料的蓄能作用，向室内吸热或放热，从而控制室内的温度保持在稳定的范围内。大部分学者都采用数值模拟和实验测量的方法，将被动式太阳房和相变蓄能相结合来保持室内环境的热舒适性。而主动式相变蓄能就是将相变材料和采暖空调末端装置有机结合在建筑围护结构内，相变材料蓄存的能量可以通过换热装置主动地调节和控制，从而改善室内热环境。

张维维等人利用控温热箱装置，将癸酸填入空心砌块作为相变墙体，改变变温热箱三种温度波幅，对比相变墙体和普通墙体在控制箱内温度、热流量、得热量的变化情况，发现[31]只有在外界波动温度越接近材料相变温度时，房间内的温度、热流量、得热量的衰减和延迟才会越大，提出该墙体适合在昼夜温差较大的地区使用，因此在相变材料的选择上就显得至关重要。

黄婷等人以江苏盐城为例，搭建太阳集热墙和相变墙相结合的实验房与普通房相对比，研究冬夏昼夜四个工况下房间的室内温度情况，通过动态热网络分析和实验测得[32]：普通房的昼夜温差为18.8℃，实验房的昼夜温差仅为 8.8℃，实验房温度波动较小，能够达到冬暖夏凉的效果。

肖伟等人在室内安装带有石蜡-聚乙烯体系的相变材料内隔板，运用焓法模型计算房间的室温，通过理论分析[33]，当材料最佳相变温度为20℃，室内温度波动可以减小65%。其结论可以为今后的实验台搭建提供理论参考依据。

闫全英[34]等人选用石蜡作为相变材料，将其按照四种不同的比例嵌入墙体中，研究发现，10%的石蜡含量对于墙体的保温效果最好，能够使减少室内温度的波动。

陈超[35]等人利用数值计算求解复合相变墙体材料在被动式太阳房中的可行性。同时还搭建实验台，测试室外环境温度、太阳辐射强度、室内壁面温度及空气温度，通过对比相变太阳房和普通太阳房的各项参数，得出相变材料墙体对室内东西墙内表面的温度变化速率起到抑制作用，这种作用随着太阳辐射强度的增大而增大。

目前关于被动式相变蓄热应用于冬季供暖的研究较多，而关于夏季“制冷”的研究较少，林坤平[36-37]等人以伊宁地区为例，建立夏季结合夜间通风的相变房间的理论模型，基于IDCT ，IDC 两个指标，对于夏季“空调”型相变墙进行计算，并提出优化设计方案。利用理论模型，对我国不同地区如北京，乌鲁木齐，上海，等地，进行相变墙体可行性分析，得出在夏季室外平均温度在25℃以上的一些地区，该相变墙体并不适用。而在夏季室外平均温低于25℃的地区，相变墙房间适用效果较好。

叶宏[38]等人以北京地区为例，通过建立计算模型和实验台的搭建，将普通地板辐射采暖系统和带有定形相变材料的辐射采暖系统进行对比，指出在电功率为150W/m2下，使用熔点温度为28.2℃的相变材料才能满足室内采暖要求。

路祥玉等人利用46号石蜡为相变材料与采暖系统结合，研究沈阳被动式农村住宅的全年耗热量，实验表明[39]太阳能集热器最大月集热量为2672MJ，住宅的最大月采暖负荷为1087MJ，集热量是负荷量的2.4倍，因此认为该供暖系统在北方农村具有可行性，但从文中的数据来看，该住宅會造成夏季集热量过剩的情况，如何将这部分能量利用于供暖期还需进一步研究。

牛润萍[40]等人分别对相变蓄热地板供暖系统与干式地埋管地板供暖系统进行了实测研究，供暖系统通过相变材料的吸热与放热影响室内温度，从而控制热泵的启停，达到智能化控制室温的目的。数据分析得到，干式地板供暖房间室温波动约11.5℃，而相变蓄能地板供暖房间的室温波动约为8℃，且相变房日平均供热量达到1080W，具有较好的供热效果，但该系统只适合在冬天使用，在夏季工况的研究上还不充分。

传统的被动式采暖建筑使用在办公类建筑中，节能潜力有限，因此林坤平[41]等人研制一种新型定形相变材料，他将该相变材料应用于地板下送风式相变蓄热地板电采暖系统，利用夜间廉价电蓄热，到第二天放出，有效利用了夜间的能量。据当年电价计算出每年可节省电费为18.6元/m2左右。该系统适用于白天人群密集，但晚上人员稀少的办公楼等建筑，对于全天都处于用电高峰状态的建筑来说并不适用。

上述的相变材料应用中还存在着一些问题：

（1）传统的相变材料在发生相变时会渗透，对于围护结构的热工性能有一定的影响，即使现在提出定形相变材料，但价格相对于传统相变材料来说还是偏高。

（2）相变材料有一定的使用局限性，在特定的地区难以使用，研发周期长，成本高，不可能针对每一个地区研发一种材料。即使研发出新的相变材料，其相变温度，储能特性等其他方面还需进一步改进。

（3）相变材料一旦安装难以取出，且使用寿命受到各方面的限制，如安装不得当，使用不合理都可能影响到相变材料的寿命。

（4）相变材料还可能影响到建筑结构稳定性，在满足相变材料的使用条件时还需考虑结构的力学性能。

（5）目前对于相变材料的研究大多只是针对于材料本身，就算有与建筑室外内环境相结合，考虑的因素也并不全面，缺乏系统地将整个建筑环境相结合起来研究，而且可以使用的相变材料并不多，还需要不断的创新研发，争取研制出制作工艺简单，成本低，使用范围广的相变材料。

3 新型变传热系数墙体性能研究

3.1 新型墙体的原理

基于以上分析，我们知道现有的墙体传热系数基本不变。如果将墙体的传热系数设置过大，那么在夏季白天势必会造成过多热量进入到室内，在冬季夜晚又会造成大量热量从室内向室外散失;如果传热系数过小，又不利于冬季白天充分地将太阳辐射得热传送到室内，也不利于夏季夜晚的室内散热。因此课题组提出一种适用于北方昼夜温差较大的地区的新型变传热系数墙体，该墙体可以根据外界环境温度的变化而自动地改变自身的传热系数，以维持室内温度的稳定性。该墙体由四部分组成：覆面保护层（1）、变热阻层（2）、承重层（3）、面层（4）构成。其中变热阻层是墙体传热系数调节的主要部分，由双金属片（5）和柔性导热基体（6）构成，如图1[42]。该墙的工作原理为：在夏季白天，当室外温度高于室内温度时，由于室外太阳的辐射，使面层（1）受热，双金属片（5）温度升高向上发生偏转弯曲，各个双金属片（5）与对应的柔性导热基体（6）发生分离，使得变热阻层（2）内只有空气导热，因此热阻最大，传热系数最小，此时通过墙体传导到室内的热量最小，减少了建筑物空调能耗。如图2[42]所示

夜晚，当室外温度降低直至低于室内温度时，双金属片（5）向下偏转直至与对应导热基体（6）闭合，此时变热阻层内双金属片与柔性导热基体重新构成热桥，减少了变热阻层热阻，传热系数最大。此时通过墙体传导到室外的热量很大，也减少了空调能耗，如图1[42]。在冬季，当温度较低时，双金属片会继续向下偏转，使得柔性导热基体发生弯曲，双金属片进而偏转到柔性导热基体的下方，实现与导热基体的分离。此时，变热阻层（2）内只有空气导热，热阻最大，傳热系数最小，此时通过墙体传导到室外的热量最小，如图3[42]所示。在过渡季节，变热阻层的热阻亦随着室外温度自动调节。

图3 墙体冬季工作原理图

Fig.3 the wall works in winter days

3.2 新型传热系数自调节墙体的数值模拟及实验设想

基于此原理，课题组利用FLUENT软件数值模拟了双金属片曲率、变热阻层尺寸、双金属片间距以及外侧壁温等因素对自调节墙体传热特性的影响，结果表明当双金属片曲率为20°，变热阻层厚度为100mm，双金属片间距为100mm时，墙体能够发挥其最好的传热效果，图4为模拟简化二维模型的网格划分图以及局部的网格细节图[42]。

图4 二维模型网格划分图及局部细节图

Fig.4 2D model meshing and local details

根据此数值模拟的结果，笔者在上述条件下，在焓差室里搭建一个1m3的小室，模拟太阳自然辐射。小室其中一个墙面为新型变传热系数墙体，其余的五个面为具有保温性能的彩钢夹芯板。在新型墙体的金属片上布置6个温度测点，柔性导热基体上也设置了6个温度测点，内外墙表面各6个测点，左右两侧墙面各3个温度测点，总共30个测点，并在内外墙表面设置两个测点测量热流密度。考虑到由于太阳辐射的热作用，笔者以新疆乌鲁木齐为例，由典型气象年数据得知，乌鲁木齐最热月最热天室外最高温度约为 38.8℃，逐时温度如图5所示，假设外墙吸收系数ρα=0.75，换热系数αω=18.6W/（m2·K），太阳辐射强度取一天中最强辐射强度[43]I=1000W/m2。则墙体综合温度为：tz=38.8+■=79℃

图5 新疆乌鲁木齐最热月最热天室外逐时温度分布

Fig.5 outdoor hourly temperature distribution on the hottest day of the hottest month in Urumqi， Xinjiang

因此，实验中用焓差室模拟夏季室外温度最高的一天，笔者将室外温度设置39℃，太阳辐射模拟器辐射强度设置为1000w/㎡，并且控制焓差室温度自动下降至夜晚22℃，关闭太阳辐射模拟器，并自动记录墙体在此过程中内外表面温度分布。

4 结语

改善围护结构的热工性能应从建筑本身结构入手，充分使用太阳能资源，考虑将相变材料与主动式建筑、被动式建筑相结合，使室内环境满足人们的需要。基于以上分析，被动式太阳房、Trombe墙、相变材料等是目前建筑节能主流方向，但还存在一些不足之处，课题组提出的新型变传热系数墙体是综合以上几种方法的优点提出的，目前市面上还没有这种墙体，其热工性能还处于研究阶段，并不成熟，从目前课题进展来看，还存在下列几个问题。

（1）实验台的测试参数不应该只单单停留在温度和热流上，还应综合考虑到内扰和外扰对围护结构的综合作用，考虑在实际室外温度变化下室内温度的分布情况。

（2）在数值模拟方面，课题组只采用了二维模型对系统进行模拟，且在建立几何模型时，对墙体进行了多处的简化，可能导致理论结果与实际情况差别较大。可建立三维模型对系统进行动态模拟，尽可能根据实际情况进行模拟，以更全面地分析温度场分布和系统的热工特性。

（3）该墙体目前处于实验室阶段，其理论和实验研究并不充分。今后投入实际工程中使用，变热阻层的砌筑也是一个难点，可以采用模块式加工，与装配式建筑相结合，大大降低施工难度。

（4）为了最终将变传热系数墙体系统广泛的应用于实际工程，需要对系统的经济性进行分析，以选用最为经济的系统结构和材料，最简单的施工工序，因地制宜的推广到各个地区。

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