定型相变通风屋面隔热性能影响因素分析

于靖华 陶俊威 叶虹 杨清晨 田利伟

1 华中科技大学环境科学与工程学院2 中铁第四勘察设计院集团有限公司

0 引言

将相变材料应用在建筑围护结构中，利用相变可以阻隔大量室外热量进入室内。将通风措施结合到建筑围护结构结构中，可以利用风压和热压的作用起到隔热的效果。目前国内外学者对这两方面的研究有很多，而关于相变与通风相结合应用到建筑围护结构的研究较少，H .B.Gunay[1]对装有空心楼板房间的热响应做了数值研究，发现空心板内加入相变材料后，房间内的峰值负荷显著减少。Ahmed Faheem[2]将微封装相变材料（mPCM）结合到预制通风空心楼板中，采用CFD 数值模拟软件模拟计算了相变温度和通风速度对该相变通风楼板冷却性能的影响，结果表明通风速度对楼板冷却潜力的影响较大。康艳兵[3]将相变板放置在房间吊顶和楼板之间，同时在夜间对相变板进行机械通风，实验结果表明，利用相变板可以提高屋面的蓄冷能力，室内温度明显下降。

本文提出了一种定型相变通风屋面结构，主要由相变材料和混凝土空心板组成，夜间空心楼板内通入室外凉风，可以带走相变材料释放的热量，解决相变屋面中相变材料散热困难这一问题，对建筑节能具有重要的意义。本文利用CFD 数值模拟软件研究了该定型相变通风屋面最优的相变材料厚度，相变温度，空腔通风策略和空腔大小，对该结构的设计和推广应用起到一定的指导和推动作用。

1 物理模型

本文研究的定型相变通风屋面为一种中间层定型相变通风屋面，其主体结构主要由预制混凝土空心板和定型相变材料构成，从外至内分别为保护层，防水层，找平层，找坡层，相变材料层和空心楼板，具体结构如图1 所示。由于空心楼板各空腔之间的传热具有对称性，取预制混凝土空心楼板中间的一个空腔作为研究对象，即取整个屋面结构中的一部分来进行模拟研究，这一部分的宽度为 104 mm，其左右两侧的边界可以设定为绝热边界条件。中间层定型相变通风屋面模型各层材料的厚度和热物性参数如表1 所示，整个屋面纵向的长度为4200 mm。本文选取的定型相变材料是由石蜡类相变材料与高密度聚乙烯、膨胀石墨熔融共混而成的，其中石蜡占比 85%，石蜡的溶解热为189 kJ/kg[4]，根据文献[5]可计算出定型相变材料的溶解热，为 160.65 kJ/kg。

图1 中间层定型相变通风屋面结构

表1 定型相变通风屋面模型各层材料的厚度和热物性参数

本文采用 CFD 数值模拟方法进行计算，根据图 2所示的结构示意图，利用 ICEM CFD 软件建立三维几何模型并划分网格。在Fluent 软件中利用压力求解器和非稳态算法来进行求解计算，同时采用标准k-ε模型，能量方程，DTRM 辐射模型和 Solidification &Melting 的模型来进行传热计算。

图2 中间层定型相变通风屋面结构三维模型

2 边界条件设置

由于空腔传热的对称性，将相邻两空腔中间界面设置为绝热面，即将图1 中模型的左右两侧边界设置为绝热边界条件。空腔入口设为速度进口，速度由UDF 程序控制，空腔出口为自由出流，出入口截面的其他边界面设为绝热边界条件。空腔内采用实时监测通风策略来控制通风时间，该通风策略是通过实时监测沿管长方向中心空腔断面最低点的温度，并与室外空气干球温度做对比，当室外空气干球温度高于该点温度时，空腔内不通风，当室外空气干球温度低于该点温度时，空腔内通风。将屋面内外表面设置为第三类边界条件，屋面内表面与室内空气的对流换热系数取 8.72 W/(m2· K)[6]，室内温度设置为恒温 26 ℃，屋面外表面与室外空气对流换热系数取23.26 W/(m2· K)[6]，室外温度设置为武汉市夏季典型日室外空气综合温度tz。武汉市夏季典型日室外空气综合温度和室外空气干球逐时温度如图3 所示。

图3 武汉市夏季典型日室外空气温度条件

3 影响因素分析

3.1 相变材料厚度和相变温度

本节在通风速度为 1.0 m/s 的实时监测通风策略的前提条件下，模拟研究了不同相变材料厚度（20 mm、25 mm、30 mm）和相变温度（32～34 ℃、33～35 ℃、34～36 ℃、35～37 ℃）对中间层定型相变通风屋面内表面逐时温度，屋面热工性能以及相变材料潜热利用率的影响，其变化趋势如图4 和表2 所示。其中非相变通风屋面是一种将相变材料层替换为 30 mm 厚的混凝土层，同时空腔内不通风的屋面模型。

图4 不同相变材料厚度和温度下中间层定型相变通风屋面内表面逐时温度

表2 不同相变材料厚度和温度下中间层定型相变通风屋面热工性能

随着相变材料厚度的增加，屋面内表面平均温度逐渐降低，不同相变材料厚度下的最适宜相变温度为33～35 ℃或34～36 ℃，这两种相变温度下屋面内表面的平均温度较低，温度波幅较小，衰减系数也较小。当相变材料厚度为20 mm 时，相变材料的平均潜热利用率达到了 100%，厚度过低无法有效降低屋面内表面温度。当相变材料厚度为30 mm 时，相变材料的平均潜热利用率只有75.32%，有大部分相变材料没有得到有效利用，经济性差。综合对比屋面热工性能和相变材料潜热利用率，在 1.0m/s 的实时监测通风策略下，对于中间层定型相变通风屋面，最适宜的相变材料厚度为 25 mm，同时最佳的相变温度为 33～35 ℃或34～36 ℃，在最佳相变材料厚度和相变温度的工况下，相比于非相变通风屋面，屋面内表面最高温度降低了3.15 ℃、3.27 ℃，平均温度降低了1.49 ℃、1.50 ℃，衰减系数降低了0.164、0.166，延迟时间增长了3～4 小时。

3.2 空腔通风策略

选定相变材料厚度为 25 mm，相变的温度为33～35 ℃或 34～36 ℃两种工况，研究不同通风速度下（0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s）的通风策略对定型相变通风屋面热工性能以及相变材料潜热利用率的影响。

不同通风速度下中间层定型相变通风屋面内表面逐时温度和空腔通风时间如图5 和图6 所示，屋面热工性能和潜热利用率如表 3 所示。当相变温度为33～35 ℃时，随着通风速度从0.5 m/s 增大到2.5 m/s，屋面内表面平均温度降低了0.35 ℃，而且降低的幅度逐渐变小，衰减系数随风速的增大逐渐降低，趋于0.029，延迟时间增长了 2 小时，相变材料的潜热利用率则上升的较为明显，增幅达14.40%。在通风时间方面，从 8 小时逐渐降低到 6 小时。而当相变温度为34～36 ℃时，随着通风速度的增大，屋面内表面平均温度在逐渐降低，而屋面内表面温度波幅、衰减系数在逐渐升高，相变材料的潜热利用率不升反降，是因为在该情况下当通风速度增大后，相变材料在夜间储存的显热冷量逐渐增多，导致相变材料在白天吸收的热量减少，影响了相变材料的融化效果。

表3 不同通风速度下屋面热工性能

图5 相变温度为33～35 ℃时不同通风速度下中间层定型相变通风屋面逐时温度和空腔通风时间

图6 相变温度为34～36 ℃时不同通风速度下中间层定型相变通风屋面逐时温度和空腔通风时间

故对于中间层定型相变通风屋面，当相变材料厚度为25 mm、相变温度为33～35 ℃时，随着空腔内通风速度的增大，屋面的隔热性能越来越好。将该工况下屋面平均温度与通风速度的关系进行拟合，得到的拟合曲线如下图7 所示。从该拟合曲线可以看出，随着通风速度的增大，屋面内表面平均温度降低速度逐渐变小，根据拟合公式可知，当通风速度为2.5 m/s 时，中间层定型相变通风屋面内表面平均温度的降低速度接近于0。故中间层定型相变通风屋面最佳的通风速度为2.5 m/s。

图7 中间层定型相变通风屋面内表面平均温度随通风速度变化曲线

3.3 空腔大小

根据前两节的研究结果，选择相变层的厚度则为25 mm、相变温度为 33～35 ℃的模型作为研究对象，空腔内通风速度为2.5 m/s。保持空腔内风量不变，改变空腔半径，空腔半径为35 mm 时风速为 3.265 m/s，空腔半径为45 mm 时风速为 1.975 m/s。定风量不同空腔大小下中间层定型相变通风屋面内表面的逐时温度如图8 所示，屋面的热工性能如表4 所示。

图8 定风量不同空腔大小下屋面内表面逐时温度

表4 定风量不同空腔大小下屋面热工性能

随着空腔大小的增加，风量不变，空腔内风速变小，屋面内表面的最高温度、最低温度和平均温度均在变小，温度波幅逐渐变大，衰减系数也在变大。这是因为当空腔大小变大时，在空腔内不通风时，屋面的隔热性能更好一些，使得屋面内表面的温度逐渐变小。当空腔半径为40 mm 时，相变材料的平均潜热利用率最大，为 89.72%。根据《中南地区工程建设标准设计结构图集》[7]，在预制混凝土空心楼板厚度为120 mm 时，为了满足楼板结构的应力、强度要求，适宜的空腔半径为 40 mm。故当相变材料厚度为25 mm、相变温度为 33～35 ℃时，同时采用通风速度为2.5 m/s 的实时监测通风策略，中间层定型相变通风屋面最佳的空腔半径大小为40 mm。

4 小结

本文在武汉市夏季典型日室外气候条件下，选取相变潜热为 160.65 kJ/kg 的复合定型相变材料，模拟研究了不同相变温度，相变材料厚度，空腔通风速度和空腔大小对中间层定型相变通风屋面热工性能和相变材料潜热利用率的影响，模拟结果表明：对于中间层定型相变通风屋面，最优的屋面结构为相变材料厚度为 25 mm、相变温度为 33～35 ℃、通风速度为 2.5 m/s，空腔半径为 40 mm，此工况下屋面内表面平均温度最低，为 29.53 ℃，相变材料潜热利用率最高，为89.72%。相比于非相变通风屋面，屋面内表面最高温度降低了3.38 ℃，内表面平均温度降低了 1.68 ℃，衰减系数降低了0.167，延迟时间增长了4 小时。