夏热冬冷地区相变复合墙板适宜构造分析

张 源,邓萌萌

(1.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127;2.江苏大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212013)

在建筑围护结构(如墙体与屋顶等)内加入保温材料层(thermal insulation material,TIM)可以有效提升围护结构的热阻值,满足建筑节能规范对围护结构热性能的要求．然而,大多TIM具有较低的热容值．在我国,尤其是中、南部地区,为了降低地基荷载、节约建筑结构成本,建筑围护结构的厚度日趋减小,轻质节能墙板与高效保温层逐渐应用于建筑中以达到热阻与传热系数值要求,但会导致围护结构的热容值较低．低热容值围护结构的内表面温度会受室外温度变化的影响而产生较大幅度的波动,影响室内热舒适度,且导致空调设备频繁启停,增加能耗．

相变材料层(phase change material,PCM)是一类在常温下随温度变化而发生相转变,并吸收或释放潜热的一类材料,诸如石蜡、水合盐、脂肪酸等．由于潜热的存在,在相同温度变化下,适宜的PCM吸收或释放的热量要显著高于常规建筑材料．故将PCM合理引入建筑围护结构可有效减少轻质围护结构的内表面及室内温度波动,提高室内热舒适度,降低能耗．由于PCM还具有显著的温度波延迟效应,使午后的室外峰值温度和热流对围护结构内表面的影响时刻延迟至傍晚甚至夜间,而夜间环境温度较低,且处于分时电价的谷时阶段,有利于室内热环境的控制,提高了热舒适性与经济性．

长江中下游及其周边部分区域夏季闷热,冬季湿冷,故民用建筑须同时考虑夏季隔热和冬季保温问题．由于缺少集中的冷暖供应,空调设备是保障室内热舒适性的主要措施,也相应地增加了建筑能耗．从人体舒适度和建筑节能两方面出发,研究夏热冬冷地区具有更高热性能的围护结构十分必要．目前已有相关研究表明PCM可以显著提高墙板的非稳态热性能[1-5],但如何在建筑围护结构中充分发挥PCM的热性能,是当前亟待解决的问题之一．PCM的合理应用与多重因素有关．Arc[6]与 Tunçbilek[7]等在不同气候条件下优化PCM层厚度、位置和相变温度,并对相变墙体在间歇冷却操作下进行优化分析,使墙体充分利用潜热,发挥更好的热性能;Cascone等[8]提出了使用相变墙体对办公楼进行能源改造的多目标优化分析;Kishore等[9-10]采用二维数值模型研究了位于不同气候条件下5个美国城市中相变墙体的最佳相变温度、PCM在墙体中最佳位置及其节能潜力,还对PCM集成轻质建筑墙体进行了广泛的参数和灵敏度分析．笔者前期针对结构配置因素(PCM所处结构位置、孔排数等)和PCM热物性(相变温度、潜热、导热系数)中单个因素的变化对围护结构热性能的影响进行了多组动态分析[11-12],并用正交分析法研究了各影响因素的重要性[13],认为相变建筑围护结构的热性能主要由相变温度与环境温度的匹配情况、围护结构热阻值、PCM位置及相变潜热等因素决定．

综上,当前对含PCM墙板合理构造的分析主要针对其热性能的影响因素,缺少较为系统的工程应用研究．如不同PCM墙板的热性能差异,PCM墙板的热环境适用条件、合理构造等．本研究采用焓法模型对我国典型夏热冬冷地区条件下的相变复合墙板适宜构造进行分析,以期为相变蓄能墙板的工程应用提供热性能基本规律及构造原则．

1 模型与方法

1.1 数学模型

对实际传热过程的计算作如下假定:1) 各材料层均匀且具有各向同性;2) 多层墙板物理模型在高度与宽度方向的净热流为0 W·m-2,其传热过程简化为一维传热;3) 忽略PCM在相变过程中的密度和体积变化;4) 忽略过冷和自然对流现象;5) 忽略PCM接触面的接触热阻．

计算采用MATLAB程序．计算的初始条件为温度定值．厚度方向的边界按第三类热边界条件计算,其余边界按第二类热边界条件(绝热边界条件)计算．该焓法模型的控制方程与边界条件由有限差分法离散．对空间采用中心差分格式,对时间采用全隐式向前差分格式．空间网格步长为0.005 m,时间网格步长为300 s．采用点迭代法进行数值计算,迭代过程采用Gause-Seidel格式计算,收敛条件为max(|Tx,τ-Tx,τ+1|)≤10-10,式中Tx,τ与Tx,τ+1分别表示点x在τ与τ+1时刻的温度值,K．

经验证,数学模型计算结果与相同条件下的试验结果之间的误差小于3.3%[14-16],满足相变传热工程计算的要求．

1.2 PCM墙板基本构造

建筑墙板大体可分为三类:基本墙板(如彩钢板)、轻质材料墙板(如含加气砼层的墙板)和重质墙板(如含空心砖层的墙板)．本文对如图1所示的几种墙体构造进行分析．其中,构造1为TIM与PCM混合构造的基本墙板,混合墙板厚度为30,60,90 mm的构造分别记为构造1-30,构造1-60,构造1-90;构造2和3分别为PCM层在室外和室内侧的基本墙板分层构造;构造4和5分别为加气砼在室外和室内侧的轻质墙板构造;构造6和7分别为空心砖在室外和室内侧的重质墙板构造．表1所示为各墙板材料的热物性参数值[17]．在实际工程应用中,出于对热工性能和经济性的综合考虑,PCM在墙板功能材料层(即TIM和PCM)中的体积分数基本在10%～30%范围内．为了探索加入PCM后墙板热性能的完整变化规律,本文将墙板中PCM体积分数的变化范围设置为0～50%．

图1 各相变复合墙板基本构造示意图(mm)Fig.1 Basic constructions of phase change composite wallboards

表1 各墙板材料的热物性参数值Tab.1 Thermo-physical parameters of wallboard materials

1.3 热环境条件

图2 夏热冬冷地区典型夏季室外综合温度Fig.2 Solar-air temperature under typical summer condition of hot-summer and cold-winter zone

图2所示为典型夏热冬冷城市南京市中各朝向墙体的夏季室外综合温度曲线[17-18]．由图2可知,南向墙的室外综合温度最大值约46 ℃,在正午出现．东、西朝向墙分别在上午与下午时段出现温度最大值,高温时间段相较于南向墙变短．北向墙由于缺少太阳直射,所以温度峰值较低,约41 ℃,变化趋势与南向墙类似．根据以上温度曲线值,本研究将夏热冬冷地区的代表性室外温度均值设为36 ℃、昼夜温差设为20 ℃．室内采用空调房间工况,空气温度设定为26 ℃[18]．

1.4 评价参数

2 分析与讨论

2.1 基本墙板热性能

2.1.1 TIM与PCM混合构造

图3 基本墙板混合构造的热性能Fig.3 Thermal performance of basic wallboards with mixed construction

针对基本墙板构造1,当改变PCM相变温度(29～32 ℃)和PCM的体积分数时,构造1不同厚度墙板的热性能变化情况见图3．图3(a)结果显示,墙板热阻随墙板厚度与TIM体积分数的增加而增大．图3(b～c)显示了各墙板在达到稳定温度波动后的衰减倍数与延迟时间,构造1-90墙板的热性能优于构造1-30和构造1-60墙板,这表明墙板越厚,热阻和热容均越大,故墙板厚度可提高墙板的非稳态热性能．由图3(b)可知,构造1-30墙板的衰减倍数随PCM体积分数的增加而降低．PCM体积分数的增加,会使墙板热阻值下降,热容值上升．对于构造1-30墙板,其热容增加对非稳态热性能的提升效应小于热阻下降对热性能的降低效果,导致热性能总体下降．此外,选取不同PCM相变温度对墙板热性能的影响不显著,这是由于墙板厚度较小,导致热阻小,PCM的含量也很少,所以PCM对墙板热性能的影响不明显．但构造1-60和构造1-90墙板衰减倍数曲线均呈先下降后上升的趋势．墙板的热阻越大,PCM达到相同性能所需的填充量越小;相同量PCM达到的热性能效果越好．对于构造1-90墙板,PCM对墙板产生正面效果的最小体积分数为15%,使含PCM墙板的热性能高于纯保温墙板的PCM最小体积分数为35%(相变温度为30 ℃时),且PCM体积分数的继续增大会促使墙板衰减倍数加速提升．由图3(c)可知,延迟时间随PCM体积分数的增大逐渐增大．这是因为PCM含量的增多使墙板的总相变潜热增大,导致延迟时间增大．

总之,对于夏季工况下的空调房间,构造1墙板的热性能偏低;墙板内须填充较多的PCM才能使热性能得到显著提升,经济成本较高．同时,足量的TIM以提供足够的热阻值,是墙板中PCM发挥良好性能的基本保障．墙板的衰减倍数受热阻和相变潜热的双重影响,而延迟时间则主要受相变潜热的影响．对于构造1墙板,用PCM代替等量保温材料并不总能提升墙板的热性能,尤其是在TIM与PCM含量较小时．

2.1.2 基本墙板分层构造

针对分层构造基本墙板,当改变PCM体积分数与相变温度时,构造2和构造3墙板的热性能状况见图4．如图4(a～b)所示,构造2墙板的衰减倍数在PCM体积分数小于30%时变化较小,当PCM体积分数大于30%时显著增大,且延迟时间随PCM体积分数的增大而逐渐增大．说明PCM体积分数较小时其对墙板热性能影响不大,PCM体积分数较大时才具有效果,但经济成本较高,因此,构造2基本墙板不适用于实际工程．图4(c～d)显示,构造3墙板总体热性能比构造2显著提高．在取得最佳相变温度27 ℃时,5%与10%体积分数的PCM即可使墙板的衰减倍数、延迟时间有明显的提升,说明在此构造下墙板中TIM层对热阻值以及PCM层对热容值均有很好的提升效果．此外,相变温度为27 ℃时,衰减倍数与延迟时间曲线分别在PCM体积分数为45%与40%处出现拐点,性能随PCM体积分数的增加出现增加后有所下降的趋势．这是由于TIM体积分数的逐渐下降导致墙板热阻值下降,使更多热流进入墙板,造成热性能的下降．这种情况可通过维持TIM的绝对含量(即厚度)或改变PCM相变温度(如从27 ℃变为28 ℃)得到改善．墙板中所需TIM层的基本热阻值至少为1.0 m2·K· W-1．

图4 基本墙板分层构造的热性能Fig.4 Thermal performance of basic wallboards with layered construction

为更准确地分析热阻对墙体热性能的影响规律,利用PCM最佳相变温度为27 ℃的构造3墙体设置相互对照组,TIM的导热系数分别为0.030和0.047 W·m-1·K-1,两种墙板的热性能结果见图5．由图5可见,不同TIM层导热系数的墙板的衰减倍数和延迟时间均随PCM体积分数的增加呈先增加后减小的变化趋势,说明PCM的相变潜热对2个指标均有显著影响．在出现拐点之前,含有相同PCM体积分数的2种墙板的衰减倍数有显著差异,而二者的延迟时间几乎相等．这表明延迟时间几乎不受热阻的影响,主要由热容值决定．导热系数为0.047 W·m-1·K-1的墙板的衰减倍数和延迟时间峰值明显低于导热系数为0.030 W·m-1·K-1的墙板,且其峰值对应的PCM体积分数更低．说明热阻除了影响墙板衰减倍数外,其数值越大,墙板内配置相同体积分数的PCM层所发挥的热性能越好．

图5 不同TIM导热系数下基本墙板热性能Fig.5 Thermal performance of basic wallboards with different TIM thermal conductivities

2.1.3 各构造基础墙板的热性能对比

图6显示了总厚度为60 mm的不同构造基础墙板在最佳相变温度下的热性能．由图6可见,相同PCM体积分数下,相比于构造1-60和构造2,构造3墙板的衰减倍数、延迟时间均明显提高．这是因为空调房间下墙板中PCM层处于外侧时易在室外温度波的作用下发生“击穿”现象[11-12],即室外温度超出PCM的相变温度区间,从而使PCM失效．受同样规律的影响,TIM与PCM混合墙板的热性能也不佳．由于空调房间温度相对恒定,靠近室内的墙体温度波动较小,故当PCM层处于墙体内侧时在适宜的相变温度下可达到较高的热性能．因此,PCM与TIM宜分层设置且PCM层应位于内侧．

图6 不同构造基础墙板热性能对比Fig.6 Impact on thermal performance of basic wallboards with different constructions

2.2 轻质墙板热性能

图7给出多个相变温度下构造4、构造5墙板热性能随PCM体积分数增加而变化的情况．图7(a～b)显示,当PCM体积分数处于0～25%范围、相变温度为26和27 ℃时构造4墙板的衰减倍数、延迟时间均明显高于28 ℃和29 ℃．当PCM体积分数处于30%～50%,相变温度为27 ℃时，构造4墙板的热性能提升明显,显著高于其他相变温度的墙板．综上,选择27 ℃作为构造4墙板的相变温度．图7(c～d)显示,随着PCM体积分数的增加,构造5墙板在相变温度为28,29,30 ℃时,衰减倍数呈先增大后减小的变化趋势;相变温度为31℃时,衰减倍数曲线单调递增．墙体热容随着PCM体积分数的增加而增大,故延迟时间逐渐增大．然而,当PCM体积分数为30%～50%时,墙板内由于TIM层厚度减少导致热阻下降,影响了相变温度为29 ℃的墙板内PCM层温度分布,从而影响PCM的性能,使墙板热性能显著降低．在PCM相对含量处于0～30%范围时,相变温度为29 ℃的热性能最优,最大衰减倍数和延迟时间分别为244.47和10.2 h．而在PCM处于30%～50%时,相变温度为30 ℃墙板的热性能最优,衰减倍数和延迟时间可达173.98和9.9 h．

图7 不同构造轻质墙板的热性能Fig.7 Thermal performance of lightweight wallboards of different constructions

通过对比两种构造轻质墙板的热性能,发现当PCM相对含量为0～30%时,相比于构造5墙板,构造4墙板的衰减倍数较小,但延迟时间较大;而在PCM含量大于30%后,构造4墙板的衰减倍数和延迟时间均显著高于构造5墙板．总体来看,将加气砼层设置在墙板外侧(构造4)比在内侧(构造5)时可达到更好的热性能．对比图6和图7中轻质墙板与基础墙板的热性能,还发现由于添加了加气砼层,墙板热阻提高,使得轻质墙板的热性能均显著高于基本墙板,且在PCM含量小于30%时更为明显．

2.3 重质墙板热性能

图8给出了多个相变温度下构造6和构造7重质墙板的热性能随PCM体积分数增加而变化的情况．构造6墙板在相变温度为27 ℃时达到最佳热性能,衰减倍数和延迟时间的最大值分别为500.82和17.4 h．而构造7墙板在PCM相对含量为0～30%时,相变温度为28 ℃时热性能最高;当PCM含量大于30%时,相变温度为29 ℃时热性能最高．

图8 不同构造重质墙板热性能Fig.8 Thermal performance of heavy wallboards of different constructions

对两种构造的重质墙板而言,其热性能变化趋势也与轻质墙板相似．在PCM含量小于30%时,构造7墙板的衰减倍数高于构造6墙板,但其延迟时间较短;而在PCM含量大于30%时,构造6墙板的各项热性能均高于构造7墙板．因此,将空心砖层设置在墙板外侧(构造6)比在内侧(构造7)的热性能更优．

对比图7和图8中轻质墙板与重质墙板的热性能可见,PCM层位置相同时含有空心砖层的重质墙板的热性能均高于含加气砼层的轻质墙板．这是由两种墙板所含的实体材料层的物性参数决定的．加气砼虽然具有较低的导热系数,但其密度较低,导致热容小于空心砖;而空心砖虽然具有较高的导热系数值,但由于其厚度较大,在一定程度上弥补了热阻的不足,同时还进一步提高了热容值．这是重质墙板的热性能总体上优于轻质墙板的重要原因．

3 结论

本文采用焓法模型对典型含保温材料与相变材料复合墙板的热性能进行分析,针对相变复合墙板的构造方式得到影响热性能的规律,为夏热冬冷地区应用相变蓄能墙板提供了理论依据与参考,对相变蓄能墙板在建筑节能中的推广应用具有重要意义．根据本文的研究结果,夏热冬冷地区空调房间的高热性能相变复合墙板构造应遵循以下原则:1) 墙板中TIM层的基本热阻值应达1.0 m2·K·W-1以上;2) TIM与PCM宜分层设置,且PCM层应处于TIM层内侧;若不得不使用PCM与TIM的混合构造层,可在该层外侧加设TIM层;3) 墙板中除TIM与PCM层外的实体材料层应置于室外一侧．