基于保温隔热建筑墙体的相变混凝土热物理性能研究

李成延，廖玥琪，方从启，2

（1.上海师范大学 建筑工程学院，上海 201418；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

0 引言

随着城市化进程加快，基础设施建设的增加，我国的建筑运行能耗已约占社会总能耗的35%，建筑节能的形势迫在眉睫。为了降低建筑运行能耗，研发一种新型保温隔热建筑墙体，减少空调等室内恒温设备的使用频率就显得尤为重要。由于相变材料在相变时能够吸收或放出大量的热量，因此可以充分利用这一特性，将其掺入混凝土墙体中，实现蓄能效果。

近年来，国内外对于相变储能混凝土的研究较多。Pilehvar等[1]以石蜡为相变材料制备了微胶囊相变混凝土，其抗压强度与相变材料的掺量成反比，当体积掺量为20%时，强度损失率为40%，所以相变材料在混凝土建筑墙体的实际运用中，掺量不应过高。Cao等[2]研究发现，相变储能混凝土中胶囊量的增加降低了混凝土的导热系数，增加了混凝土的潜热；但是除了在相变温度附近，其他温度下并没有改变混凝土的比热容。这些研究往往都偏向于基础性研究，离实际施工运用还有一定距离。

鉴于此，本文以保温隔热建筑墙体为研究背景，相变材料采用10%的体积掺量，建立双层相变混凝土墙体模型以保证在环境温度中墙体的热物理性能，通过测得的相变混凝土建筑墙体的比热容、导热系数和升温曲线，结合COMSOL数值模拟的方法，模拟相变储能混凝土建筑墙体对室内环境温度的自主调节能力。

1 热物理性能测试

1.1 相变储能混凝土

Diaconu和Cruceru[3]研究了一种适用于全年的双层相变混凝土墙体，分为2层，外层采用相变温度高的相变材料，适用于夏季，内层采用相变温度低的相变材料，适用于冬季，使相变材料一直处于相变温度区间，抵消工作温度对墙体比热容的影响，使其全年保持较高比热容，从而显著降低峰值冷热负荷。因此，本研究以这种双层相变混凝土墙体为模型，相变材料为正十八烷相变微胶囊和正十四烷相变微胶囊，相变温度分别为28、8℃。由于相变材料掺量会影响混凝土的抗压强度，为了使混凝土力学性能满足设计要求，所以本实验相变微胶囊等体积替代10%砂。

实验设置配合比为m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）=1∶2.5∶2.2∶5，密度为2500 kg/m3的普通混凝土PC作为对照组，实验组分别用3种相变材料等体积替代10%的砂（如表1所示），制备成相变混凝土墙体（如图1所示），以研究不同相变温度对其热物理性能的影响。水为自来水；水泥为P·O42.5水泥；细骨料为细度模数2.6的中砂，粗骨料为粒径5～10 mm的级配碎石；萘系减水剂：硫酸钠含量18%，万山化工。

表1 混凝土墙体配合比 kg/m3

图1 普通混凝土及3种双层组合墙体结构示意

1.2 导热系数的测试

依据SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》的要求测试相变储能混凝土建筑墙体的导热系数。实验过程中，为了避免早期读数规律性较差，选用自记录温度起30 min以后的各次读数，按式（1）计算：

式中：λ——混凝土导热系数，W/（m·K）；

Q——试件由中心向四周的传热量，为3.600 kJ/（W·h）；

a、b、L——试件的外径、内径、高度，m；

θ1——冷却水温，K；

θ2——试件中心水温，K；

W——电热功率，W。

待每组相变混凝土中心温度稳定，记录10次数据，代入式（1）求出各次测量的导热系数，求平均值得到PC、MPCM-8、MPCM-28、MPCM墙体的导热系数分别为2.189、1.634、1.688、1.614 W/（m·K）。由于相变微胶囊的导热系数低于砂，同时不同相变材料的掺入使得混凝土孔隙率增大[4]，所以相变储能混凝土的导热系数也随之减小。

1.3 比热容的测试

采用绝热法测试相变储能混凝土建筑墙体在每个温度段的比热容，在8～12、20～24、26～30、32～36℃温度区间取一点测试其比热容，拟合曲线，模拟相变混凝土建筑墙体在一年中工作环境温度下的比热容。

不同温度区间内的比热容依据SL/T 352—2020进行测试，将测得的数据代入式（2）中计算比热容，结果如图2所示。

图2 不同PCM掺量的相变混凝土的比热容

式中：Cp——混凝土比热容，kJ/（kg·K）；

Q——输入的电能，kJ；

T1——态始温度，K；

T2——末态温度，K；

m——样品质量，kg。

由图2可见：

（1）MPCM-28的比热容最高点在28℃左右，达到1.53 kJ/（kg·K），MPCM-8的比热容最高点在10℃左右，约为1.50 kJ/（kg·K）；而普通混凝土对照组的比热容则始终保持在0.89 kJ/（kg·K）。说明相变混凝土在相变温度区间附近即固液共融区得到最大比热容[5]。当相变材料平静地处于固态或液态时，相变储能混凝土的比热容不会有较大提高，只有当温度处于相变区时，在相变过程中不断吸收潜热能，才能使其获得较大比热容[6]。

（2）MPCM组能够在正常环境温度中一直保持较高的比热容，因此采用双层相变储能混凝土建筑墙体模型，来适用于各种温度段保证墙体良好的热物理性能。将MPCM组墙体结构（设为模型2）与普通混凝土建筑墙体（设为模型1）进行对比，验证其节能潜力。

1.4 升温曲线

将模型1、模型2墙体放置在抗火实验炉（见图3）中以800℃高温均匀加热3 h，模拟火灾高温情况，通过在墙体内部埋置热电偶片测得墙体在高温下的温度变化情况，拟合得到模型1与模型2的升温曲线（如图4）。显然，模型2相变混凝土墙体的升温速率要远小于普通混凝土墙体，约为其1/2，且升温速率的增长在不断放缓，普通墙体则相反。因而相变混凝土墙体具有更好的隔热抗高温作用，能够通过相变材料的相变作用吸收热量，并大大减少墙体两边的热传递。

图3 抗火实验炉

图4 800℃下模型1与模型2的升温曲线

2 数值模拟与结果分析

2.1 模型描述

在COMSOL有限元分析软件中，建立一个墙厚200 mm的混凝土墙体作为四周墙体，上下层开口设置为绝缘面的4.0 m×5.0 m×3.6 m的简易房间，建筑侧面有1扇1 m×2 m的门，材料为25 mm厚的木板，另一侧面上离地1.2 m高处有1扇2.0 m×1.0 m的窗，材料为20 mm厚的双层中空玻璃，内部无其他设备，建筑模型如图5所示。

图5 相变混凝土建筑墙体热工计算模型

模型1作为基准模型，墙体与屋面都是200 mm厚的混凝土；模型2墙体采用MPCM组相变储能混凝土墙体。门窗的传热系数分别为1.18、0.76 W/（m2·K），墙体的热物理性能如表2所示。本模型采用三角形单元常规单元大小进行网格划分，划分单元有13 913个。

表2 墙体的热物理性能参数

设置参数24 h中的最低温度Tmin、最高温度Tmax、初始温度Tin，定义环境温度Tamb为随时间t变化的函数，见式（3）。

定义边界条件为上下两面开口以及上下墙体接触面均为绝缘面，墙体与房间内空气设为初始温度Tin，墙体内表面设置为对流热通量，外部温度为环境温度Tamb，墙体外表面热通为对流热通量外部自然对流垂直壁，整体模型根据能量守恒（广义的传热）方程，采用PARDISO求解器瞬态求解。

2.2 典型日室内温度与能耗模拟

2.2.1 夏季

令人体舒适的室内温度标准值为16～24℃[7]，定义初始温度Tin为18℃；假设夏季最高温度Tmax为40℃，最低温度Tmin为30℃。经过24 h，步长为0.1 h模拟后，得到室内温度变化如图6所示，24 h时模型温度分布云图如图7、图8所示。

图6 夏季时典型日温度变化曲线

图7 夏季时模型1的温度分布云图

图8 夏季时模型2的温度分布云图

模型在经过24 h夏季环境温度模拟后，模型1室内温度由18℃上升到25.2℃，升高了7.2℃，模型2室内温度升至22.5℃，温度仅升高了4.5℃，温升值仅为模型1的62.5%；相变混凝土墙体温度在25.0℃左右，与室内温度相差2.5℃，普通混凝土墙体温度在26.2℃左右，与室内温度相差约为1.0℃，可以看出，相变混凝土能够有效吸收夏季高温热量，并将其隔绝在室外。

进一步观察室内24 h温度的变化情况，由图6可知，2组模型室内温度都随环境温度的升高升温速度加快；环境温度降低，则升温速度减慢，但相变混凝土组的升温速率明显低于普通混凝土组，对于夏季室内温度的调节有着较为明显的作用，即使在夏季一天的高温中，不使用其他恒温设备，也能保持室内温度处于人体舒适的温度标准。

2.2.2 冬季

定义初始温度Tin为20℃；假设冬季最高温度Tmax为8℃，最低温度Tmin为-2℃。经过24 h，步长为0.1 h模拟后，得到室内温度变化曲线如图9所示。24 h后模型温度分布云图如图10、图11所示。

图9 冬季时典型日温度变化曲线

图10 冬季时模型1的温度分布云图

图11 冬季时模型2的温度分布云图

模型在经过24 h冬季环境温度模拟后，模型1室内温度由20℃下降到13.3℃，降低了6.7℃；模型2室内温度降至15.9℃，温度仅下降了4.1℃，温度降低值约为普通混凝土的61.2%；相变混凝土墙体温度在11℃左右，与室内温度相差4.9℃，普通混凝土墙体温度在8℃左右，与室内温度相差约为5.3℃，可以看出，相变混凝土墙体有较好的保温效果。

经计算，在冬季典型日模型2的日均最高节能率η=36.6%。与夏季的日均最高节能率为23.6%相比有显著提高，说明相变储能混凝土建筑墙体在冬季的节能效果更显著。并且如图9可知，2组模型室内温度都随环境温度的降低降温速度加快，环境温度升高，则降温速度减慢，但相变混凝土组的降温速率仍然明显低于普通混凝土组，说明相变储能混凝土墙体更好地隔绝了室内外的热传导，对于冬季室内温度的调节同样也有着较为明显的作用，能够很好地隔绝热量起到保温作用，使其在冬季低温气候中也能在24 h内基本维持室内处于人体舒适的冬季室内温度标准。

2.3 长时间模拟分析

以上试验只验证了短时间内，相变混凝土对于墙体保温有着较大的作用，在24 h确实可以基本使室温保持在舒适温度区间中，但并没有验证长时间下室内温度的改善情况，于是将模拟时长范围由1 d放大至1个月（30 d），步长设置为2 h，模拟1年中的整个最炎热的高温时期与最寒冷的冬季。得到夏季、冬季室内温度变化曲线如图12、图13所示。

图12 夏季长时间室内温度变化曲线

图13 冬季长时间室内温度变化曲线

由图12可见，普通混凝土和相变混凝土模型室内温度变化曲线都是先上升至最高温度点再小幅下降。普通混凝土模型室内温度的升温速率要明显高于相变混凝土，而且升温峰值也高于相变混凝土模型；在第129 h就达到了最大值33.8℃，而相变混凝土模型室内温度在第173 h才达到最大值32.3℃；普通混凝土模型室内温度明显有1个最高温度峰值，而相变混凝土墙体则几乎没有，这说明相变材料增大了墙体热容，不仅降低了传入室内的最大热流，还延迟了最大热流的到来时间，起到了“削峰延迟”的作用[8]。

但大约在330 h以后相变材料的影响几乎可以忽略不计，此时相变混凝土组室内温度仅比普通混凝土组低约0.1℃。最终在经过720 h模拟后两者室内温度基本都维持在31.4℃左右；相变混凝土模型室内温度在42.5 h后完全超过人体舒适室内温度标准值[7]，因此仅使用相变混凝土作为建筑墙体的自调温能力并无法完全使建筑不需要使用恒温设备，但能极大地减少恒温设备的使用率，若再结合白天的自然对流以及晚间低温度时的多次换气，可以更好地发挥相变材料的蓄冷作用，大大降低建筑运行能耗。

由图13可见，普通混凝土和相变混凝土模型的室内温度变化曲线都是先大幅下降至最低温度点再小幅回升，普通混凝土模型室内温度的降温速率要明显高于相变混凝土，而且温度最低点也要远低于相变混凝土模型，降温时间也要远长于相变混凝土模型；在第334 h就达到了最低点-1.42℃，而相变混凝土模型室内温度在第184.5 h就停止降温达到温度最小值5.45℃，说明相变材料的低导热系数特性显著降低了室内外的热交换，起到了极大的保温效果，显著降低了峰值冷负荷[8]。由于相变材料高比热容的特点可以看出相变混凝土模型室内温度在达到温度最低值后温度回升幅度较大，最后稳定值在7℃左右，相比普通混凝土模型的室内温度最终稳定在-1.4℃有着非常大的提高，降低了室内温度的波动，尽可能长时间使室内温度维持在合适范围内[9]。可以看出，相较于夏季，相变材料对冬季的保温能力更加优异，可以大大提高冬季墙体的储热能力，降低建筑运行能耗。

3 结论

（1）相变材料的掺入可降低混凝土的导热系数，当相变材料平静地处于固态或液态时，相变储能混凝土的比热容不会有较大提高，只有当温度处于相变区时，在相变过程中不断吸收潜热能，才能使其获得较大比热容。所以将相变材料掺入混凝土时，要确保其相变温度应适合其工作温度，这样才能大大提高混凝土建筑墙体的比热容，提高其蓄冷蓄热能力。

（2）相变混凝土建筑墙体对于室内温度的自调节能力明显优于普通混凝土建筑墙体，其升温、降温速率都要低于普通混凝土，能减小室内温度的波动，使室内温度更长时间停留在令人体舒适的温度范围内。

（3）相变混凝土建筑墙体增大了墙体比热容，从而降低了传入室内的最大热流，延迟了最大热流的到来时间，也通过低导热系数的特点减少了与外界的热交换，在夏季可降低室内最高温度2.7℃，日均节能率为23.6%；冬季可提高室内最低温度2.6℃，日均节能率为36.6%，可降低全年峰值冷热负荷。若结合自然通风与换气设备等可以极大减少恒温设备等运行时间，从而显著降低建筑运行能耗。

（4）相变储能混凝土建筑墙体在冬天低温情况下的节能效果要明显优于夏季高温情况，可以将室内温度维持在较高的范围内，大大提高了冬季墙体的储热隔热能力。