相变墙体构造对室内热稳定性影响分析

张丽娟，魏 通，田国华，王晓玲

(1.江苏建筑职业技术学院 建筑智能学院，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑职业技术学院 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116)

1 引言

随着时代的发展，建筑能耗愈来愈多。相变材料在适宜的相变温度下，能够吸收或释放潜热[1]。将相变材料合理地应用于墙体，对提高建筑的室内热稳定性起到有利的作用，从而降低建筑能耗[2，3]。Kuznik等通过实地监测一年中室内空气温度，并对相变墙体建筑和普通墙体建筑进行了对比，监测数据分析表明，相变材料应用于建筑墙体，可以提高室内热稳定性，热舒适性提升明显[4]。吕石磊等测试了相变建筑的热环境，同时对比了普通建筑内热环境，测试数据表明，相变材料的合理应用，可以有效降低室外环境的热扰，提高室内热环境的稳定性[5]。然而，不同的相变墙体构造，效果是不同的。鉴于此，学者们对相变构造对墙体室内热稳定性的影响进行了广泛研究[6]。乔宇豪等基于模型实验，对比分析了相变墙体不同材料层顺序对其热工性能的影响。结果表明，外侧保温材料-中间基层墙体-内侧相变材料的墙体构造，可以有效地减小室内温度波动，降低峰值[7]。史静毅以吐鲁番地区为例，分析对比了3种墙体在夏季工况下的能耗，与普通对照建筑相比，外侧相变砂浆可降低空调能耗11.6%，优于内侧相变砂浆的3.6%[8]。Jin等根据实验结果分析对比墙体热流的减少情况，研究了相变墙体构造对墙体热性能的影响，结果表明，相变材料置于墙体内表1/5L处时，墙体热性能最好[9]。华旭明等通过仿真模拟，分析了相变墙体构造对室内热环境的影响，研究结果表明，相变材料置于夹心位置时，室内夏季冷负荷最低，室内热稳定性最好[10]。然而，多数的研究更关注相变墙体构造对夏季隔热性能的影响分析，而对冬季工况分析较少。

本文基于徐州地区冬季工况，通过ANSYS workbench软件，针对3种不同构造的相变墙体，模拟其传热过程，并对室内热稳定性进行分析，确定冬季工况下适宜的相变墙体构造，为相变材料的墙体应用提供参考。

2 物理模型

传统的建筑墙体一般由基层墙体和内外表面砂浆组成。本研究拟将其中一面普通砂浆用相变砂浆代替，根据传统的墙体构造，设计了3种不同的相变墙体，如图1所示。

图1 相变墙体构造

(1)外侧相变墙体构造如图1(a)所示。外侧相变砂浆、内侧普通砂浆的厚度均为0.02 m，中间基层砖墙的厚度为0.24 m。

(2)夹心相变墙体墙体构造如图1(b)所示。内侧、外侧普通砂浆厚度为0.01 m，中间相变砂浆厚度为0.02 m，内外两侧普通砂浆和相变砂浆之间的基层砖墙厚度均为0.12 m。

(3)内侧相变墙体构造如图1(c)所示。内侧相变砂浆、外侧普通砂浆厚度均为0.02 m，中间基层砖墙厚度为0.24 m。

参考文献，获得各材料物性参数见表1[11]。

表1 材料物性参数

3 数学模型

3.1 控制方程

相变墙体的传热，主要由基层墙体、普通砂浆、相变砂浆层的传热，以及相变砂浆层的相变蓄热放热组成[12]。各层模拟解析控制方程如下。

采用导热方程，对基层墙体以及普通砂浆层的传热过程进行分析，控制方程为[13]：

(1)

采用焓法方程，对相变砂浆层的传热过程进行分析，控制方程为[4～6]：

(2)

相变材料的焓值H，与温度T有关，两者之间的关系为[17,18]：

(3)

3.2 初始与边界条件

室外侧参数设定：加载温度为南向墙体室外综合温度，如图2所示，对流换热系数取23W/(m2·K)[19]。

图2 室外侧加载温度

室内侧参数设定：参考规范要求，温度选取恒定18 ℃，对流换热系数取8.7 W/(m2·K)。

3.3 网格划分与时间步长

3.3.1 网格划分

网格精度，对提高模拟的精确性非常关键[20]。本研究设定网格精度为0.01。

3.3.2 时间步长

本研究选取徐州地区1月24～27日，共4 d时间进行模拟，总时长345600 s，时间步长设为600 s。

4 结果分析

图3～图5所示分别为：外侧相变、夹心相变、内侧相变墙体的各节点的温度分布。其中，外侧和内侧相变墙体中，WALL-1代表外表面温度、WALL-2代表外侧砂浆与砌块交界处温度、WALL-3代表墙体中心处温度、WALL-4代表内侧砂浆与砌块交界处温度、WALL-5代表内表面温度；夹心相变墙体中，WALL-1代表外表面温度、WALL-2代表外侧砂浆与砌块交界处温度、WALL-3、WALL-4分别代表中部砂浆与外、内两层砌块交界面温度、WALL-5代表内侧砂浆与砌块交界处温度、WALL-6代表内表面温度。

日期图3 外侧相变墙体各界面温度

日期图4 夹心相变墙体各界面温度

日期图5 内侧相变墙体各界面温度

表2展示了不同构造墙体内、外表面温度的峰值。图6和图7分别对比了不同构造墙体内表面和外表面温度。

日期图6 墙体内表面温度对比

日期图7 墙体外表面温度对比

表2 各墙体表面温度 ℃

表3对比了不同构造墙体内外表面温差平均值以及内表面热流密度的平均值。墙体图8所示为不同构造墙体内表面热流密度对比图。

日期图8 各墙体内表面热流密度

表3 各墙体热流密度

根据模拟计算结果，墙体外表面最高温度在14.11～14.24 ℃之间，最低温度为-5.02～-4.96 ℃之间；墙体内表面的最高温度范围为14.93～15.82 ℃，最低温度范围为14.05～14.40 ℃；墙体内表面热流密度平均值波动范围为27.83～29.36 W/m2。

计算结果表明，墙体的构造对其内表面温度具有较大影响，不同的墙体构造，室内热稳定性是不同的。

(1)外侧相变墙体。

普通墙体的外表面温度波动范围为-4.96～14.14 ℃，而相变墙体为-5.02～14.17 ℃；普通墙体内表面温度波动范围为14.05～15.81 ℃，而相变墙体为14.09～15.82 ℃，最低温度升高了0.04 ℃。通过对外侧相变墙体各界面的温度对比，温度峰谷值虽有波动，但幅度很小，说明外侧相变墙体对于墙体内表面温度的调控作用很小，室内热稳定性并未显著提升。

(2)夹心相变墙体。普通墙体外表面温度波动范围为-4.99～14.24 ℃，而夹心相变墙体为-5.01～14.24 ℃；普通墙体内侧表面温度波动范围为14.07～15.79 ℃，而夹心相变墙体为14.10～15.81 ℃，最低温度升高了约0.03 ℃。通过对夹心相变墙体各界面的温度对比，温度峰谷值虽有波动，但幅度很小，说明夹心相变墙体对于墙体内表面温度的调控作用较外侧相变墙体要好，但室内热稳定性也并未显著提升。

(3)内侧相变墙体。普通墙体外表面温度波动范围为-4.96～14.14 ℃，而内侧相变墙体为-4.99～14.11 ℃；普通墙体内侧表面温度波动范围为14.05～15.81 ℃，而相变墙体为14.40～14.93 ℃，特别是最低温度升高了0.35 ℃，相较于外侧和夹心相变墙体，墙体内表面最低温度提升明显，同时，内侧相变墙体内表面温度的波幅也明显降低，说明内侧相变墙体对室内温度的调节作用明显，室内热稳定性最优。

5 结论与讨论

相变材料的合理利用，能够有效提高建筑的室内热稳定性，降低建筑物的能源消耗。不同的相变墙体的构造，其室内热稳定性也不同。本文基于徐州地区冬季工况，通过ANSYS workbench软件，针对3种不同构造的相变墙体，模拟了其传热过程，分析了不同构造相变墙体的室内热稳定性。

(1)相变材料置于墙体外侧和中间位置时，墙体各界面的温度较普通墙体虽有变化，但幅度均较小，其中外侧相变墙体内表面最低温度较普通墙体仅升高了0.04 ℃，而夹心相变墙体内表面最低温度较普通墙体仅升高了0.03 ℃，说明外侧相变墙体和夹心相变墙体对于墙体内表面温度的调控作用很小，冬季工况下室内热稳定性并未显著提升。

(2)相变材料置于墙体内侧时，墙体各界面温度波动较普通墙体有明显变化，内表面最低温度升高了0.35 ℃，相较于外侧和夹心相变墙体，墙体内表面最低温度提升明显，同时，内侧相变墙体内表面温度的波幅也明显降低，说明内侧相变墙体对室内温度的调节作用明显，冬季工况下室内热稳定性最优。

究其原因，徐州冬季工况下，相变材料位于外侧和夹心位置时，由于该两处位置的墙体温度均较低，相变材料在大多数时间都未能发生相变，不能有效发挥相变材料蓄放热特性，因此对室内热稳定的调控作用不明显。而相变材料位于内侧时，内侧墙体温度较高，相变材料能充分相变，蓄放热特性能有效发挥，从而能更好地调节室内热稳定性。