于靖華 陶俊威 葉虹 楊清晨 田利偉

1 華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

將相變材料應(yīng)用在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，利用相變可以阻隔大量室外熱量進(jìn)入室內(nèi)。將通風(fēng)措施結(jié)合到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，可以利用風(fēng)壓和熱壓的作用起到隔熱的效果。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這兩方面的研究有很多，而關(guān)于相變與通風(fēng)相結(jié)合應(yīng)用到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究較少，H .B.Gunay[1]對(duì)裝有空心樓板房間的熱響應(yīng)做了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)空心板內(nèi)加入相變材料后，房間內(nèi)的峰值負(fù)荷顯著減少。Ahmed Faheem[2]將微封裝相變材料（mPCM）結(jié)合到預(yù)制通風(fēng)空心樓板中，采用CFD 數(shù)值模擬軟件模擬計(jì)算了相變溫度和通風(fēng)速度對(duì)該相變通風(fēng)樓板冷卻性能的影響，結(jié)果表明通風(fēng)速度對(duì)樓板冷卻潛力的影響較大?？灯G兵[3]將相變板放置在房間吊頂和樓板之間，同時(shí)在夜間對(duì)相變板進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用相變板可以提高屋面的蓄冷能力，室內(nèi)溫度明顯下降。

本文提出了一種定型相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)，主要由相變材料和混凝土空心板組成，夜間空心樓板內(nèi)通入室外涼風(fēng)，可以帶走相變材料釋放的熱量，解決相變屋面中相變材料散熱困難這一問(wèn)題，對(duì)建筑節(jié)能具有重要的意義。本文利用CFD 數(shù)值模擬軟件研究了該定型相變通風(fēng)屋面最優(yōu)的相變材料厚度，相變溫度，空腔通風(fēng)策略和空腔大小，對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)和推動(dòng)作用。

1 物理模型

本文研究的定型相變通風(fēng)屋面為一種中間層定型相變通風(fēng)屋面，其主體結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制混凝土空心板和定型相變材料構(gòu)成，從外至內(nèi)分別為保護(hù)層，防水層，找平層，找坡層，相變材料層和空心樓板，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于空心樓板各空腔之間的傳熱具有對(duì)稱性，取預(yù)制混凝土空心樓板中間的一個(gè)空腔作為研究對(duì)象，即取整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)中的一部分來(lái)進(jìn)行模擬研究，這一部分的寬度為 104 mm，其左右兩側(cè)的邊界可以設(shè)定為絕熱邊界條件。中間層定型相變通風(fēng)屋面模型各層材料的厚度和熱物性參數(shù)如表1 所示，整個(gè)屋面縱向的長(zhǎng)度為4200 mm。本文選取的定型相變材料是由石蠟類相變材料與高密度聚乙烯、膨脹石墨熔融共混而成的，其中石蠟占比 85%，石蠟的溶解熱為189 kJ/kg[4]，根據(jù)文獻(xiàn)[5]可計(jì)算出定型相變材料的溶解熱，為 160.65 kJ/kg。

圖1 中間層定型相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)

表1 定型相變通風(fēng)屋面模型各層材料的厚度和熱物性參數(shù)

本文采用 CFD 數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)圖 2所示的結(jié)構(gòu)示意圖，利用 ICEM CFD 軟件建立三維幾何模型并劃分網(wǎng)格。在Fluent 軟件中利用壓力求解器和非穩(wěn)態(tài)算法來(lái)進(jìn)行求解計(jì)算，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，能量方程，DTRM 輻射模型和 Solidification &Melting 的模型來(lái)進(jìn)行傳熱計(jì)算。

圖2 中間層定型相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)三維模型

2 邊界條件設(shè)置

由于空腔傳熱的對(duì)稱性，將相鄰兩空腔中間界面設(shè)置為絕熱面，即將圖1 中模型的左右兩側(cè)邊界設(shè)置為絕熱邊界條件。空腔入口設(shè)為速度進(jìn)口，速度由UDF 程序控制，空腔出口為自由出流，出入口截面的其他邊界面設(shè)為絕熱邊界條件?？涨粌?nèi)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)策略來(lái)控制通風(fēng)時(shí)間，該通風(fēng)策略是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿管長(zhǎng)方向中心空腔斷面最低點(diǎn)的溫度，并與室外空氣干球溫度做對(duì)比，當(dāng)室外空氣干球溫度高于該點(diǎn)溫度時(shí)，空腔內(nèi)不通風(fēng)，當(dāng)室外空氣干球溫度低于該點(diǎn)溫度時(shí)，空腔內(nèi)通風(fēng)。將屋面內(nèi)外表面設(shè)置為第三類邊界條件，屋面內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)取 8.72 W/(m2· K)[6]，室內(nèi)溫度設(shè)置為恒溫 26 ℃，屋面外表面與室外空氣對(duì)流換熱系數(shù)取23.26 W/(m2· K)[6]，室外溫度設(shè)置為武漢市夏季典型日室外空氣綜合溫度tz。武漢市夏季典型日室外空氣綜合溫度和室外空氣干球逐時(shí)溫度如圖3 所示。

圖3 武漢市夏季典型日室外空氣溫度條件

3 影響因素分析

3.1 相變材料厚度和相變溫度

本節(jié)在通風(fēng)速度為 1.0 m/s 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)策略的前提條件下，模擬研究了不同相變材料厚度（20 mm、25 mm、30 mm）和相變溫度（32～34 ℃、33～35 ℃、34～36 ℃、35～37 ℃）對(duì)中間層定型相變通風(fēng)屋面內(nèi)表面逐時(shí)溫度，屋面熱工性能以及相變材料潛熱利用率的影響，其變化趨勢(shì)如圖4 和表2 所示。其中非相變通風(fēng)屋面是一種將相變材料層替換為 30 mm 厚的混凝土層，同時(shí)空腔內(nèi)不通風(fēng)的屋面模型。

圖4 不同相變材料厚度和溫度下中間層定型相變通風(fēng)屋面內(nèi)表面逐時(shí)溫度

表2 不同相變材料厚度和溫度下中間層定型相變通風(fēng)屋面熱工性能

隨著相變材料厚度的增加，屋面內(nèi)表面平均溫度逐漸降低，不同相變材料厚度下的最適宜相變溫度為33～35 ℃或34～36 ℃，這兩種相變溫度下屋面內(nèi)表面的平均溫度較低，溫度波幅較小，衰減系數(shù)也較小。當(dāng)相變材料厚度為20 mm 時(shí)，相變材料的平均潛熱利用率達(dá)到了 100%，厚度過(guò)低無(wú)法有效降低屋面內(nèi)表面溫度。當(dāng)相變材料厚度為30 mm 時(shí)，相變材料的平均潛熱利用率只有75.32%，有大部分相變材料沒(méi)有得到有效利用，經(jīng)濟(jì)性差。綜合對(duì)比屋面熱工性能和相變材料潛熱利用率，在 1.0m/s 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)策略下，對(duì)于中間層定型相變通風(fēng)屋面，最適宜的相變材料厚度為 25 mm，同時(shí)最佳的相變溫度為 33～35 ℃或34～36 ℃，在最佳相變材料厚度和相變溫度的工況下，相比于非相變通風(fēng)屋面，屋面內(nèi)表面最高溫度降低了3.15 ℃、3.27 ℃，平均溫度降低了1.49 ℃、1.50 ℃，衰減系數(shù)降低了0.164、0.166，延遲時(shí)間增長(zhǎng)了3～4 小時(shí)。

3.2 空腔通風(fēng)策略

選定相變材料厚度為 25 mm，相變的溫度為33～35 ℃或 34～36 ℃兩種工況，研究不同通風(fēng)速度下（0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s）的通風(fēng)策略對(duì)定型相變通風(fēng)屋面熱工性能以及相變材料潛熱利用率的影響。

不同通風(fēng)速度下中間層定型相變通風(fēng)屋面內(nèi)表面逐時(shí)溫度和空腔通風(fēng)時(shí)間如圖5 和圖6 所示，屋面熱工性能和潛熱利用率如表 3 所示。當(dāng)相變溫度為33～35 ℃時(shí)，隨著通風(fēng)速度從0.5 m/s 增大到2.5 m/s，屋面內(nèi)表面平均溫度降低了0.35 ℃，而且降低的幅度逐漸變小，衰減系數(shù)隨風(fēng)速的增大逐漸降低，趨于0.029，延遲時(shí)間增長(zhǎng)了 2 小時(shí)，相變材料的潛熱利用率則上升的較為明顯，增幅達(dá)14.40%。在通風(fēng)時(shí)間方面，從 8 小時(shí)逐漸降低到 6 小時(shí)。而當(dāng)相變溫度為34～36 ℃時(shí)，隨著通風(fēng)速度的增大，屋面內(nèi)表面平均溫度在逐漸降低，而屋面內(nèi)表面溫度波幅、衰減系數(shù)在逐漸升高，相變材料的潛熱利用率不升反降，是因?yàn)樵谠撉闆r下當(dāng)通風(fēng)速度增大后，相變材料在夜間儲(chǔ)存的顯熱冷量逐漸增多，導(dǎo)致相變材料在白天吸收的熱量減少，影響了相變材料的融化效果。

表3 不同通風(fēng)速度下屋面熱工性能

圖5 相變溫度為33～35 ℃時(shí)不同通風(fēng)速度下中間層定型相變通風(fēng)屋面逐時(shí)溫度和空腔通風(fēng)時(shí)間

圖6 相變溫度為34～36 ℃時(shí)不同通風(fēng)速度下中間層定型相變通風(fēng)屋面逐時(shí)溫度和空腔通風(fēng)時(shí)間

故對(duì)于中間層定型相變通風(fēng)屋面，當(dāng)相變材料厚度為25 mm、相變溫度為33～35 ℃時(shí)，隨著空腔內(nèi)通風(fēng)速度的增大，屋面的隔熱性能越來(lái)越好。將該工況下屋面平均溫度與通風(fēng)速度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線如下圖7 所示。從該擬合曲線可以看出，隨著通風(fēng)速度的增大，屋面內(nèi)表面平均溫度降低速度逐漸變小，根據(jù)擬合公式可知，當(dāng)通風(fēng)速度為2.5 m/s 時(shí)，中間層定型相變通風(fēng)屋面內(nèi)表面平均溫度的降低速度接近于0。故中間層定型相變通風(fēng)屋面最佳的通風(fēng)速度為2.5 m/s。

圖7 中間層定型相變通風(fēng)屋面內(nèi)表面平均溫度隨通風(fēng)速度變化曲線

3.3 空腔大小

根據(jù)前兩節(jié)的研究結(jié)果，選擇相變層的厚度則為25 mm、相變溫度為 33～35 ℃的模型作為研究對(duì)象，空腔內(nèi)通風(fēng)速度為2.5 m/s。保持空腔內(nèi)風(fēng)量不變，改變空腔半徑，空腔半徑為35 mm 時(shí)風(fēng)速為 3.265 m/s，空腔半徑為45 mm 時(shí)風(fēng)速為 1.975 m/s。定風(fēng)量不同空腔大小下中間層定型相變通風(fēng)屋面內(nèi)表面的逐時(shí)溫度如圖8 所示，屋面的熱工性能如表4 所示。

圖8 定風(fēng)量不同空腔大小下屋面內(nèi)表面逐時(shí)溫度

表4 定風(fēng)量不同空腔大小下屋面熱工性能

隨著空腔大小的增加，風(fēng)量不變，空腔內(nèi)風(fēng)速變小，屋面內(nèi)表面的最高溫度、最低溫度和平均溫度均在變小，溫度波幅逐漸變大，衰減系數(shù)也在變大。這是因?yàn)楫?dāng)空腔大小變大時(shí)，在空腔內(nèi)不通風(fēng)時(shí)，屋面的隔熱性能更好一些，使得屋面內(nèi)表面的溫度逐漸變小。當(dāng)空腔半徑為40 mm 時(shí)，相變材料的平均潛熱利用率最大，為 89.72%。根據(jù)《中南地區(qū)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖集》[7]，在預(yù)制混凝土空心樓板厚度為120 mm 時(shí)，為了滿足樓板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、強(qiáng)度要求，適宜的空腔半徑為 40 mm。故當(dāng)相變材料厚度為25 mm、相變溫度為 33～35 ℃時(shí)，同時(shí)采用通風(fēng)速度為2.5 m/s 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)策略，中間層定型相變通風(fēng)屋面最佳的空腔半徑大小為40 mm。

4 小結(jié)

本文在武漢市夏季典型日室外氣候條件下，選取相變潛熱為 160.65 kJ/kg 的復(fù)合定型相變材料，模擬研究了不同相變溫度，相變材料厚度，空腔通風(fēng)速度和空腔大小對(duì)中間層定型相變通風(fēng)屋面熱工性能和相變材料潛熱利用率的影響，模擬結(jié)果表明：對(duì)于中間層定型相變通風(fēng)屋面，最優(yōu)的屋面結(jié)構(gòu)為相變材料厚度為 25 mm、相變溫度為 33～35 ℃、通風(fēng)速度為 2.5 m/s，空腔半徑為 40 mm，此工況下屋面內(nèi)表面平均溫度最低，為 29.53 ℃，相變材料潛熱利用率最高，為89.72%。相比于非相變通風(fēng)屋面，屋面內(nèi)表面最高溫度降低了3.38 ℃，內(nèi)表面平均溫度降低了 1.68 ℃，衰減系數(shù)降低了0.167，延遲時(shí)間增長(zhǎng)了4 小時(shí)。