华中科技大学      朱娜   吴孟都   胡平放   李珊珊   胡乃帅

摘   要：为对双层相变墙体的结构进行优化，本文对四种不同结构的双层相变墙体在武汉某房间冬夏季运行工况进行了模拟。结果显示：夏季空调情况，四种相变结构对室内热舒适性均无显著改善；冬季空调情况，低温相变层位于室内时室内热舒适性有显著改善；夏季非空调情况，高温相变层位于室内时室内热舒适性显著改善；冬季非空调情况，低温相变层位于室内时室内热舒适性有显著提升。

关键词：双层定型相变墙体；相变墙体一维传热模型；室内热环境

       0    引言

       近年来随着我国经济的快速发展，人民生活水平日益提高，尤其是在居住方面，人们对建筑物的要求从满足基本的生活、工作需求，上升到了对室内环境热舒适性的追求。相变墙体是目前备受关注的利用潜热进行储能来提高室内热舒适性的一种新型建筑围护结构。
       国外对相变材料的研究起步较早，最初是研究其在建筑制冷和供热系统中的应用，直到上世纪80年代左右开始关注相变材料在建筑围护结构上的应用^[1]。Izquierdo-Barrientos等^[2]建立了相变墙体一维传热模型。采用西班牙马德里地区夏季和冬季典型气象数据，对不同相变材料位置、不同墙体方向、不同相变温度的相变墙体传热过程进行模拟。模拟结果发现与非相变墙体相比，相变墙体并不总是能减小冬季/夏季的总负荷。

       Ibanez等^[3]利用TRNSYS软件建立了单层相变材料墙体房间的模型，模拟结果通过实验进行了验证。并将该TRNSYS模型应用于西班牙列伊达地区一个实际工程，通过模拟结果给出了这个具体案例中相变材料安装位置、相变潜热和相变温度的建议值。

       Pasupathy和Velraj^[4]对双层相变材料安装在屋面上的情况进行了建模和实验验证，采用印度金奈地区气象数据进行全年工况的模拟，结果显示这种双层相变材料可以在全年发挥作用，并且能够显著地改善室内环境热舒适性。

       近二十年，国内对相变材料在建筑围护结构中的应用也有了一定的研究。周淳婻等^[5]用焓法对Stefan问题即固液相变问题进行了求解，为相变材料的应用提供了理论支持。郭英奎等^[6]利用等效一维均质相变材料模型对计算复杂的相变复合材料瞬态导热过程进行简化，并分析了这种简化方法的可行性和适用条件。陈林辉等^[7]对求解固液相变问题的热焓法、显热容法+NDM和显热容+ADM的收敛性和误差进行了比较，发现热焓法计算误差最小且收敛性最好。

       朱娜等^[8-12]针对低、高温相变材料分别安装于基础墙体室内、外侧的双层定型相变墙体应用于空调房间的节能效果进行了研究。研究发现，在我国典型气候区，该结构冬季都能显著降低热负荷，但夏季节能效果普遍不明显。

       既有研究表明在适当条件下，在空调房间应用双层相变墙体可以有效减小空调的能耗。但此前只对空调情况下单一结构的双层相变墙体房间进行了研究。因此研究双层相变墙体结构的改变是否能改善室内热舒适性有一定意义。本文使用TRNSYS对四种典型结构的双层相变墙体房间及其对应参考墙体房间建立了对应的稳态传热模型，通过室内温度的模拟结果对热舒适性进行分析，得出热舒适性最佳的双层相变墙体结构。

2   数值模拟

2.1   房间结构及参数

       本文建立了4个标准1.2m×1.2m×1.2m（长×宽×高）的测试房间模型，除在南外墙布置双层相变材料外，其它外墙均为基础墙。基础墙从室外到室内各层依次为厚度1mm的彩钢板、厚度75mm的EPS板、厚度1mm的彩钢板，表1为各层材料的热物性参数。模拟采用的相变材料的厚度均为10mm，热物性参数见表2。本文对4种结构的相变墙体进行了研究。

表1   基础墙体各层热物性参数

表2   相变材料热物性参数

（a）相变结构一	（b）相变结构二
（c）相变结构三	（d）相变结构四
图1   相变墙体结构示意图

       为体现相变材料层的相变对负荷和室内温度的影响，本文将分别以带有两个增加层的基础墙体作为参照，增加层具备和对应的相变结构处于非相变状态时相同的热物性参数和几何尺寸，本文称这种墙体为参照墙体，采用参照墙体的房间称为参考房间。

       2.2   数学模型

       本文采用有效热容法对相变材料的传热过程进行分析。等效比热容可以由式（1）计算：

       式中：C为热容（J/(kg•K)）；q为潜热（kJ/kg）；

       t为温度（℃）；下角标：pc表示相变；p表示液态或固态。

       以结构二为例介绍其传热模型的建立过程，墙体传热的控制方程是：

       其中：n=1代表靠室外一侧的第一层彩钢板层，n=2代表EPS板层（绝热层），n=3代表靠室内一侧的彩钢板层，n=4代表高温相变材料层PCM1，n=5代表低温相变材料层PCM2。

       边界条件：当x=0时，

       当x=L时，

       式（2~4）中：ρ为密度（kg/m3）；C为热容（J/(kg·K)）；t为温度（℃）；τ为时间（h）；λ为导热系数（W/(m·K)）；x为坐标（m）；h为对流换热系数（W/(m2·K)）；q为辐射得热（W/m2）；下角标：n表示层数；amb表示环境；int表示室内；rad表示辐射。

图2   结构二传热模型示意图

       本文使用TRNSYS建立模型。模型中起核心作用的部件是type56多区建筑部件和type204相变材料部件，两个部件之间的连接是建立模型的关键。参考孟二林等人[10]的方法，通过在type56中引入一个假想的区域实现相变材料部件和多区建筑部件的连接。

       3    不同结构墙体对房间热舒适性的影响

       3.1   开启空调下热舒适性分析

       3.1.1   夏季室内温度变化分析

       选取时间段8月2日0:00至8月3日0:00。每天 7：00至17:00开启空调制冷，温度设定为26℃，制冷量360kJ/h，室内温度设定值为26℃，空调COP值为3.5。

       图3（a）、（c）所示是相变结构一、三及对应参考房间的温度变化。白天相变房间和参考房间的室内温度都保持在26℃；夜间室内温度的波动幅度略小于参考房间温度波动幅度，但差别并不大。图3（b）、（d）是相变结构二、四及对应参考房间的温度变化。白天相变房间和参考房间的室内温度都保持在26℃；夜间室内温度最小值相对参照房间提高了1℃左右，波动幅度比参考房间稍小。

（a）	（b）
（c）	（d）
图3   夏季开启空调情况下四种相变结构及其参考房间室内温度变化曲线

       图4是夏季四种相变房间的室内温度对比。可以发现，在夏季白天室内开启空调的前提下，四种双层相变墙体房间的室内温度波动情况基本类似，温差最大也仅1℃左右。

       综上，四种双层相变墙体结构对夏季白天开启空调情况下室内热舒适性均无显著改善。

图4   夏季开启空调情况下四种相变房间室内温度变化曲线

       3.1.2   冬季室内温度变化分析

       选取时间段1月24日0:00至1月25日0:00。7:00至17:00开启空调制热，温度设定为18℃，制热量540kJ/h，室内温度设定值为18℃，空调COP值为3.7。

       图5（a）、（b）是相变结构一、二和对应参考房间室内温度变化曲线。相变房间和参考房间的室内温度波动明显减小，热舒适性提高。图5（c）、（d）是相变结构三、四和对应参考房间室内温度变化曲线。相变房间和参考房间的室内温度波动相比只是稍有提高，热舒适性没有太大改善。

（a）	（b）
（c）	（d）
图5   冬季开启空调情况下四种相变结构及其参考房间室内温度变化曲线

       图6是四种相变结构房间的室内温度变化曲线。可以看到：相变结构三和相变结构四温度变化曲线比较接近且温度波动很大，其中相变结构四波动幅度更大；相变结构一和相变结构二温度波动情况接近，波幅较小，其中相变结构二波动更小。故冬季气象条件下，四种结构中相变结构二热舒适性最好，相变结构四热舒适性最差。

       综上，合适的双层相变墙体结构可以对冬季白天开启空调情况下夜间室内热舒适性有显著改善。

图6   冬季开启空调情况下四种相变房间室内温度变化曲线

       3.2   非空调情况下热舒适性分析

       3.2.1   夏季室内温度变化分析

       选取时间段为8月4日0:00至8月4日0:00，空调制冷关闭。

       图7（a）和（c）反映的是相变结构一、三房间及对应参照房间在不开启空调情况下室内温度的变化情况。可以看到相变房间室内温度的波动几乎与参照房间完全一致。图7（b）和（d）是相变结构二、四房间及对应参照房间在不开启空调情况下室内温度的变化情况。相变房间室内温度的波幅相对参照房间明显减小，热舒适性得到了显著的提高。

（a）	（b）
（c）	（d）
图7   夏季关闭空调情况下相变房间及其参考房间室内温度变化曲线

       图8是不开启空调时四种相变结构房间的室内温度波动情况的比较。其中相变结构一、三温度波动幅度很大，热舒适性差；结构四温度波动幅度最小，热舒适性最好；相变结构二温度波动幅度比结构四稍大，但相对其它两种结构，热舒适性也有明显提高，这是因为结构四和结构二中低温相变层在围护结构中的位置一致。

       综上，合适的双层相变墙体结构可以对夏季白天非空调情况下房间热舒适性有显著改善。

图8   夏季开启空调情况下四种相变房间室内温度变化曲线

       3.2.2   冬季室内温度变化分析

       选取时间段1月22日0:00至1月23日0:00，关闭空调制热。

       图9（a）和（b）是相变结构一、二房间及其参照房间在冬季不开启空调制热情况下室内温度的变化情况。图中可见相变房间室内温度的波幅相对参照房间明显减小，热舒适性得到了明显提高。图9（c）和（d）是冬季相变结构三、四房间及对应参照房间在不开启空调制热情况下室内温度的变化情况。可见这两种相变房间温度波动和参考房间只是稍有改善，热舒适性没有显著的提高。

（a）	（b）
（c）	（d）
图9   冬季关闭空调情况下相变房间及其参考房间室内温度变化曲线

       图10是冬季不开启空调时四种相变结构房间的室内温度波动情况的比较。其中相变结构一和相变结构二温度波动基本一致，波幅较小，热舒适性好；相变结构三和相变结构四温度波动也基本一致，波幅较大，热舒适性差。

综上，合适的双层相变墙体结构可以对冬季非空调情况下室内热舒适性有显著改善。

图10   冬季开启空调情况下四种相变房间室内温度变化曲线

       4   结论

       本文对四种不同结构的双层相变材料墙体空调房间在冬夏季空调和非空调情况进行了模拟分析，得到结论：

     （1）夏季空调情况下，四种相变结构对夜间室内热舒适性均无显著改善；冬季空调情况下，当低温相变层位于室内一侧时，夜间室内热舒适性有显著改善。

     （2）夏季非空调情况下，高温相变层位于室内一侧时室内热舒适性得到显著改善；冬季非空调情况下，当低温相变层位于室内一侧时室内热舒适性有显著提升。

参考文献

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       [3] Manuel Ibanez,Ana Lazaro,Belen Zalba,Luisa F. Cabeza. An approach to the simulation of PCMs in building applications using TRNSYS[J]. Applied Thermal Engineering ,2005,25:1796–1807.

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       [13]Kreith F (Ed.), Mechanical Engineering Handbook [M]. CRC press,1999.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年7月刊总第23期。
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