極端熱濕氣候區(qū)相變屋頂隔熱性能優(yōu)化分析

景鵬飛，謝靜超，徐 鑫，張召鋒，崔 娜

(1.北京工業(yè)大學(xué) 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.陜西建工安裝集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710068；3.中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司，北京 100088)

極端熱濕氣候區(qū)是指某地近地表面的空氣溫度、相對(duì)濕度和太陽輻射參數(shù)的峰值和平均值常年處于地表極高值區(qū)間，是不適宜人居住的氣候區(qū)[1].我國(guó)南海諸島嶼位于北回歸線以南，皆屬于極端熱濕氣候區(qū)，其年輻射量超過6 500 MJ/m2.根據(jù)太陽能資源豐富程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)為1級(jí)，太陽資源最豐富.外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面受到的日曬時(shí)數(shù)和太陽輻射強(qiáng)度，以水平面為最大[2].所以，隔熱的重點(diǎn)在屋頂.對(duì)于有屋頂房間，通過屋面得熱占總得熱的40%～60%[3-4]，是房間南墻得熱的2.78倍[5].

由于公共建筑夏季建筑負(fù)荷和室外的輻照度在時(shí)間上具有“同步”特性[6]，而相變材料作為新型儲(chǔ)能材料，通過把相變過程中吸收或釋放的大量熱能儲(chǔ)存起來而實(shí)現(xiàn)能量的時(shí)空轉(zhuǎn)換[7]，因此相變儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為近年來可再生能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合相變材料能夠大幅提高其蓄熱性能，削弱室外環(huán)境波動(dòng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的不利影響[8].近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)相變材料的封裝方式、相變儲(chǔ)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能等進(jìn)行了大量的研究.付舜宇等[9]分析了影響相變材料儲(chǔ)放熱性能的因素，討論了相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)規(guī)則.結(jié)果表明：相變材料的應(yīng)用應(yīng)充分考慮與氣候環(huán)境的匹配性，選擇具有合適潛熱和相變溫度的相變材料才能使其發(fā)揮出最大效益.賈敬芝[10]對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用相變材料的超低能耗建筑進(jìn)行分析.結(jié)果表明：墻體、窗體及屋頂?shù)炔煌瑧?yīng)用形式均能減少室內(nèi)溫度的波動(dòng)，降低供暖、空調(diào)設(shè)備的容量.葉海等[11]搭建了彩鋼板輕質(zhì)縮尺模型室，將鋁箔袋封裝的相變材料貼附在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)壁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了相變材料在上海冬季的應(yīng)用效果.結(jié)果表明：相變材料對(duì)實(shí)驗(yàn)艙的調(diào)溫效果與天氣情況密切相關(guān).相變材料的使用使得溫度波動(dòng)幅度減小，提高了熱舒適時(shí)間百分比.羅振宇等[12]將不同相變溫度的定型相變板分別應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)房的內(nèi)外兩側(cè)，并對(duì)其夏季的隔熱特性進(jìn)行分析.結(jié)果表明：相變溫度較高的外層定性相變板，能夠很好地吸收太陽輻射的熱量，降低并延緩室內(nèi)溫度峰值.劉加平等[13]對(duì)熱濕地區(qū)的建筑防熱措施進(jìn)行了深入的文獻(xiàn)調(diào)研工作，探索了該地區(qū)建筑防熱技術(shù)的發(fā)展方向.結(jié)果表明：相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用前景.

本文針對(duì)極端熱濕氣候區(qū)的特點(diǎn)，通過風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)探究輻射強(qiáng)度及相變層厚度對(duì)相變隔熱屋頂熱工性能的影響機(jī)理，并利用Matlab數(shù)值模擬，進(jìn)一步確定適合該地區(qū)的應(yīng)用形式、相變層厚度及相變溫度，以期為熱濕地區(qū)相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在公共建筑的應(yīng)用提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)件制作

本次實(shí)驗(yàn)所用到的相變材料為導(dǎo)熱性能良好的石墨烯復(fù)合微膠囊，相變材料的DSC曲線如圖1示.

圖1 相變材料DSC測(cè)試結(jié)果

由曲線中可以看出，相變材料熔化過程的相變區(qū)間為22～33 ℃，凝固過程中為27～20 ℃，熔化外推起始溫度為27.49 ℃，凝固外推起始溫度為27.15 ℃.此外，熔化過程的峰值溫度和相變焓值分別為29.06 ℃和127.0 kJ/kg，凝固過程分別為26.53 ℃和129.1 kJ/kg.相變材料DSC從曲線中熱流曲線可以看出，相變材料在相變區(qū)間內(nèi)的吸/放熱量遠(yuǎn)大于非相變區(qū)間，即相變材料在相變區(qū)間內(nèi)的比熱容遠(yuǎn)大于非相變區(qū)間，這也正體現(xiàn)了相變材料具有良好的蓄熱能力.

相變構(gòu)件在厚度方向上分為相變層和隔熱層兩層，構(gòu)件上下表面及兩層分界面均使用玻纖維網(wǎng)格布分隔.其中相變添加在室外側(cè)，即借助相變材料的融化以防止輻射得熱傳入室內(nèi).根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)中對(duì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件大小的要求，制作了4塊相變構(gòu)件，實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的示意圖以及實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)構(gòu)件圖示

該相變構(gòu)件的尺寸如表1所示.相變層由水泥、沙子和相變微膠囊(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)構(gòu)成，其厚度分別選取0 mm、20 mm、30 mm及40 mm，隔熱層由粉煤灰和聚苯乙烯顆粒構(gòu)成，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，相變層導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/(m·k)，隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)為0.10 W/(m·k)，各構(gòu)件的隔熱層厚度均為40 mm.

表1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)件尺寸設(shè)定

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)剖面圖如圖3所示.風(fēng)洞內(nèi)表面無凸凹，可通過空調(diào)小室及入口段加熱器控制風(fēng)洞洞體內(nèi)的空氣溫度.風(fēng)洞平臺(tái)可控制的參數(shù)及精度如表2所示，為防止風(fēng)洞內(nèi)表面與試樣表面有過大的長(zhǎng)波輻射換熱，在風(fēng)洞內(nèi)表面貼鋁箔.為減少風(fēng)洞內(nèi)壁與外界的熱量傳遞，在風(fēng)洞外壁夾層內(nèi)設(shè)置40 mm厚的聚苯乙烯.

表2 試驗(yàn)工況表

圖3 熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)剖面圖

表2 風(fēng)洞平臺(tái)控制參數(shù)

在風(fēng)洞洞體內(nèi)，沿風(fēng)流動(dòng)方向布置有五個(gè)400 mm×400 mm的試樣槽位，每個(gè)試樣槽由“回”形槽和中心的稱重槽組成.稱重槽尺寸100 mm×100 mm，四周應(yīng)與“回”形槽有一定間隙.試樣上表面與風(fēng)洞內(nèi)表面平齊，構(gòu)成風(fēng)洞內(nèi)表面的一部分.實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)溫度控制范圍在20～40 ℃，垂直于試樣上表面輻射照度模擬控制范圍為0～1 000 W/m2，試樣上表面水平風(fēng)速控制范圍為0～5 m/s.通過連接數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)可監(jiān)控和記錄逐時(shí)的數(shù)據(jù).

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)測(cè)過程中在構(gòu)件的上下表面中心位置均布置了T型熱電偶用于測(cè)量屋頂內(nèi)外表面的溫度，其測(cè)量范圍為-25～100 ℃，精度為±0.5 ℃.在光源室下方布置了太陽總輻射傳感器用于測(cè)量加載的輻射強(qiáng)度，其型號(hào)為L(zhǎng)P PYRA 02，測(cè)量靈敏度為10 μv/(W/m2)，測(cè)量范圍為0～2 000 W/m2，光譜范圍(50%)為205～2 800 nm.將4塊構(gòu)件的四周均做保溫處理，并依次放入試樣槽，使其上表面與風(fēng)洞的內(nèi)表面平齊，實(shí)測(cè)過程示意圖及實(shí)景圖如圖4所示.

圖4 實(shí)測(cè)過程圖

實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

(1)在構(gòu)件上下表面布置熱電偶，構(gòu)件四周保溫處理.將構(gòu)件依次放入試樣槽，構(gòu)件上表面與風(fēng)洞內(nèi)表面齊平；

(2)設(shè)定上、下邊界溫度和水平風(fēng)速為工況給定值，待溫度穩(wěn)定后，開啟光源至某一輻射強(qiáng)度值開始實(shí)驗(yàn)(逐時(shí)邊界通過導(dǎo)入csv格式文件進(jìn)行自動(dòng)控制)；

(3)時(shí)間到達(dá)指定融化時(shí)長(zhǎng)后，關(guān)閉光源，開始凝固階段，凝固時(shí)間到達(dá)指定時(shí)長(zhǎng)后結(jié)束實(shí)驗(yàn).

1.4 實(shí)驗(yàn)工況

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定輻射強(qiáng)度分為恒定恒定輻射強(qiáng)度及逐時(shí)輻射強(qiáng)度，以西沙為例，恒定輻射強(qiáng)度根據(jù)該地區(qū)水平面上逐時(shí)太陽輻射強(qiáng)度的時(shí)均值等差選取了三個(gè)輻射強(qiáng)度值分別為223 W/m2、323 W/m2及423 W/m2；水平風(fēng)速的設(shè)定依次為自然對(duì)流、1 m/s、2 m/s及3 m/s；相變層厚度分別為0 mm、20 mm、30 mm及40 mm.為了使相變材料經(jīng)歷完整的熔化和凝固過程，融化時(shí)長(zhǎng)和凝固時(shí)長(zhǎng)各為12 h，風(fēng)洞洞體內(nèi)空氣溫度設(shè)定為低于相變溫度的20 ℃.

2 傳熱模擬

2.1 模型假設(shè)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，突出物理本質(zhì)，現(xiàn)對(duì)傳熱過程做如下假設(shè)：

(1)傳熱過程為一維傳熱，即只沿構(gòu)件的厚度方向傳熱；

(2)除相變材料在相變區(qū)間的等效比熱以外，其余熱物性參數(shù)均為常數(shù)；

(3)不考慮相變材料熔化時(shí)的自然對(duì)流以及凝固時(shí)的過冷現(xiàn)象.

2.2 傳熱方程及邊界條件

該問題為多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一維相變傳熱，其中相變材料的特性使用熱容法來表征，故而整體可用統(tǒng)一的控制方程來表示.

(1)

式中：ρ為各層材料的密度，kg/m3；cp為各層材料比熱容，J/(kg·K)；T為各層材料的溫度，℃；τ為時(shí)間，s；λ為層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；x為沿厚度方向的坐標(biāo)，m.

差分形式選擇外節(jié)點(diǎn)法，時(shí)間上的向后差分，空間上的中心差分.圍護(hù)結(jié)構(gòu)上表面為對(duì)流換熱與輻射換熱的綜合邊界，其邊界方程如下.

(2)

式中：qr為上表面接收的太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；hc1為上表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tf1為上表面空氣溫度，℃.

上表面邊界方程的差分形式如下.

(3)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)下表面為對(duì)流換熱邊界，其邊界方程如公式(4).

(4)

式中：hc2為下表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tf2為下表面空氣溫度，℃.

下表面邊界方程的差分形式如下.

(5)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)則設(shè)定統(tǒng)一溫度，初始條件如下.

τ=0,T(x,τ)=T0

(6)

初始條件的差分形式為

(7)

2.3 傳熱模型驗(yàn)證

大量研究表明，相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要考慮與氣候條件的匹配性，故本文對(duì)相變層的應(yīng)用形式、相變層厚度及相變溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，以期對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析.模擬將西沙逐時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度、室外空氣干球溫度、室外風(fēng)速氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入作為室外側(cè)邊界條件，室內(nèi)側(cè)空氣溫度設(shè)置為25 ℃.選取6月22日的氣象條件進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析和討論.計(jì)算從前一天開始進(jìn)行，以排除初始條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.6月22日的逐時(shí)氣象條件如圖5.

圖5 室外氣象條件

數(shù)值傳熱模型結(jié)果的準(zhǔn)確性需要使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.經(jīng)無關(guān)性驗(yàn)證最終確定時(shí)間步長(zhǎng)本研究時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，空間步長(zhǎng)為1 mm.圖6為數(shù)值傳熱模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的構(gòu)件外表面溫度的對(duì)比曲線.由圖中可以看出，兩條溫度曲線的變化趨勢(shì)相同.使用公式(8)對(duì)數(shù)值傳熱模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果這兩條曲線的均方根誤差進(jìn)行計(jì)算，RMSE=0.96 ℃，可認(rèn)為數(shù)值傳熱模型的計(jì)算結(jié)果可靠.

圖6 傳熱模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果外表面溫度對(duì)比

(8)

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1.1 輻射強(qiáng)度的影響

本次實(shí)驗(yàn)首先測(cè)試了垂直于構(gòu)件上表面三種輻射強(qiáng)度下四塊實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的融化和凝固過程.各輻射強(qiáng)度下相變構(gòu)件和非相變構(gòu)件的外表面溫度如圖7所示.

由圖中可以看出，各工況下的外表面溫度均呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)：融化過程開始后，由于輻射得熱的作用，構(gòu)件外表面溫度迅速升高并逐漸達(dá)到穩(wěn)定；凝固過程開始后，由于構(gòu)件表面與空氣之間溫差的作用，構(gòu)件外表面溫度迅速降低并逐漸穩(wěn)定.即溫升和溫降的速率在融化和凝固的起始階段較大，隨著融化和凝固過程的進(jìn)行而逐漸減小.

對(duì)比非相變構(gòu)件的溫度曲線可知，在融化階段起始的兩小時(shí)內(nèi)，不同輻射強(qiáng)度下非相變構(gòu)件外表面溫度平均升高了23.0 ℃，相變構(gòu)件平均升高21.7 ℃，融化階段結(jié)束時(shí)非相變構(gòu)件外表面溫度比相變構(gòu)件平均升高了1.7 ℃.在凝固階段起始的兩小時(shí)內(nèi)，相變構(gòu)件外表面溫度平均降低了23.3 ℃而非相變構(gòu)件外表面溫度平均降低24.0 ℃，即添加相變材料不僅降低了融化(凝固)起始階段的外表面升溫(降溫)速率同時(shí)也降低了外表面最終溫度.

對(duì)比同一構(gòu)件不同輻射強(qiáng)度的溫度曲線可知，增大輻射強(qiáng)度可增加融化和凝固初始階段的溫升速率，同時(shí)也增大了構(gòu)件外表面的最終溫度.由圖7(a)可以看出，當(dāng)垂直于構(gòu)件上表面的輻射強(qiáng)度為232 W/m2和432 W/m2時(shí)，融化過程約6 h和 8 h后溫度達(dá)到穩(wěn)定.即輻射強(qiáng)度增大時(shí)，外表面溫度到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加.

圖7 不同構(gòu)件外表面溫度

由圖8可以看出，各輻射強(qiáng)度下融化階段相變構(gòu)件和非相變構(gòu)件的內(nèi)外表面溫差變化均呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)：融化開始時(shí)溫差迅速升高至最大值，之后逐漸降低并達(dá)到穩(wěn)定.融化過程開始時(shí)，外表面溫度迅速升高，內(nèi)表面溫度由于構(gòu)件自身的延遲而并未快速響應(yīng)，從而溫差會(huì)迅速升高.待室外邊界影響到內(nèi)表面溫度后，內(nèi)外表面溫差則逐漸降低.

圖8 構(gòu)件內(nèi)外表面溫差

對(duì)比非相變構(gòu)件的溫差曲線可知，添加相變材料增大了內(nèi)外表面溫差，且增大了溫差到達(dá)峰值的時(shí)間，即添加相變材料延長(zhǎng)了內(nèi)表面溫度的響應(yīng)時(shí)間.對(duì)比同一構(gòu)件不同輻射強(qiáng)度的內(nèi)外表面溫差可知，當(dāng)垂直于構(gòu)件上邊面的輻射強(qiáng)度每增大100 W/m2時(shí)，相變構(gòu)件內(nèi)外表面溫差相應(yīng)增大約4 ℃，非相變構(gòu)件增大約0.8 ℃.

3.1.2 水平風(fēng)速的影響

如圖9為各風(fēng)速條件下相變層厚度為20 mm構(gòu)件的外側(cè)空氣綜合溫度及上下表面溫度.

圖9 風(fēng)速對(duì)構(gòu)件溫度的影響

由圖中可以看出，水平風(fēng)速對(duì)空氣綜合溫度的影響最為明顯，空氣綜合溫度的峰值出現(xiàn)在6 h左右.由圖9(a)中三條曲線對(duì)比可知，在得熱量從構(gòu)件外側(cè)傳遞到構(gòu)件內(nèi)側(cè)的過程中，溫度波幅會(huì)有相應(yīng)程度的衰減，且溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間也會(huì)有一定的延遲.這是因?yàn)闊崃吭趥鬟f時(shí)會(huì)被材料吸收從而導(dǎo)致了傳熱的衰減現(xiàn)象.對(duì)比不同風(fēng)速條件的曲線可知，增加風(fēng)速會(huì)降低外側(cè)空氣綜合溫度波幅，進(jìn)而使得構(gòu)件的外表面溫度波幅和內(nèi)表面溫度波幅降低.

3.1.3 相變層厚度的影響

如圖10為1 m/s風(fēng)速條件下不同相變層厚度構(gòu)件的外側(cè)空氣綜合溫度及內(nèi)外表面溫度.對(duì)比圖中不同相變層厚度的溫度曲線可以看出，增加相變層厚度對(duì)構(gòu)件外表面溫度波幅的影響較小，而對(duì)構(gòu)件內(nèi)表面溫度波幅的影響較大.當(dāng)相變層厚度由0 mm增加至40 mm時(shí)，外表面溫度波幅由62.0 ℃降為47.6 ℃，降低了23.2%，而內(nèi)表面溫度波幅由58.9 ℃降為32.0 ℃，降低了45.7%.

圖10 相變層厚度對(duì)構(gòu)件溫度的影響

3.1.4 傳熱衰減度與延遲時(shí)間

圖11為不同風(fēng)速工況、不同相變層厚度構(gòu)件的傳熱衰減度.傳熱衰減度即圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)綜合溫度的波幅與內(nèi)表面溫度波幅的比值.由圖中可以看出，不同風(fēng)速條件下，不同厚度的相變層均會(huì)明顯增大傳熱衰減度.隨著風(fēng)速的增加，傳熱衰減度的變化趨勢(shì)不明顯，結(jié)合風(fēng)速對(duì)構(gòu)件溫度影響的曲線可知，這是由于增加風(fēng)速會(huì)同時(shí)影響外側(cè)空氣綜合溫度和內(nèi)表面溫度.當(dāng)相變層厚度由20 mm增加至30 mm時(shí)，傳熱衰減度并未明顯增加，分析這是由于相變層厚度為30 mm時(shí)，相變過程仍然能夠完全發(fā)生，而當(dāng)相變層厚度為40 mm時(shí)，一部分相變材料并未發(fā)生相變，僅增加了構(gòu)件的厚度，因此傳熱衰減度明顯增大.當(dāng)風(fēng)速為3 m/s，相變層厚度為40 mm時(shí)，傳熱衰減度達(dá)到最大，最大為6.4.

圖11 傳熱衰減度

圖12為不同風(fēng)速工況、不同相變層厚度構(gòu)件的傳熱延遲時(shí)間.延遲時(shí)間即內(nèi)表面溫度波對(duì)外側(cè)綜合溫度的相應(yīng)滯后.由圖中可以看出，傳熱延遲時(shí)間隨風(fēng)速的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，傳熱延遲時(shí)間基本不再變化.當(dāng)風(fēng)速由自然對(duì)流增加到3 m/s時(shí)，各構(gòu)件的傳熱延遲時(shí)間平均減小0.7 h.傳熱延遲時(shí)間隨相變層厚度的增加而增加，但當(dāng)相變層厚度較大時(shí)，傳熱延遲時(shí)間隨相變層厚度的增加幅度較小.當(dāng)相變層厚度由0 mm增加至40 mm時(shí)，各風(fēng)速下的傳熱延遲時(shí)間平均增加1.6 h.

圖12 傳熱延遲時(shí)間

3.2 模擬結(jié)果與討論

3.2.1 分層形式的影響

將相變材料應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)中時(shí)，相變層可放置于室內(nèi)側(cè)或室外側(cè).為了討論分層形式對(duì)相變隔熱屋頂熱工性能的影響，傳熱模型中分別設(shè)置相變層在室外側(cè)和相變層在室內(nèi)側(cè)兩種形式，同時(shí)保持相變層和隔熱層的厚度不變，分別為20 mm和40 mm.以下將對(duì)兩種分層形式的外表面溫度、內(nèi)表面溫度進(jìn)行對(duì)比分析討論.

圖13(a)為兩種分層形式下屋頂外表面溫度.對(duì)比太陽輻射強(qiáng)度曲線圖可以看出，隨著屋頂室外側(cè)太陽輻射強(qiáng)度的增加，外表面溫度呈現(xiàn)明顯升高的趨勢(shì)，即太陽輻射對(duì)屋頂外表面溫度的影響效果明顯.當(dāng)相變層在室外側(cè)時(shí)，屋頂外表面峰值溫度較小，且屋頂外表面溫度波幅也較小.即相變層設(shè)置在室外側(cè)時(shí)，可借助相變材料的潛熱作用來降低屋頂外表面溫度.

圖13 不同分層形式的屋頂表面溫度

如圖13(b)為兩種分層形式下的屋頂內(nèi)表面溫度以及室外空氣綜合溫度.由圖中可以看出，屋頂內(nèi)表面溫度相對(duì)室外空氣綜合溫度有明顯的衰減和延遲.當(dāng)相變層在室外側(cè)時(shí)，屋頂?shù)膫鳠崴p度為2.91，內(nèi)表面峰值溫度為32.6 ℃；當(dāng)相變層在室內(nèi)側(cè)時(shí)，屋頂?shù)膫鳠崴p度為2.64，內(nèi)表面峰值溫度為34.2 ℃.因而，將相變層設(shè)置在室外側(cè)時(shí)，屋頂?shù)膫鳠崴p度較大，同時(shí)內(nèi)表面峰值溫度較小.

綜上，對(duì)比以上兩種分層形式可知，相變層在室外側(cè)時(shí)可更好地降低內(nèi)外表面溫度并增加傳熱衰減度.所以將相變層設(shè)置在室外側(cè)能使圍護(hù)結(jié)構(gòu)更好地應(yīng)對(duì)室外環(huán)境的波動(dòng)，起到隔熱的作用，以減小室外環(huán)境對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響.

3.2.2 相變層厚度的影響

當(dāng)相變層中相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí)，改變相變層厚度即代表改變了相變材料的用量.為了探究相變層厚度對(duì)相變隔熱屋頂熱工性能的影響，傳熱模型中分別設(shè)置10 mm、20 mm、30 mm和40 mm的相變層厚度，且隔熱層均為40 mm.以下將對(duì)各工況的外表面溫度、內(nèi)表面溫度和分界面溫度進(jìn)行對(duì)比分析討論.

圖14為不同相變層厚度下屋頂?shù)耐獗砻鏈囟?對(duì)比圖中曲線可知，隨著相變層厚度的增加，屋頂外表面溫度的波幅呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但變化效果不明顯，當(dāng)相變層厚度由10 mm增加至40 mm時(shí)，外表面溫度波幅從10.5 ℃降低至9.6 ℃.外表面溫度日均值不受相變層厚度影響，當(dāng)相變層厚度由10 mm增加至40 mm時(shí)，外表面溫度日均值一直保持在33.0 ℃.

圖14 屋頂外表面溫度

圖15為不同相變層厚度下屋頂?shù)膬?nèi)表面溫度及室外的空氣綜合溫度.由圖中可以看出，屋頂內(nèi)表面溫度相對(duì)室外空氣綜合溫度有明顯的衰減和延遲，且傳熱衰減度和傳熱延遲時(shí)間均隨相變層厚度的增加而增加.當(dāng)相變層厚度由10 mm增加至40 mm時(shí)，傳熱衰減度從2.38增加到了4.94.

圖15 屋頂內(nèi)表面溫度

圖16為不同相變層厚度下相變層與隔熱層分界面的溫度，其中兩條水平線為相變溫度區(qū)間.通過對(duì)分界面溫度與相變溫度的比較，可以判定相變層是否已經(jīng)完全液化或凝固.對(duì)比圖中各曲線可知，相變層厚度增加時(shí)，相變隔熱屋頂在蓄熱時(shí)完全液化的時(shí)間越晚，同時(shí)放熱時(shí)完全凝固的時(shí)間也越晚.但當(dāng)相變層厚度大于30 mm時(shí)，分界面溫度在夜間放熱時(shí)已無法降低至相變溫度區(qū)間以下，即相變材料在夜間不能完全釋放潛熱，因此相變層厚度不能大于30 mm.

圖16 分界面溫度

綜上，相變層厚度越大，內(nèi)外表面溫度波幅均會(huì)減小，且屋頂?shù)膫鳠崴p度和傳熱延遲時(shí)間均會(huì)增大，這使得屋頂更有利于隔熱.但是當(dāng)相變層厚度大于30 mm后，相變層將不能完全放熱，因此相變層合理的厚度應(yīng)為30 mm.

3.2.3 相變溫度的影響

相變材料雖然可以在相變過程中儲(chǔ)存大量潛熱，但是如果相變溫度區(qū)間選擇不恰當(dāng)時(shí)，就不能良好地發(fā)揮其潛熱的作用.因而相變溫度區(qū)間作為遴選相變材料時(shí)所需要考慮的重要參數(shù)之一，往往對(duì)相變材料的應(yīng)用效果有著巨大的影響.為了對(duì)比相變溫度區(qū)間對(duì)相變隔熱屋頂熱工性能的影響，傳熱模型中設(shè)置相變溫度區(qū)間為28～30 ℃、30～32 ℃、32～34 ℃、34～36 ℃、36～38 ℃和38～40 ℃的對(duì)比工況，同時(shí)保持其他參數(shù)不變.以下將選取三種相變溫度區(qū)間的結(jié)果進(jìn)行直觀對(duì)比，并對(duì)各工況的外表面溫度和內(nèi)表面溫度進(jìn)行分析討論.

如圖17 為不同相變溫度區(qū)間下屋頂?shù)谋砻鏈囟?由圖可知，由于相變溫度的不同，雖然各外表面溫度曲線在蓄熱升溫和放熱降溫的階段的變化速率不同，但當(dāng)溫度進(jìn)入各自的相變區(qū)間時(shí)，各外表面溫度曲線的升溫速率和降溫速率均會(huì)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).內(nèi)表面溫度隨相變溫度區(qū)間的變化趨勢(shì)與外表面溫度曲線相似.為了進(jìn)一步分析相變溫度區(qū)間的影響，圖18中列出了各工況下屋頂?shù)膫鳠崴p度，對(duì)比可知，由于相變溫度區(qū)間的變化影響了內(nèi)表面溫度的波幅，所以當(dāng)相變溫度區(qū)間升高時(shí)，傳熱衰減度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).在相變溫度區(qū)間處于34～36 ℃時(shí)傳熱衰減度達(dá)到峰值4.7.

圖17 不同相變溫度區(qū)間的表面溫度

圖18 不同相變溫度區(qū)間的屋頂傳熱衰減度

綜上可知，相變潛熱會(huì)使得內(nèi)外表面溫度在進(jìn)入相變區(qū)間時(shí)升溫和降溫的速率減小，故而改變相變溫度區(qū)間會(huì)改變溫度曲線的走向，進(jìn)而改變內(nèi)外表面的溫度波幅.如圖17所示，當(dāng)相變溫度區(qū)間處于34～36 ℃時(shí)傳熱衰減度達(dá)到最大值，即該工況下相變隔熱屋頂?shù)母魺嵝Ч詈?

4 結(jié)論

本文利用熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了作為相變隔熱屋頂?shù)膽?yīng)用形式下相變構(gòu)件的熱性能，探究不同輻射強(qiáng)度、水平風(fēng)速及相變層厚度對(duì)隔熱性能的影響規(guī)律，并通過Matlab數(shù)值模擬進(jìn)一步確定了適合該極端熱濕氣候區(qū)的屋頂形式、相變層厚度及相變溫度.主要結(jié)論如下：

(1)相變層可明顯增大屋頂內(nèi)外表面溫差，增大輻射強(qiáng)度可增加融化和凝固初始階段的外表面溫升速率；增大水平風(fēng)速可以明顯降低傳熱的延遲時(shí)間而對(duì)傳熱衰減度的影響不明顯；

(2)相變層在室外側(cè)時(shí)可更好地提高屋頂?shù)膫鳠崴p度，相變層合理的厚度應(yīng)為30 mm，當(dāng)相變層厚度大于30 mm后，屋頂分界面溫度在夜間放熱時(shí)已無法降低至相變溫度區(qū)間以下，即相變層將不能完全放熱；

(3)改變相變溫度區(qū)間會(huì)改變內(nèi)外表面的溫度曲線的走向，進(jìn)而改變溫度波幅從而影響屋頂?shù)膫鳠崴p度.當(dāng)相變溫度區(qū)間處于34～36 ℃時(shí)傳熱衰減度最大，隔熱效果最好.