雙層相變通風(fēng)屋面的影響因素研究

冷康鑫，于靖華，楊清晨，趙金罡

(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，能源消耗的需求持續(xù)增長.我國能源結(jié)構(gòu)長期以煤炭等化石能源為主[1]，煤炭在生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的CO2、SO2等氣體是溫室效應(yīng)和大氣污染的主要來源，對生態(tài)環(huán)境的影響日益突出.在節(jié)能減排能源戰(zhàn)略的大背景下，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新提高能源利用效率，發(fā)展高效清潔能源是我國能源研究領(lǐng)域的重點(diǎn).

屋面?zhèn)鳠崾墙ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的重要組成部分，接收太陽輻射得熱最多.加強(qiáng)屋面保溫節(jié)能性能對建筑造價(jià)影響不大,節(jié)能效益卻很明顯.目前，應(yīng)用較多的屋面節(jié)能技術(shù)是通過改進(jìn)傳統(tǒng)屋面的建筑結(jié)構(gòu)，降低傳熱系數(shù)以減少屋面?zhèn)鬟f至室內(nèi)的熱量，例如保溫隔熱屋面、倒置屋面、蓄水屋面和綠化屋面等[2].近年來，相變材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)而備受關(guān)注，將相變材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)日益成為節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

相變材料在蓄熱過程中存在潛熱利用率低、蓄熱效率差等問題，為了增加相變材料的蓄熱量并減少相變材料在放熱過程中傳遞至室內(nèi)的熱量，國內(nèi)外學(xué)者在相變蓄熱技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了通風(fēng)層，使相變材料的潛熱得到充分利用.同時(shí)，夜間通風(fēng)也能有效提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能[3-4].Evola等[5]在PCM墻板和隔墻之間增加了一個(gè)狹窄的空腔，有效提高了薄墻板微膠囊化相變材料的有效性.Gonzalo等[6]提出了一種在外墻包含PCM的主動(dòng)通風(fēng)式立面，與傳統(tǒng)墻面相比帶有PCM的通風(fēng)幕墻的熱慣性和熱響應(yīng)均有提高.胡志鵬等[7]提出將通風(fēng)節(jié)能墻板與含有相變材料的石膏板結(jié)合，在CFD軟件中構(gòu)建數(shù)值模型以研究其熱工性能.劉江等[8]運(yùn)用EnergyPlus數(shù)值模擬軟件研究了相變通風(fēng)技術(shù)在西安地區(qū)典型辦公建筑不同季節(jié)的應(yīng)用情況.謝靜超等[9]將相變構(gòu)件與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合，測試了不同風(fēng)速下相變材料的蓄熱性能，提高送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度可提高相變材料液化過程中的平均熱流.張磊等[10]對某高校宿舍樓的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用蓄熱通風(fēng)技術(shù)的房間,相變材料表面溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)壁面溫度.Prabhakar等[11]通過模擬研究發(fā)現(xiàn)采用基于溫度控制的夜間自然通風(fēng)可使相變材料的利用效率得到大幅提升.Mechouet等[12]將機(jī)械通風(fēng)與相變外墻相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)可顯著提升室內(nèi)熱舒適度，降低冷負(fù)荷，并縮短相變材料投資的回收期.

現(xiàn)已有較多學(xué)者將相變材料與通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中以降低空調(diào)負(fù)荷，但將相變材料與夜間通風(fēng)耦合應(yīng)用于屋面的研究較少；且多為分析特定氣象日的空調(diào)負(fù)荷，對屋面全年熱工特性的研究較少.本文提出雙層相變通風(fēng)屋面，該屋面的主體結(jié)構(gòu)是在普通預(yù)制混凝土空心屋面的基礎(chǔ)上增加了兩層相變材料.本文用熱阻熱容方法建立了相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)的簡化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型，并利用TRNSYS軟件模擬相變通風(fēng)屋面的全年工況，以相變材料利用率和空調(diào)負(fù)荷為評價(jià)指標(biāo)分析其熱性能，并對該屋面相變材料的相變溫度、相變層厚度和通風(fēng)速度做出優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 模型建立

1.1 雙層相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)

雙層相變通風(fēng)屋面是集相變儲(chǔ)能技術(shù)和通風(fēng)技術(shù)于一體的新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮相變材料單位體積儲(chǔ)熱量高的特點(diǎn)，有效提高屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，并降低室外氣候變化對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生的影響，從而減少空調(diào)能耗.雙層相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)如圖1所示.結(jié)構(gòu)層尺寸參照《預(yù)應(yīng)力混凝土空心板02G09》圖集中單個(gè)YKB4262型預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的尺寸.

圖1 雙層相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)示意圖

該屋面的結(jié)構(gòu)從上至下依次為保護(hù)層、保溫層、高溫相變層、找平層、空心板結(jié)構(gòu)層(通風(fēng)層)、低溫相變層.其中保護(hù)層、找平層和空心板結(jié)構(gòu)層為普通預(yù)制混凝土屋面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，起到保護(hù)建筑材料、防水滲漏、平整屋面和支撐屋面的作用；保溫層主要用于減少夏季高溫和冬季低溫對室內(nèi)環(huán)境的影響，提高屋面的保溫隔熱性能；高溫相變層的相變溫度較高，主要在夏季發(fā)揮作用，白天由于高溫熔化而吸收熱量，夜間則在室外空氣溫度降低和通風(fēng)的作用下凝固放熱，為了避免熱量傳向室內(nèi)，將高溫相變層置于通風(fēng)層之上；低溫相變層的相變溫度較低，主要在冬季發(fā)揮作用，將低溫相變層置于最內(nèi)側(cè)可使相變材料在凝固時(shí)放出的熱量能更多地傳遞至室內(nèi).雙層相變通風(fēng)屋面各層的材料選擇及其熱物性如表1所示.

表1 屋面各層的材料熱物性參數(shù)

1.2 簡化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型的建立

傳統(tǒng)的相變材料傳熱模型一般采用有效焓法、有效熱容法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，這種傳熱模型的準(zhǔn)確度高，但計(jì)算效率低、耗時(shí)長，往往只能模擬在典型氣候日下的傳熱過程.相對而言，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在全年工況下的負(fù)荷特性更具有參考價(jià)值和實(shí)用意義，因此許多學(xué)者將圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱流的傳遞與電路中電流的傳遞相類比，采用熱容熱阻法(RC模型)建立簡化的傳熱模型[13]，模擬更長時(shí)間范圍內(nèi)的傳熱.與傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法相比，RC模型的熱流誤差小于10%[14]，計(jì)算效率高，輸出結(jié)果快，可用于研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)在全年工況下的負(fù)荷特性.

雙層相變通風(fēng)屋面的簡化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型(RC模型)如圖2所示，其中R為熱阻、C為熱容、T為溫度.

圖2 簡化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型

在非通風(fēng)工況下，空腔內(nèi)的空氣溫度隨熱流的變化而變化，是模型的輸出數(shù)據(jù)；而在通風(fēng)工況下，空腔內(nèi)的空氣溫度為室外空氣溫度，是模型的輸入數(shù)據(jù).因此需根據(jù)空腔是否通風(fēng)建立非通風(fēng)工況和通風(fēng)工況兩種RC模型.

在MATLAB通過編程描述簡化動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型的傳熱方程組，輸入室內(nèi)外氣候參數(shù)、屋面各層的等效熱阻和等效熱容后，可輸出屋面各層的熱流和節(jié)點(diǎn)溫度，從而實(shí)現(xiàn)對雙層相變通風(fēng)屋面的傳熱過程的快速求解.

在RC模型的計(jì)算中，相變材料的熱阻設(shè)為定值，與相變材料狀態(tài)無關(guān).當(dāng)相變層溫度低于相變溫度范圍下限(固相線)時(shí)為固態(tài)，高于上限(液相線)時(shí)為液態(tài)，此時(shí)熱容按照表1中數(shù)值計(jì)算，處于相變溫度范圍內(nèi)為固液共存狀態(tài)，將熱容設(shè)定為材料本身熱容與單位溫度變化潛熱量之和.

1.3 TRNSYS平臺(tái)的建立

本文在TRNSYS平臺(tái)上搭建了一棟位于武漢市的單層辦公建筑物，建筑長12 m、寬10 m、高3 m，房間面積為120 m2.通過TRNBuild設(shè)置該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、室內(nèi)擾動(dòng)、新風(fēng)供給及空調(diào)系統(tǒng).建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性如表2所示，其中屋頂為雙層相變通風(fēng)屋面，其相變材料的厚度、相變溫度等熱物性參數(shù)仍需優(yōu)化，可通過編寫的MATLAB程序設(shè)置.

表2 辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性

依據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》[15]中辦公室的相關(guān)設(shè)計(jì)參考值，夏季供冷時(shí)室內(nèi)空氣溫度為26 ℃，室內(nèi)空氣的相對濕度為60%；冬季供熱時(shí)室內(nèi)空氣溫度為18 ℃，室內(nèi)空氣的相對濕度為45%.該建筑的人員密度為8 m2/人，辦公室共15人；新風(fēng)量為30 m3/(h·人)，換氣次數(shù)為1.25次/h；照明強(qiáng)度為11 W/m2，設(shè)備強(qiáng)度為20 W/m2，；人員活動(dòng)強(qiáng)度為極輕活動(dòng)，相對應(yīng)的人均產(chǎn)濕量為0.102 kg/(h·人)，人均發(fā)熱量為66 W.人員作息時(shí)間為每周工作日的早八點(diǎn)至晚六點(diǎn).

武漢夏季供冷期為6月1日至9月30日，冬季供熱期為11月15日至3月15日[16].TRNSYS模擬采用的武漢典型年水平面太陽輻射及室外空氣干球溫度如圖3所示.

圖3 武漢典型年水平面太陽輻射及室外空氣干球溫度

帶有雙層相變通風(fēng)屋面的建筑的TRNSYS模型如圖4所示.本文搭建的TRNSYS模型用于模擬武漢市典型年氣候參數(shù)下雙層相變通風(fēng)屋面對建筑負(fù)荷的影響，模擬時(shí)間為8 760 h，時(shí)間步長為3 min.模型中調(diào)用的MATLAB程序是雙層相變通風(fēng)屋面的RC模型傳熱方程組，可模擬屋面在不同保溫層厚度、相變層厚度、相變溫度和通風(fēng)速度下的熱工性能.模型能通過模塊Type65將全年逐時(shí)室內(nèi)空氣溫度、屋面內(nèi)表面溫度、相變層節(jié)點(diǎn)溫度、建筑冷負(fù)荷和建筑熱負(fù)荷等模擬結(jié)果輸出，方便數(shù)據(jù)分析和研究.

圖4 帶有雙層相變通風(fēng)屋面建筑的TRNSYS模型

2 影響因素研究

雙層相變通風(fēng)屋面的主要特點(diǎn)是利用兩層不同相變溫度的相變材料的儲(chǔ)熱能力及夜間通風(fēng)技術(shù)以提高屋面全年的熱工性能，降低空調(diào)負(fù)荷，而相變層的厚度及相變溫度范圍，對其適用氣候及儲(chǔ)熱能力影響最為顯著，夏季夜間通風(fēng)速度則會(huì)影響夜間的冷卻效果，故本節(jié)主要針對兩相變層的溫度范圍、相變層厚度及通風(fēng)速度研究屋面的優(yōu)化結(jié)構(gòu).

2.1 高溫相變層的相變溫度范圍

相變溫度范圍是指相變材料發(fā)生相變過程的溫度范圍，這種參數(shù)是影響高溫相變層儲(chǔ)熱性能的重要因素，若相變溫度范圍過高，則高溫相變層長時(shí)間處于固態(tài)，難以融化吸熱，降低白天的蓄熱效果，若相變溫度范圍過低，則高溫相變層長時(shí)間處于液態(tài)，難以凝固放熱，減少夜間通風(fēng)帶走的熱量[17].

在武漢供冷期氣象條件下模擬了雙層相變通風(fēng)屋面(高溫相變層厚度30 mm，通風(fēng)速度2 m/s)在高溫相變層的相變溫度范圍不同時(shí)的傳熱過程.為了更清晰地分析相變溫度范圍對液相率的影響，圖5統(tǒng)計(jì)了高溫相變層在不同相變溫度范圍時(shí)整個(gè)供冷期的液相率以及處于完全固態(tài)(相變層溫度小于等于固相線溫度，液相率等于0)、完全液態(tài)(相變層溫度大于等于液相線溫度，液相率等于1)和融化狀態(tài)(相變層溫度介于固相線溫度與液相線溫度之間)的時(shí)間占比.

分析圖5中的“完全固態(tài)”曲線和“完全液態(tài)”曲線可知，相變材料處于完全固態(tài)的時(shí)間隨相變溫度范圍的增加而增加，處于完全液態(tài)的時(shí)間隨相變溫度范圍的增加而減少.這是因?yàn)楫?dāng)相變溫度范圍較低時(shí)，室外環(huán)境傳遞至高溫相變層的溫度往往高于相變溫度范圍，相變材料在高溫的作用下融化，所以相變材料處于液態(tài)的時(shí)間較多，處于固態(tài)的時(shí)間較少.而隨著相變溫度范圍的升高，室外環(huán)境傳遞至高溫相變層的溫度維持不變，相變溫度范圍開始逐漸高于室外環(huán)境傳遞至高溫相變層的溫度，所以相變材料處于液態(tài)的時(shí)間變少，處于固態(tài)的時(shí)間變多.“融化狀態(tài)”時(shí)間占比呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.相變溫度范圍在26～28 ℃時(shí)，“融化狀態(tài)”時(shí)間占比最大，即相變材料在整個(gè)供冷期發(fā)揮作用的時(shí)間最長，利用率最高，相變材料處于融化狀態(tài)的時(shí)間為1 567.1 h，占整個(gè)供冷期時(shí)間的53.54%.

圖5 高溫相變層在不同相變溫度范圍時(shí)的液相率

供冷期的空調(diào)冷負(fù)荷是圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性的最直觀體現(xiàn).圖6列出了高溫相變層的相變溫度范圍不同時(shí)建筑的供冷期累積冷負(fù)荷和最大冷負(fù)荷.從圖中可以看出，建筑的累積冷負(fù)荷呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，相變溫度范圍為26～28 ℃時(shí)累積冷負(fù)荷達(dá)到最小值，為4 858.63 kW·h，此時(shí)相變材料發(fā)揮了最佳的蓄熱功能.空調(diào)的最大冷負(fù)荷也是先降低后升高的趨勢，相變溫度范圍為30～32 ℃時(shí)最大冷負(fù)荷達(dá)到最小值，為24.56 kW.

圖6 不同相變溫度范圍時(shí)空調(diào)的供冷期冷負(fù)荷

2.2 高溫相變層的厚度

相變層厚度是影響高溫相變層儲(chǔ)熱量大小的重要因素.單位體積的相變材料的潛熱一定，相變層越厚，高溫相變層的體積越大，其潛熱也越大.白天在太陽輻射的作用下，室外溫度急劇升高，若高溫相變層太薄，高溫相變層的儲(chǔ)熱能力不足以吸收室外傳遞的熱量，導(dǎo)致大部分熱量傳遞至室內(nèi).若高溫相變層太厚，則在室外溫度較高的情況下，高溫相變層仍然有未融化的材料，降低相變材料的利用率[17].

在武漢供冷期氣象條件下模擬了雙層相變通風(fēng)屋面(高溫相變層相變溫度范圍26～28 ℃，通風(fēng)速度2 m/s)在高溫相變層厚度不同時(shí)的傳熱過程.圖7統(tǒng)計(jì)了高溫相變層在厚度不同時(shí)整個(gè)供冷期的液相率.

圖7中的“完全固態(tài)”曲線和“完全液態(tài)”曲線大致呈下降趨勢.在相變層厚度小于等于40 mm時(shí)，相變材料處于完全固態(tài)和完全液態(tài)的時(shí)間隨相變層厚度的增加而減少.這是因?yàn)楫?dāng)相變層厚度較薄時(shí)，相變材料的潛熱小，很容易在室外環(huán)境的影響下變成完全液態(tài)或完全固態(tài)，相變層厚度的增加提高了相變材料的總潛熱，使得相變材料處于融化狀態(tài)的時(shí)間增加.“融化狀態(tài)”曲線呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.高溫相變層厚度為40 mm時(shí)相變材料的利用率最高，相變材料處于融化狀態(tài)的時(shí)間為1 595.7 h，占整個(gè)供冷期時(shí)間的54.51%.

圖7 高溫相變層厚度不同時(shí)的液相率

本研究模擬計(jì)算了高溫相變層厚度不同時(shí)空調(diào)的供冷期累積冷負(fù)荷和最大冷負(fù)荷，如圖8所示.高溫相變層越厚，空調(diào)累積冷負(fù)荷和最大冷負(fù)荷越低.但隨著相變層厚度的增加，屋面熱性能改善的收益逐漸變少，相變層厚度從10 mm加至15 mm時(shí)，累積冷負(fù)荷降低了8 kW·h，而相變層厚度從30 mm加至35 mm時(shí)，累積冷負(fù)荷只降低了3 kW·h.

圖8 高溫相變層厚度不同時(shí)空調(diào)的供冷期冷負(fù)荷

2.3 通風(fēng)速度

通風(fēng)速度影響了高溫相變層的蓄熱性能，進(jìn)而影響雙層相變通風(fēng)屋面的節(jié)能效果，若通風(fēng)速度太小，則相變材料在夜間的凝固放熱效果不佳，若通風(fēng)速度太大，則對屋面熱性能提升的收益不再明顯[17].

在武漢供冷期氣象條件下模擬了雙層相變通風(fēng)屋面(高溫相變層厚度40 mm，相變溫度范圍26～28 ℃)在通風(fēng)速度不同時(shí)的傳熱過程.機(jī)械通風(fēng)能加快相變材料的凝固放熱速度，所以通風(fēng)速度影響了相變材料的利用率和儲(chǔ)熱效果.圖9列出了不同通風(fēng)速度的屋面在整個(gè)供冷期的液相率.

分析圖9中的“完全固態(tài)”曲線、“完全液態(tài)”曲線和“融化狀態(tài)”曲線可知，相變材料處于完全固態(tài)的時(shí)間隨通風(fēng)速度的增加而增加，處于完全液態(tài)的時(shí)間隨通風(fēng)速度的增加而減少，處于融化狀態(tài)的時(shí)間隨通風(fēng)速度的增加而減少.機(jī)械通風(fēng)加快了高溫相變層的相變材料在夜間凝固放熱的效率，在相變材料釋放相同熱量的情況下，通風(fēng)使得相變材料從融化狀態(tài)變成完全固態(tài)的時(shí)間變短，所以通風(fēng)速度越大，相變材料處于完全固態(tài)的時(shí)間越長，而處于融化狀態(tài)的時(shí)間越短.

圖9 通風(fēng)速度不同時(shí)的液相率

本研究模擬計(jì)算了通風(fēng)速度不同時(shí)建筑的供冷期累積冷負(fù)荷和最大冷負(fù)荷，如圖10所示.通風(fēng)速度越大，空調(diào)累積冷負(fù)荷和最大冷負(fù)荷越低.但隨著通風(fēng)速度的增加，屋面熱性能改善的收益逐漸變少，通風(fēng)速度從0 m/s加至0.5 m/s時(shí)，累積冷負(fù)荷降低了88 kW·h，而通風(fēng)速度從4 m/s加至4.5 m/s時(shí)，累積冷負(fù)荷只降低了11 kW·h.通風(fēng)速度為2～3 m/s時(shí)，機(jī)械通風(fēng)的節(jié)能收益最好.

圖10 通風(fēng)速度不同時(shí)空調(diào)的供冷期冷負(fù)荷

2.4 低溫相變層的相變溫度范圍

低溫相變層位于屋面的最底端，與室內(nèi)空氣直接接觸，因此低溫相變層在白天主要依靠室內(nèi)的空調(diào)散熱和室外傳熱儲(chǔ)存熱量，而在夜間向室內(nèi)釋放熱量，提高屋面內(nèi)表面的平均溫度，并降低剛開啟空調(diào)時(shí)空調(diào)需承擔(dān)的熱負(fù)荷，減輕室內(nèi)供暖負(fù)擔(dān).供熱期工作時(shí)間的室內(nèi)空氣溫度設(shè)定為18 ℃，選取與之匹配的低溫相變層的相變溫度范圍十分重要.

在冬季供熱期，雙層相變通風(fēng)屋面關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)，此時(shí)高溫相變層始終處于固相狀態(tài)，不發(fā)揮作用.在武漢供熱期氣象條件下模擬了雙層相變通風(fēng)屋面(關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)，低溫相變層厚度30 mm)在低溫相變層的相變溫度范圍不同時(shí)的傳熱過程.

為了保證低溫相變層能發(fā)揮蓄熱作用，其相變溫度范圍不宜超過18 ℃的室內(nèi)空氣溫度，所以本節(jié)模擬計(jì)算了低溫相變層相變溫度范圍為12～14 ℃、13～15 ℃、14～16 ℃、15～17 ℃、16～18 ℃和17～19 ℃時(shí)整個(gè)供熱期的液相率以及處于完全固態(tài)、完全液態(tài)和融化狀態(tài)的時(shí)間，如圖11所示.

分析圖11中的“完全固態(tài)”曲線和“完全液態(tài)”曲線可知，相變材料處于完全固態(tài)的時(shí)間隨相變溫度范圍的增加而增加.這是因?yàn)楫?dāng)相變溫度范圍較低時(shí)，室內(nèi)空氣傳遞至低溫相變層的溫度往往高于相變溫度范圍，相變材料在高溫的作用下融化，所以相變材料處于液態(tài)的時(shí)間較多，處于固態(tài)的時(shí)間較少.而隨著相變溫度范圍的升高，室內(nèi)空氣傳遞至低溫相變層的溫度維持不變，相變溫度范圍開始逐漸高于室內(nèi)空氣傳遞至低溫相變層的溫度，所以相變材料處于液態(tài)的時(shí)間變少，而處于固態(tài)的時(shí)間變多.

圖11中的“融化狀態(tài)”曲線呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.相變溫度范圍在13～15 ℃時(shí)，相變材料的利用率最高，相變材料處于融化狀態(tài)的時(shí)間為1 955.25 h，占整個(gè)供熱期時(shí)間的67.33%.相變溫度范圍為12～14 ℃、13～15 ℃、14～16 ℃和15～17 ℃時(shí)，相變材料處于融化狀態(tài)的時(shí)間較長，均高于40%.

圖11 低溫相變層在不同相變溫度范圍時(shí)的液相率

供熱期的空調(diào)熱負(fù)荷是圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性的最直觀體現(xiàn).圖12列出了低溫相變層的相變溫度范圍不同時(shí)建筑的供熱期累積熱負(fù)荷和最大熱負(fù)荷.從圖中可以看出，建筑的累積熱負(fù)荷呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，相變溫度范圍為15～17 ℃時(shí)累積熱負(fù)荷達(dá)到最小值，為1 851.50 kW·h，此時(shí)相變材料發(fā)揮了最佳的蓄熱功能.

圖12 不同相變溫度范圍時(shí)空調(diào)的供熱期熱負(fù)荷

空調(diào)的最大熱負(fù)荷是逐漸升高的趨勢，相變溫度范圍為12～14 ℃時(shí)最大熱負(fù)荷達(dá)到最小值，為48.36 kW.這是因?yàn)榭照{(diào)的最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在室外溫度最低時(shí)，而較低的相變溫度范圍能使低溫相變層在室外溫度較低時(shí)仍然能發(fā)揮蓄熱作用，提高屋面內(nèi)表面溫度的最低值，從而降低空調(diào)負(fù)荷，減少供熱期空調(diào)的最大熱負(fù)荷.

2.5 低溫相變層的相變層厚度

相變層厚度是影響低溫相變層儲(chǔ)熱量大小的重要因素.若低溫相變層太薄，低溫相變層的儲(chǔ)熱能力不足以吸收室內(nèi)傳遞的熱量，導(dǎo)致冬季的大部分熱量傳遞至室外.若低溫相變層太厚，則低溫相變層會(huì)有未融化的材料，降低相變材料的利用率.

在冬季供熱期，雙層相變通風(fēng)屋面關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)，此時(shí)高溫相變層始終處于固相狀態(tài)，不發(fā)揮作用.在武漢供熱期氣象條件下模擬了雙層相變通風(fēng)屋面(關(guān)閉機(jī)械通風(fēng)，低溫相變層相變溫度范圍為15～17 ℃)在低溫相變層的厚度不同時(shí)的傳熱過程.圖13統(tǒng)計(jì)了低溫相變層在厚度不同時(shí)整個(gè)供熱期的液相率.

從圖13中可以看出，“完全固態(tài)”曲線和“完全液態(tài)”曲線大致呈下降趨勢，“融化狀態(tài)”曲線呈現(xiàn)上升趨勢.這是因?yàn)橄嘧儗虞^厚時(shí)，相變材料的潛熱變大，蓄熱能力更強(qiáng)，使得相變材料處于融化狀態(tài)的時(shí)間增加，處于完全液態(tài)和完全固態(tài)的時(shí)間變少.

圖13 低溫相變層厚度不同時(shí)的液相率

本研究模擬計(jì)算了低溫相變層厚度不同時(shí)空調(diào)的供熱期累積熱負(fù)荷和最大熱負(fù)荷，如圖14所示.低溫相變層越厚，空調(diào)累積熱負(fù)荷和最大熱負(fù)荷越低.但隨著相變層厚度的增加，屋面熱性能改善的收益逐漸變少，相變層厚度從10 mm加至20 mm時(shí)，累積冷負(fù)荷降低了18.5 kW·h，而相變層厚度從30 mm加至40 mm時(shí)，累積冷負(fù)荷降低了13.3 kW·h.

圖14 不同相變溫度層厚度時(shí)空調(diào)的供熱期熱負(fù)荷

3 節(jié)能效果分析

根據(jù)上一節(jié)的研究結(jié)論，雙層相變通風(fēng)屋面的最佳結(jié)構(gòu)為：高溫相變層厚度40 mm，相變溫度范圍26～28 ℃，通風(fēng)層的通風(fēng)速度2 m/s，低溫相變層厚度30 mm，相變溫度范圍15～17 ℃.此時(shí)屋面在供冷期的累計(jì)冷負(fù)荷為4 807.53 kW·h，在供熱期的累計(jì)熱負(fù)荷為1 866.21 kW·h.

為研究雙層相變通風(fēng)屋面對建筑空調(diào)負(fù)荷的影響，更直觀地分析該新型屋面的節(jié)能潛力，本文設(shè)置“參照屋面”進(jìn)行對比分析，即將雙層相變通風(fēng)屋面結(jié)構(gòu)中的高溫相變層和低溫相變層用相同厚度的水泥砂漿代替，同時(shí)關(guān)閉空心板結(jié)構(gòu)層的通風(fēng)口.在相同的室外氣候條件和室內(nèi)擾動(dòng)下，模擬“參照屋面”在全年的屋面內(nèi)表面溫度、建筑空調(diào)冷負(fù)荷和建筑空調(diào)熱負(fù)荷.

表3對比了雙層相變通風(fēng)屋面和參照屋面在供冷期的冷負(fù)荷值.雙層相變通風(fēng)屋面在供冷期的最大冷負(fù)荷為25.85 kW，與參照屋面相比減少了20.47 kW，最大冷負(fù)荷降低44.19%.累積冷負(fù)荷為4 807.53 kW·h，與參照屋面相比減少了2 078.03 kW·h，累積冷負(fù)荷降低30.18%.

表3 雙層相變通風(fēng)屋面和參照屋面的空調(diào)冷負(fù)荷

表4對比了雙層相變通風(fēng)屋面和參照屋面在供熱期的熱負(fù)荷值.雙層相變通風(fēng)屋面在供熱期的最大熱負(fù)荷為52.32 kW，與參照屋面相比減少了6.53 kW，最大熱負(fù)荷降低11.10%.累積熱負(fù)荷為1 866.21 kW·h，與參照屋面相比減少了968.41 kW·h，累積熱負(fù)荷降低33.92%.

表4 雙層相變通風(fēng)屋面和參照屋面的空調(diào)熱負(fù)荷

4 結(jié)論

本文在負(fù)荷模擬軟件TRNSYS中建立了帶有雙層相變通風(fēng)屋面的建筑模型，模擬了屋面在武漢市氣候條件下的全年傳熱過程，并建立“參照屋面”進(jìn)行比較.研究了高溫相變層的相變溫度范圍和相變層厚度、通風(fēng)速度以及低溫相變層的相變溫度范圍和相變層厚度對雙層相變通風(fēng)屋面熱工性能的影響，并對屋面做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

(1)高溫相變層的最佳相變溫度范圍為26～28 ℃，最佳厚度為40 mm；通風(fēng)速度越大，空調(diào)累積冷負(fù)荷和最大冷負(fù)荷越低.但隨著通風(fēng)速度的增加，屋面熱性能改善的收益逐漸變少，通風(fēng)層的最佳通風(fēng)速度為2～3 m/s；低溫相變層的最佳相變溫度范圍為15～17 ℃，低溫相變層的最佳厚度為20～30 mm.

(2)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，雙層相變通風(fēng)屋面在供冷期的累積冷負(fù)荷為4 807.53 kW·h，與參照屋面相比減少了2 078.03 kW·h，累積冷負(fù)荷降低30.18%.屋面在供熱期的累積熱負(fù)荷為1 866.21 kW·h，與參照屋面相比減少了968.41 kW·h，累積熱負(fù)荷降低33.92%.

以上研究基于武漢(夏熱冬冷地區(qū))的氣候條件和辦公建筑的建造及使用情況，結(jié)論可外推至相同氣候條件下的同類建筑.