雙層定型相變墻體的優(yōu)化組合

黨 昕，孟 多，高 慧

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，錦州 121001)

據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2050年，建筑供暖與制冷的能耗將分別達(dá)到世界能源總消耗量的12%與37%[1]，降低建筑能耗已是當(dāng)前世界上大多數(shù)國(guó)家亟待解決的能源問題之一。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)室內(nèi)外環(huán)境之間的冷熱負(fù)荷中起著舉足輕重的作用，通過(guò)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能可達(dá)到顯著的建筑節(jié)能效果，是降低建筑能耗的有效方式之一。

新型高效的保溫建筑材料是有效提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的關(guān)鍵技術(shù)，其中相變材料(phase change material，PCM)由于能夠依靠自身的固-液相轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)潛熱的吸收和釋放，從而改變室外熱量向室內(nèi)傳遞的數(shù)量及時(shí)長(zhǎng)，因此已經(jīng)被廣泛研究及應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮建筑調(diào)溫、蓄熱等建筑節(jié)能效能，且在近期的研究與應(yīng)用中取得了可觀的成效。Müslüm等[2]對(duì)含相變材料的建筑外墻的熱工性能進(jìn)行了數(shù)值研究，以土耳其的三個(gè)城市(迪亞巴克爾、科尼亞和埃爾祖魯姆)為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了相變材料的使用位置、熔化溫度和相變層厚度對(duì)節(jié)能、減量系數(shù)和時(shí)滯的影響；Kishore等[3]在對(duì)含相變材料的墻體進(jìn)行數(shù)值研究時(shí)，確定了位于不同國(guó)際節(jié)能準(zhǔn)則氣候區(qū)的5個(gè)美國(guó)城市中的最佳相轉(zhuǎn)變溫度、墻體中的最佳相變材料位置以及集成相變材料的建筑墻體的節(jié)能潛力；Yun等[4]在研究中將每個(gè)相變材料應(yīng)用于建筑體積的0.1%～0.9%，結(jié)果表明節(jié)能量最高為每年3.19 kWh/m2；金國(guó)輝等[5]基于ANSYS軟件計(jì)算分析了內(nèi)蒙古草原民居相變墻體的傳熱特性，結(jié)果表明相變材料層厚度、對(duì)流換熱系數(shù)和相變潛熱對(duì)內(nèi)壁面溫度響應(yīng)具有顯著的節(jié)能性影響；張維維等[6]則采取實(shí)驗(yàn)研究的方法，以填有相變材料的空心砌塊所砌成的相變南外墻為研究對(duì)象，利用控溫?zé)嵯溲b置研究其傳熱性能，驗(yàn)證了相變墻體的熱惰性強(qiáng)于普通墻體，且外界溫度波幅越大、外界平均溫度與相變材料平均溫度越接近，相變墻體對(duì)溫度和熱流的衰減和延遲效果越明顯。

隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)受相變材料的應(yīng)用形式限制，相變蓄熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱密度較純相變材料有大幅降低，因此單層相變材料的節(jié)能效果不能滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提出了雙層組合式相變蓄熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以期增強(qiáng)相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果，拓展相變蓄熱溫度范圍。張?jiān)吹萚7]提出將兩種不同相變溫度的相變材料同時(shí)填入到多層平壁墻體中，低相變溫度的PCM在冬季的利用率和高相變溫度 PCM 在夏季的利用率均為 0～100%；羅振宇等[8]將制備的相變材料板以“三明治”形式貼于輕質(zhì)實(shí)驗(yàn)房南墻內(nèi)外側(cè)，結(jié)果表明夏季外側(cè)相變墻發(fā)揮作用，能夠很好地吸收太陽(yáng)輻射的熱量，降低并延緩室內(nèi)溫度峰值。綜上所述，研究雙層定型相變墻體對(duì)典型氣候地區(qū)的室內(nèi)溫度調(diào)控十分有必要。近年來(lái)，本課題組對(duì)建筑節(jié)能用定形相變材料的開發(fā)、性能及建筑節(jié)能應(yīng)用效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究。為進(jìn)一步深入研究和驗(yàn)證該類定形相變材料在不同氣候分區(qū)的建筑節(jié)能應(yīng)用形式和效果，推動(dòng)其建筑節(jié)能應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)擬構(gòu)建不同相變溫度和厚度組合的雙層定型相變墻體，采用顯熱容法建立雙層定型相變墻體的傳熱過(guò)程模型，并利用有限元軟件求解得到外墻內(nèi)表面溫度變化曲線，分析其控溫規(guī)律及節(jié)能潛力，探究雙層定型相變墻體在不同熱功能分區(qū)的最佳相變溫度、厚度組合結(jié)構(gòu)形式，以期為相變節(jié)能建筑的推廣應(yīng)用提供理論支持，為使用雙層定型相變墻體的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 雙層定型相變墻體的物理模型

實(shí)際建筑墻體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬尺寸較大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將雙層定型相變墻體的傳熱過(guò)程是視作內(nèi)外表面之間的一維傳熱，即如圖1所示的沿厚度x方向的一維傳熱過(guò)程。雙層定型相變墻體的結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)部分，最外側(cè)為200 mm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，中間兩層分別為兩種不同相變溫度和潛熱的定形相變材料保溫層，最內(nèi)層為水泥砂漿面層，厚度為20 mm。相變保溫層材料分別采用白乳膠和膨脹珍珠巖(EP)封裝后的32#、25#石蠟(PCM-A，PCM-B)、相變石蠟/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相變蓄熱板(PCM-C)以及癸酸-月桂酸(CA-LA)/硅藻土定形相變材料(PCM-D)。以上材料均為本課題組近兩年新制的定形相變材料，其熱物性、熱穩(wěn)定性、形狀保持能力及力學(xué)性能等均已得到優(yōu)化，可應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。雙層定型相變墻體的保溫層由兩種不同定形相變材料組成，構(gòu)成具有不同相變溫度和相變潛熱組合式雙層相變蓄熱保溫結(jié)構(gòu)。目前已有研究表明相變蓄熱層的厚度為30～50 mm可使傳熱與節(jié)能效果較好[11]，因此為考查確定相變保溫層的厚度，4種定形相變材料蓄熱層的厚度均選取30、40、50 mm 3種規(guī)格，兩兩組合共構(gòu)建54種雙層定型相變墻體。雙層定型相變墻體的各層材料熱物性參數(shù)如表1所示。

圖1 雙層定型相變墻體熱傳導(dǎo)物理模型Fig.1 Physical model diagram of heat conduction of double-layer shaped phase change wall

表1 雙層定型相變墻體組成材料熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of the double-layer shaped phase change wall components

2 雙層定型相變墻體的數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)方程及假設(shè)

相變墻體傳熱過(guò)程計(jì)算采用顯熱容法。顯熱容法將相變材料的相變潛熱視為在一個(gè)很小溫度范圍內(nèi)的大顯熱容，從而將分區(qū)描述的相變問題轉(zhuǎn)化成單一區(qū)域上的非線性導(dǎo)熱問題，進(jìn)而對(duì)整體進(jìn)行求解。在求解時(shí)，顯熱容法以溫度為唯一待求參數(shù)在整個(gè)區(qū)域中建立能量方程，因此求解更容易，計(jì)算更直接[9]?；陲@熱容法的傳熱方程為

(1)

ρ=θ1ρ1+θ2ρ2

(2)

(3)

(4)

K=θ1K1+θ2K2

(5)

θ1+θ2=1

(6)

式中：ρ為相變材料的密度；ρ1為相變材料固態(tài)時(shí)密度；ρ2為相變材料液態(tài)時(shí)密度；c為材料的比熱容；c1為相變材料固態(tài)時(shí)比熱容；c2為相變材料液態(tài)時(shí)比熱容；θ為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；θ1為固態(tài)相變材料占整個(gè)相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；θ2為液態(tài)相變材料占整個(gè)相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；αm為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取值在-0.5～0.5；l1→2為由固態(tài)轉(zhuǎn)向熱態(tài)相變材料的熔化潛熱；T為溫度；t為時(shí)間；K為導(dǎo)熱系數(shù)；K1為相變材料固態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；K2為相變材料液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；?為溫度在空間中的變化梯度。

在進(jìn)行以上計(jì)算時(shí)，對(duì)整個(gè)雙層相變墻板做出以下假設(shè)：①忽略在發(fā)生相變時(shí)，相變材料固、液相之間的熱對(duì)流；②在相變過(guò)程中，顯熱容法即將材料的相變潛熱并到熱容中，因此除材料的比熱容之外，其密度與導(dǎo)熱系數(shù)都為相變材料固態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)參數(shù)；③對(duì)各個(gè)墻板之間的材料層之間忽略其接觸熱阻；④相變過(guò)程發(fā)生在一個(gè)溫度區(qū)間，且在此區(qū)間內(nèi)相變潛熱以熱容的形式存在；⑤墻體內(nèi)部的各層材料均為各向同向性。

2.2 邊界條件

當(dāng)t=0時(shí)：x上所對(duì)應(yīng)的各個(gè)厚度方向上的溫度為初始溫度，其中x=0處為室外溫度t1；x=L1+L2+L3+L4處為室內(nèi)溫度t2。

2.3 室內(nèi)計(jì)算溫度

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)規(guī)范》(GB 50736—2012)[10]，民用建筑舒適性空調(diào)的室內(nèi)計(jì)算溫度取值分別為：夏季25 ℃，冬季18 ℃。

2.4 室外計(jì)算溫度

對(duì)任一時(shí)刻，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度為

TW,τ=TW,a+βτΔTW

(7)

式(7)中：TW，τ為室外計(jì)算逐時(shí)溫度，℃；TW,a為室外計(jì)算日平均溫度，℃；βτ為室外空氣溫度逐時(shí)變化系數(shù)；ΔTW為室外計(jì)算平均日較差，計(jì)算公式為ΔTW=(TW,τ-TW,a)/0.52，℃；TW為夏季室外計(jì)算干球溫度，℃。其中TW、TW,a可由所在城市室外氣象參數(shù)查得。

室外空氣綜合溫度，即所采取的室外計(jì)算溫度計(jì)算公式[12]為

(8)

式(8)中：P為圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料吸收太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)，取0.69；J為太陽(yáng)吸收強(qiáng)度，W/m2，根據(jù)地區(qū)逐日逐時(shí)的氣象資料獲得；σ為空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，夏季取15 W/(m2·K)，冬季取25 W/(m2·K)；ε為墻體外表面長(zhǎng)波輻射系數(shù)；ΔR為有效輻射，W/m2，由于ΔR的確定較復(fù)雜，取近似值ΔR=3.5σ/ε,根據(jù)計(jì)算與整合取εΔR/σ=3.6。

選取中國(guó)夏熱冬冷和嚴(yán)寒地區(qū)兩個(gè)典型氣候區(qū)進(jìn)行研究，其中，夏熱冬冷地區(qū)的代表城市為成都，嚴(yán)寒地區(qū)為西寧，經(jīng)計(jì)算得出這兩個(gè)城市冬、夏兩季典型日的室外計(jì)算溫度曲線(圖2)。根據(jù)所建立的雙層相變墻體傳熱過(guò)程模型，應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元軟件，計(jì)算出各不同組合形式的雙層定型相變外墻的內(nèi)表面48 h逐時(shí)溫度變化曲線。

圖2 成都與西寧冬、夏典型日室外計(jì)算溫度曲線圖Fig.2 Outdoor calculated temperature curve of winter and summer typical days in Chengdu and Xining

3 模擬結(jié)果及討論

根據(jù)對(duì)54種不同相變溫度與厚度組合的雙層定型相變墻體的傳熱過(guò)程的模擬結(jié)果，篩選出具有外墻內(nèi)表面溫度波動(dòng)小、接近人體舒適溫度的墻體結(jié)構(gòu)溫度變化曲線及相反效果的墻體結(jié)構(gòu)溫度變化曲線，所涉及的雙層定型相變墻體編號(hào)和墻體結(jié)構(gòu)如表2所示。依據(jù)溫度變化曲線討論雙層定型相變墻體對(duì)室外溫度的響應(yīng)過(guò)程及控溫效能，分析相變墻體所在熱工分區(qū)及不同季節(jié)的優(yōu)化組合形式。

表2 雙層定型相變墻體結(jié)構(gòu)Table 2 Structure of the double-layer shaped phase change walls

3.1 夏熱冬冷地區(qū)夏季傳熱模擬結(jié)果

為對(duì)比雙層及單層定型相變墻體的隔熱效果，取100 mm厚的PCM-A單層定型相變墻體為參照，同時(shí)進(jìn)行傳熱過(guò)程模擬，經(jīng)對(duì)比分析，成都市夏季代表性墻體結(jié)構(gòu)形式的外墻內(nèi)表面溫度變化曲線如圖3所示。由圖3可見，墻體結(jié)構(gòu)5的隔熱效果最為顯著，PCM-A單層相變墻體結(jié)構(gòu)的隔熱效果次之，墻體49的隔熱效果最差。結(jié)構(gòu)5的雙層相變保溫層和PCM-A單層相變保溫層的厚度均為100 mm，結(jié)構(gòu)49的雙層相變保溫層厚度為60 mm，盡管結(jié)構(gòu)49的平均蓄熱密度較前兩者大，但相變潛熱總?cè)萘繀s減小很多，可見相變蓄熱層的厚度對(duì)建筑墻體隔熱效果的影響較大。同時(shí)，雙層相變墻體的隔熱效果比同等厚度相變層的單層相變墻體的隔熱效果好，在墻體結(jié)構(gòu)5中，PCM-B和PCM-C的相變潛熱之和小于單層的PCM-A，且PCM-A的相變溫度更高，但實(shí)際的溫控效果則弱于雙層相變墻體，可見兩種不同熱物性的相變材料經(jīng)過(guò)協(xié)同作用，能夠有效削弱室外熱量向室內(nèi)傳遞的能力，并延緩室內(nèi)高溫出現(xiàn)時(shí)間，隔熱效果顯著。經(jīng)相變材料的相變蓄熱厚，建筑室內(nèi)相對(duì)高溫的時(shí)段延后至夜晚，可有效改善白天空調(diào)用電量過(guò)于集中的問題，節(jié)省空調(diào)制冷能源消耗。另外，研究得出相變材料的選擇受室外溫度影響較大，外側(cè)的相變材料層應(yīng)選取略低于室外高溫的相變材料，內(nèi)側(cè)的相變材料層應(yīng)選取略低于室內(nèi)溫度的相變材料，兩者之間需要控制一定的溫度梯度，溫度梯度則由外層相變材料對(duì)室外高溫的削弱程度來(lái)決定，導(dǎo)熱系數(shù)越小，其熱削弱效果越好，溫度梯度也較大；相變潛熱越大，溫度梯度也相應(yīng)較大。

圖3 成都夏季雙層定型相變墻體模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of the double-layer shaped phase change walls in Chengdu in summer

3.2 夏熱冬冷地區(qū)冬季傳熱模擬結(jié)果

在研究成都地區(qū)冬季的保溫效果時(shí)，對(duì)照組選取相變層為100 mm厚的PCM-D(單層相變墻體1)與為100 mm厚的PCM-A(單層相變墻體2)，計(jì)算得到的典型墻體內(nèi)表面溫度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，冬季時(shí)墻體結(jié)構(gòu)6的保溫效果最佳，墻體結(jié)構(gòu)49的保溫效果最差，單層相變墻體1和2介于二者之間，且1好于2。該結(jié)果再次證明，相變蓄熱層的厚度對(duì)建筑墻體的保溫隔熱效果影響顯著，100 mm厚單層相變墻體1的保溫效果比60 mm厚雙層相變墻體49的保溫效果更好。墻體結(jié)構(gòu)6采用的相變保溫層為50 mm PCM-C+50 mm PCM-D，兩種定形相變材料的相變溫度分別為22 ℃和17.68 ℃，在中午高溫時(shí)段能夠?qū)崿F(xiàn)吸收一定的相變潛熱，在低溫時(shí)段通過(guò)凝固過(guò)程釋放潛熱以維持外墻表面較高的溫度。而雙層定型相變墻體結(jié)構(gòu)49中定形相變材料的相變溫度都高于冬季室外溫度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相變過(guò)程，加之厚度小，保溫效果不盡理想。單層相變墻體2的PCM-D墻體的初始保溫效果較好，這是由于PCM-D的相變溫度與環(huán)境溫度非常接近，中午室外溫度超過(guò)18 ℃時(shí)，太陽(yáng)輻射熱經(jīng)過(guò)鋼筋混凝土層的削弱之后傳入相變材料層，發(fā)生相變蓄熱并在低溫時(shí)釋放熱量，維持墻體較窄的溫變范圍。但是隨著相變蓄放熱過(guò)程的終止，室內(nèi)溫度則發(fā)生較大的波動(dòng)。同樣的，以100 mm厚PCM-A作相變層的單層相變墻體2的溫度變化曲線可見，因室內(nèi)與室外熱量進(jìn)行傳遞時(shí)皆達(dá)不到熔點(diǎn)31.5 ℃，使相變材料的相變潛熱無(wú)法得到應(yīng)用，因此不僅延緩高溫出現(xiàn)的時(shí)間較短，對(duì)室外溫度變化也較敏感，導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)較大。由此可見，雖然雙層相變材料可以起到二次保溫的效果，但因環(huán)境溫度低于材料的相變溫度且波動(dòng)較大，受相變反應(yīng)時(shí)間的限制導(dǎo)致相變層的相變過(guò)程沒有發(fā)生或發(fā)生不完全，相變材料的潛熱蓄熱能力不能充分發(fā)揮，因此由相變層厚度造成的顯熱熱容的變化對(duì)冬季保溫效果將起到?jīng)Q定性作用，且相變蓄熱材料的溫度應(yīng)滿足低溫相變的條件，能夠保證在冬季發(fā)揮相變蓄放熱功能。

圖4 成都冬季雙層定型相變墻體模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of the double-layer shaped phase change walls in Chengdu in winter

3.3 寒冷地區(qū)夏季傳熱模擬結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，西寧夏季14：00—15：00的太陽(yáng)輻射量較大，最高溫度雖達(dá)31 ℃，日落后室外溫度會(huì)迅速降至人體舒適溫度附近，即高溫狀態(tài)并不持久，因此對(duì)相變墻體隔熱效能要求并不嚴(yán)格。以100 mm厚的PCM-C作為單層相變墻體對(duì)照組，篩選出的典型墻體結(jié)構(gòu)溫度變化曲線如圖5所示。由圖5可見，墻體結(jié)構(gòu)41可最大限度保持室內(nèi)溫度在夏季人體舒適溫度范圍內(nèi)，溫度范圍為22.4～25 ℃，溫度變幅2.6 ℃；墻體結(jié)構(gòu)10的隔熱效果也較好，溫度變化介于20.5～25 ℃，但溫度變幅較大，為4.5 ℃；墻體結(jié)構(gòu)35和單層相變墻體的隔熱效果較差，特別是結(jié)構(gòu)35，溫度范圍及波動(dòng)幅度均較大，對(duì)舒適度和節(jié)能不利。經(jīng)分析可知，由于西寧夏季溫度整體較低且高溫與低溫持續(xù)時(shí)間較短，PCM-A的相變作用得不到發(fā)揮，因此不在節(jié)能考慮范圍內(nèi)。單層PCM-C的相變溫度為22 ℃，能保持較長(zhǎng)時(shí)間的相變蓄熱功能，作為單層保溫墻體表現(xiàn)出了一定的隔熱能力，溫度波動(dòng)小，但絕大部分時(shí)間溫度高于25 ℃，節(jié)能潛力不大。雙層定型相變墻體41和10的外層相變材料均為PCM-B，其相變溫度低于白天室外溫度，可以發(fā)生相變吸熱反應(yīng)，且其相變潛熱值較大，所以使用PCM-B作為外層相變保溫層的墻體結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出了類似的隔熱控溫能力。結(jié)構(gòu)10的控制溫度較低是因?yàn)槠銹CM-B的厚度為50 mm，且內(nèi)側(cè)墻體采用的40 mm厚的PCM-C，相比結(jié)構(gòu)41的30 mm PCM-B+50 mm PCM-D的雙層相變結(jié)構(gòu)，厚度和平均潛熱值都較大。結(jié)構(gòu)41中兩種相變材料的相變溫度相差較大，低溫相變材料的厚度較大，能夠在較高和較低的溫度范圍分別啟動(dòng)相變蓄/放熱功能，營(yíng)造白天溫度低、夜晚溫度高的控溫效果，溫度波動(dòng)較小，而且控溫范圍也符合夏季舒適溫度區(qū)間。同時(shí)相變層厚度的降低有利于減輕結(jié)構(gòu)自重和建筑成本，因此更加適宜西寧地區(qū)。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，所構(gòu)建的54種墻體結(jié)構(gòu)中，很多類似結(jié)構(gòu)41的雙層定型相變墻體都表現(xiàn)出相似的溫度變化趨勢(shì)，鑒于此，結(jié)合夏季西寧室外溫度變化特點(diǎn)，可以認(rèn)為相變層厚度不是該地區(qū)夏季雙層定型相變墻體選型的決定性因素，不同相變溫度的組合對(duì)控制溫度及溫度波動(dòng)具有更積極的作用。

圖5 西寧夏季雙層定型相變墻體模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of the double-layer shaped phase change walls in Xining in summer

3.4 寒冷地區(qū)冬季傳熱模擬結(jié)果

西寧冬季的平均氣溫為-8 ℃，供暖期為10月中旬到次年4月中旬，冬季的供暖能耗較夏季空調(diào)能耗大得多，對(duì)于墻體保溫性能要求較高，因此相變蓄熱墻體應(yīng)發(fā)揮顯著的冬季隔冷、保溫效果。在研究時(shí)，以100 mm厚PCM-C的單層相變墻體為對(duì)比樣，經(jīng)計(jì)算、分析得到西寧冬季典型墻體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度變化曲線如圖6所示。由圖6可見，墻體結(jié)構(gòu)6的保溫效果相對(duì)較好，結(jié)構(gòu)49的保溫效果較差，PCM-C單層相變墻體介于二者之間。該結(jié)果與夏熱冬冷地區(qū)冬季的模擬結(jié)果相似，可見相變保溫層的厚度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫效果影響最大。組合相變溫度的雙層相變墻體6較單層效果顯著，是因?yàn)閮?nèi)側(cè)的PCM-D相變層能夠在接近室溫的17 ℃左右發(fā)生相變釋熱，對(duì)保持溫度起到了一定的作用，但恒溫階段持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，之后溫度迅速降低。而結(jié)構(gòu)49中使用的PCM-A和PCM-B由于相變溫度高出環(huán)境溫度太多，沒有發(fā)生相變過(guò)程且厚度薄，不能發(fā)揮保溫效能。由計(jì)算可見，冬季時(shí)相變材料保溫層的相變溫度應(yīng)靠近環(huán)境溫度，其中外側(cè)保溫層的相變溫度應(yīng)略低于內(nèi)側(cè)保溫層，如果室內(nèi)有采暖設(shè)備，內(nèi)側(cè)墻體可蓄存高溫時(shí)段的熱量在低溫時(shí)段釋放，有利于節(jié)能。同時(shí)，為提高熱容，相變層厚度在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大。

圖6 西寧冬季雙層定型相變墻體模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of the double-layer shaped phase change walls in Xining in winter

綜上所述，西寧地區(qū)的雙層定型相變墻體的優(yōu)化組合可采取以促進(jìn)冬季保溫效果為主、夏季控制人體舒適性溫度為輔的結(jié)構(gòu)形式，并可主要通過(guò)冬季的保溫效果來(lái)確定相變材料類型以及相變層厚度。

4 結(jié)論

以4種定形相變材料為相變保溫層，構(gòu)建了多種不同相變溫度和厚度組合的雙層定型相變墻體，通過(guò)建模及計(jì)算，模擬了雙層定型相變墻體在夏熱冬冷和寒冷地區(qū)的保溫隔熱效果，分析確定了不同氣候分區(qū)的優(yōu)化組合形式。主要結(jié)論如下。

(1)夏熱冬冷和寒冷地區(qū)冬季的最佳相變保溫層組合形式完全相同，夏季時(shí)夏熱冬冷地區(qū)的保溫隔熱需求較高，相變層厚度較大，內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度較高。

(2)相變材料層的厚度是影響墻體隔熱保溫效果的重要因素，雙層相變材料形成的相變溫度梯度在夏季表現(xiàn)出良好的隔熱作用，對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)的控制效果較好。受所選用定形相變材料的相變溫度和未考慮室內(nèi)采暖措施的影響，相變墻體冬季的保溫效果并不顯著。

(3)雙層定型相變墻體外側(cè)相變材料的相變溫度應(yīng)接近并稍低于室外高溫時(shí)段的環(huán)境溫度平均值；內(nèi)側(cè)相變材料的相變溫度以接近室內(nèi)舒適溫度為最佳。對(duì)于寒冷地區(qū)，外層可選取導(dǎo)熱系數(shù)較低的相變材料增強(qiáng)冬季保溫效果。