張 源,鄧萌萌
(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127;2.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(如墻體與屋頂?shù)?內(nèi)加入保溫材料層(thermal insulation material,TIM)可以有效提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻值,滿足建筑節(jié)能規(guī)范對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能的要求.然而,大多TIM具有較低的熱容值.在我國(guó),尤其是中、南部地區(qū),為了降低地基荷載、節(jié)約建筑結(jié)構(gòu)成本,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度日趨減小,輕質(zhì)節(jié)能墻板與高效保溫層逐漸應(yīng)用于建筑中以達(dá)到熱阻與傳熱系數(shù)值要求,但會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容值較低.低熱容值圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度會(huì)受室外溫度變化的影響而產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng),影響室內(nèi)熱舒適度,且導(dǎo)致空調(diào)設(shè)備頻繁啟停,增加能耗.
相變材料層(phase change material,PCM)是一類在常溫下隨溫度變化而發(fā)生相轉(zhuǎn)變,并吸收或釋放潛熱的一類材料,諸如石蠟、水合鹽、脂肪酸等.由于潛熱的存在,在相同溫度變化下,適宜的PCM吸收或釋放的熱量要顯著高于常規(guī)建筑材料.故將PCM合理引入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可有效減少輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面及室內(nèi)溫度波動(dòng),提高室內(nèi)熱舒適度,降低能耗.由于PCM還具有顯著的溫度波延遲效應(yīng),使午后的室外峰值溫度和熱流對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的影響時(shí)刻延遲至傍晚甚至夜間,而夜間環(huán)境溫度較低,且處于分時(shí)電價(jià)的谷時(shí)階段,有利于室內(nèi)熱環(huán)境的控制,提高了熱舒適性與經(jīng)濟(jì)性.
長(zhǎng)江中下游及其周邊部分區(qū)域夏季悶熱,冬季濕冷,故民用建筑須同時(shí)考慮夏季隔熱和冬季保溫問(wèn)題.由于缺少集中的冷暖供應(yīng),空調(diào)設(shè)備是保障室內(nèi)熱舒適性的主要措施,也相應(yīng)地增加了建筑能耗.從人體舒適度和建筑節(jié)能兩方面出發(fā),研究夏熱冬冷地區(qū)具有更高熱性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)十分必要.目前已有相關(guān)研究表明PCM可以顯著提高墻板的非穩(wěn)態(tài)熱性能[1-5],但如何在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮PCM的熱性能,是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一.PCM的合理應(yīng)用與多重因素有關(guān).Arc[6]與 Tun?bilek[7]等在不同氣候條件下優(yōu)化PCM層厚度、位置和相變溫度,并對(duì)相變墻體在間歇冷卻操作下進(jìn)行優(yōu)化分析,使墻體充分利用潛熱,發(fā)揮更好的熱性能;Cascone等[8]提出了使用相變墻體對(duì)辦公樓進(jìn)行能源改造的多目標(biāo)優(yōu)化分析;Kishore等[9-10]采用二維數(shù)值模型研究了位于不同氣候條件下5個(gè)美國(guó)城市中相變墻體的最佳相變溫度、PCM在墻體中最佳位置及其節(jié)能潛力,還對(duì)PCM集成輕質(zhì)建筑墻體進(jìn)行了廣泛的參數(shù)和靈敏度分析.筆者前期針對(duì)結(jié)構(gòu)配置因素(PCM所處結(jié)構(gòu)位置、孔排數(shù)等)和PCM熱物性(相變溫度、潛熱、導(dǎo)熱系數(shù))中單個(gè)因素的變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能的影響進(jìn)行了多組動(dòng)態(tài)分析[11-12],并用正交分析法研究了各影響因素的重要性[13],認(rèn)為相變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能主要由相變溫度與環(huán)境溫度的匹配情況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻值、PCM位置及相變潛熱等因素決定.
綜上,當(dāng)前對(duì)含PCM墻板合理構(gòu)造的分析主要針對(duì)其熱性能的影響因素,缺少較為系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究.如不同PCM墻板的熱性能差異,PCM墻板的熱環(huán)境適用條件、合理構(gòu)造等.本研究采用焓法模型對(duì)我國(guó)典型夏熱冬冷地區(qū)條件下的相變復(fù)合墻板適宜構(gòu)造進(jìn)行分析,以期為相變蓄能墻板的工程應(yīng)用提供熱性能基本規(guī)律及構(gòu)造原則.
對(duì)實(shí)際傳熱過(guò)程的計(jì)算作如下假定:1) 各材料層均勻且具有各向同性;2) 多層墻板物理模型在高度與寬度方向的凈熱流為0 W·m-2,其傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一維傳熱;3) 忽略PCM在相變過(guò)程中的密度和體積變化;4) 忽略過(guò)冷和自然對(duì)流現(xiàn)象;5) 忽略PCM接觸面的接觸熱阻.
計(jì)算采用MATLAB程序.計(jì)算的初始條件為溫度定值.厚度方向的邊界按第三類熱邊界條件計(jì)算,其余邊界按第二類熱邊界條件(絕熱邊界條件)計(jì)算.該焓法模型的控制方程與邊界條件由有限差分法離散.對(duì)空間采用中心差分格式,對(duì)時(shí)間采用全隱式向前差分格式.空間網(wǎng)格步長(zhǎng)為0.005 m,時(shí)間網(wǎng)格步長(zhǎng)為300 s.采用點(diǎn)迭代法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,迭代過(guò)程采用Gause-Seidel格式計(jì)算,收斂條件為max(|Tx,τ-Tx,τ+1|)≤10-10,式中Tx,τ與Tx,τ+1分別表示點(diǎn)x在τ與τ+1時(shí)刻的溫度值,K.
經(jīng)驗(yàn)證,數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與相同條件下的試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差小于3.3%[14-16],滿足相變傳熱工程計(jì)算的要求.
建筑墻板大體可分為三類:基本墻板(如彩鋼板)、輕質(zhì)材料墻板(如含加氣砼層的墻板)和重質(zhì)墻板(如含空心磚層的墻板).本文對(duì)如圖1所示的幾種墻體構(gòu)造進(jìn)行分析.其中,構(gòu)造1為TIM與PCM混合構(gòu)造的基本墻板,混合墻板厚度為30,60,90 mm的構(gòu)造分別記為構(gòu)造1-30,構(gòu)造1-60,構(gòu)造1-90;構(gòu)造2和3分別為PCM層在室外和室內(nèi)側(cè)的基本墻板分層構(gòu)造;構(gòu)造4和5分別為加氣砼在室外和室內(nèi)側(cè)的輕質(zhì)墻板構(gòu)造;構(gòu)造6和7分別為空心磚在室外和室內(nèi)側(cè)的重質(zhì)墻板構(gòu)造.表1所示為各墻板材料的熱物性參數(shù)值[17].在實(shí)際工程應(yīng)用中,出于對(duì)熱工性能和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮,PCM在墻板功能材料層(即TIM和PCM)中的體積分?jǐn)?shù)基本在10%~30%范圍內(nèi).為了探索加入PCM后墻板熱性能的完整變化規(guī)律,本文將墻板中PCM體積分?jǐn)?shù)的變化范圍設(shè)置為0~50%.
圖1 各相變復(fù)合墻板基本構(gòu)造示意圖(mm)Fig.1 Basic constructions of phase change composite wallboards
表1 各墻板材料的熱物性參數(shù)值Tab.1 Thermo-physical parameters of wallboard materials
圖2 夏熱冬冷地區(qū)典型夏季室外綜合溫度Fig.2 Solar-air temperature under typical summer condition of hot-summer and cold-winter zone
圖2所示為典型夏熱冬冷城市南京市中各朝向墻體的夏季室外綜合溫度曲線[17-18].由圖2可知,南向墻的室外綜合溫度最大值約46 ℃,在正午出現(xiàn).東、西朝向墻分別在上午與下午時(shí)段出現(xiàn)溫度最大值,高溫時(shí)間段相較于南向墻變短.北向墻由于缺少太陽(yáng)直射,所以溫度峰值較低,約41 ℃,變化趨勢(shì)與南向墻類似.根據(jù)以上溫度曲線值,本研究將夏熱冬冷地區(qū)的代表性室外溫度均值設(shè)為36 ℃、晝夜溫差設(shè)為20 ℃.室內(nèi)采用空調(diào)房間工況,空氣溫度設(shè)定為26 ℃[18].
2.1.1 TIM與PCM混合構(gòu)造
圖3 基本墻板混合構(gòu)造的熱性能Fig.3 Thermal performance of basic wallboards with mixed construction
針對(duì)基本墻板構(gòu)造1,當(dāng)改變PCM相變溫度(29~32 ℃)和PCM的體積分?jǐn)?shù)時(shí),構(gòu)造1不同厚度墻板的熱性能變化情況見(jiàn)圖3.圖3(a)結(jié)果顯示,墻板熱阻隨墻板厚度與TIM體積分?jǐn)?shù)的增加而增大.圖3(b~c)顯示了各墻板在達(dá)到穩(wěn)定溫度波動(dòng)后的衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間,構(gòu)造1-90墻板的熱性能優(yōu)于構(gòu)造1-30和構(gòu)造1-60墻板,這表明墻板越厚,熱阻和熱容均越大,故墻板厚度可提高墻板的非穩(wěn)態(tài)熱性能.由圖3(b)可知,構(gòu)造1-30墻板的衰減倍數(shù)隨PCM體積分?jǐn)?shù)的增加而降低.PCM體積分?jǐn)?shù)的增加,會(huì)使墻板熱阻值下降,熱容值上升.對(duì)于構(gòu)造1-30墻板,其熱容增加對(duì)非穩(wěn)態(tài)熱性能的提升效應(yīng)小于熱阻下降對(duì)熱性能的降低效果,導(dǎo)致熱性能總體下降.此外,選取不同PCM相變溫度對(duì)墻板熱性能的影響不顯著,這是由于墻板厚度較小,導(dǎo)致熱阻小,PCM的含量也很少,所以PCM對(duì)墻板熱性能的影響不明顯.但構(gòu)造1-60和構(gòu)造1-90墻板衰減倍數(shù)曲線均呈先下降后上升的趨勢(shì).墻板的熱阻越大,PCM達(dá)到相同性能所需的填充量越小;相同量PCM達(dá)到的熱性能效果越好.對(duì)于構(gòu)造1-90墻板,PCM對(duì)墻板產(chǎn)生正面效果的最小體積分?jǐn)?shù)為15%,使含PCM墻板的熱性能高于純保溫墻板的PCM最小體積分?jǐn)?shù)為35%(相變溫度為30 ℃時(shí)),且PCM體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增大會(huì)促使墻板衰減倍數(shù)加速提升.由圖3(c)可知,延遲時(shí)間隨PCM體積分?jǐn)?shù)的增大逐漸增大.這是因?yàn)镻CM含量的增多使墻板的總相變潛熱增大,導(dǎo)致延遲時(shí)間增大.
總之,對(duì)于夏季工況下的空調(diào)房間,構(gòu)造1墻板的熱性能偏低;墻板內(nèi)須填充較多的PCM才能使熱性能得到顯著提升,經(jīng)濟(jì)成本較高.同時(shí),足量的TIM以提供足夠的熱阻值,是墻板中PCM發(fā)揮良好性能的基本保障.墻板的衰減倍數(shù)受熱阻和相變潛熱的雙重影響,而延遲時(shí)間則主要受相變潛熱的影響.對(duì)于構(gòu)造1墻板,用PCM代替等量保溫材料并不總能提升墻板的熱性能,尤其是在TIM與PCM含量較小時(shí).
2.1.2 基本墻板分層構(gòu)造
針對(duì)分層構(gòu)造基本墻板,當(dāng)改變PCM體積分?jǐn)?shù)與相變溫度時(shí),構(gòu)造2和構(gòu)造3墻板的熱性能狀況見(jiàn)圖4.如圖4(a~b)所示,構(gòu)造2墻板的衰減倍數(shù)在PCM體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)變化較小,當(dāng)PCM體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)顯著增大,且延遲時(shí)間隨PCM體積分?jǐn)?shù)的增大而逐漸增大.說(shuō)明PCM體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)其對(duì)墻板熱性能影響不大,PCM體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)才具有效果,但經(jīng)濟(jì)成本較高,因此,構(gòu)造2基本墻板不適用于實(shí)際工程.圖4(c~d)顯示,構(gòu)造3墻板總體熱性能比構(gòu)造2顯著提高.在取得最佳相變溫度27 ℃時(shí),5%與10%體積分?jǐn)?shù)的PCM即可使墻板的衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間有明顯的提升,說(shuō)明在此構(gòu)造下墻板中TIM層對(duì)熱阻值以及PCM層對(duì)熱容值均有很好的提升效果.此外,相變溫度為27 ℃時(shí),衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間曲線分別在PCM體積分?jǐn)?shù)為45%與40%處出現(xiàn)拐點(diǎn),性能隨PCM體積分?jǐn)?shù)的增加出現(xiàn)增加后有所下降的趨勢(shì).這是由于TIM體積分?jǐn)?shù)的逐漸下降導(dǎo)致墻板熱阻值下降,使更多熱流進(jìn)入墻板,造成熱性能的下降.這種情況可通過(guò)維持TIM的絕對(duì)含量(即厚度)或改變PCM相變溫度(如從27 ℃變?yōu)?8 ℃)得到改善.墻板中所需TIM層的基本熱阻值至少為1.0 m2·K· W-1.
圖4 基本墻板分層構(gòu)造的熱性能Fig.4 Thermal performance of basic wallboards with layered construction
為更準(zhǔn)確地分析熱阻對(duì)墻體熱性能的影響規(guī)律,利用PCM最佳相變溫度為27 ℃的構(gòu)造3墻體設(shè)置相互對(duì)照組,TIM的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.030和0.047 W·m-1·K-1,兩種墻板的熱性能結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn),不同TIM層導(dǎo)熱系數(shù)的墻板的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間均隨PCM體積分?jǐn)?shù)的增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì),說(shuō)明PCM的相變潛熱對(duì)2個(gè)指標(biāo)均有顯著影響.在出現(xiàn)拐點(diǎn)之前,含有相同PCM體積分?jǐn)?shù)的2種墻板的衰減倍數(shù)有顯著差異,而二者的延遲時(shí)間幾乎相等.這表明延遲時(shí)間幾乎不受熱阻的影響,主要由熱容值決定.導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W·m-1·K-1的墻板的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間峰值明顯低于導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W·m-1·K-1的墻板,且其峰值對(duì)應(yīng)的PCM體積分?jǐn)?shù)更低.說(shuō)明熱阻除了影響墻板衰減倍數(shù)外,其數(shù)值越大,墻板內(nèi)配置相同體積分?jǐn)?shù)的PCM層所發(fā)揮的熱性能越好.
圖5 不同TIM導(dǎo)熱系數(shù)下基本墻板熱性能Fig.5 Thermal performance of basic wallboards with different TIM thermal conductivities
2.1.3 各構(gòu)造基礎(chǔ)墻板的熱性能對(duì)比
圖6顯示了總厚度為60 mm的不同構(gòu)造基礎(chǔ)墻板在最佳相變溫度下的熱性能.由圖6可見(jiàn),相同PCM體積分?jǐn)?shù)下,相比于構(gòu)造1-60和構(gòu)造2,構(gòu)造3墻板的衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間均明顯提高.這是因?yàn)榭照{(diào)房間下墻板中PCM層處于外側(cè)時(shí)易在室外溫度波的作用下發(fā)生“擊穿”現(xiàn)象[11-12],即室外溫度超出PCM的相變溫度區(qū)間,從而使PCM失效.受同樣規(guī)律的影響,TIM與PCM混合墻板的熱性能也不佳.由于空調(diào)房間溫度相對(duì)恒定,靠近室內(nèi)的墻體溫度波動(dòng)較小,故當(dāng)PCM層處于墻體內(nèi)側(cè)時(shí)在適宜的相變溫度下可達(dá)到較高的熱性能.因此,PCM與TIM宜分層設(shè)置且PCM層應(yīng)位于內(nèi)側(cè).
圖6 不同構(gòu)造基礎(chǔ)墻板熱性能對(duì)比Fig.6 Impact on thermal performance of basic wallboards with different constructions
圖7給出多個(gè)相變溫度下構(gòu)造4、構(gòu)造5墻板熱性能隨PCM體積分?jǐn)?shù)增加而變化的情況.圖7(a~b)顯示,當(dāng)PCM體積分?jǐn)?shù)處于0~25%范圍、相變溫度為26和27 ℃時(shí)構(gòu)造4墻板的衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間均明顯高于28 ℃和29 ℃.當(dāng)PCM體積分?jǐn)?shù)處于30%~50%,相變溫度為27 ℃時(shí),構(gòu)造4墻板的熱性能提升明顯,顯著高于其他相變溫度的墻板.綜上,選擇27 ℃作為構(gòu)造4墻板的相變溫度.圖7(c~d)顯示,隨著PCM體積分?jǐn)?shù)的增加,構(gòu)造5墻板在相變溫度為28,29,30 ℃時(shí),衰減倍數(shù)呈先增大后減小的變化趨勢(shì);相變溫度為31℃時(shí),衰減倍數(shù)曲線單調(diào)遞增.墻體熱容隨著PCM體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,故延遲時(shí)間逐漸增大.然而,當(dāng)PCM體積分?jǐn)?shù)為30%~50%時(shí),墻板內(nèi)由于TIM層厚度減少導(dǎo)致熱阻下降,影響了相變溫度為29 ℃的墻板內(nèi)PCM層溫度分布,從而影響PCM的性能,使墻板熱性能顯著降低.在PCM相對(duì)含量處于0~30%范圍時(shí),相變溫度為29 ℃的熱性能最優(yōu),最大衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間分別為244.47和10.2 h.而在PCM處于30%~50%時(shí),相變溫度為30 ℃墻板的熱性能最優(yōu),衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間可達(dá)173.98和9.9 h.
圖7 不同構(gòu)造輕質(zhì)墻板的熱性能Fig.7 Thermal performance of lightweight wallboards of different constructions
通過(guò)對(duì)比兩種構(gòu)造輕質(zhì)墻板的熱性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)PCM相對(duì)含量為0~30%時(shí),相比于構(gòu)造5墻板,構(gòu)造4墻板的衰減倍數(shù)較小,但延遲時(shí)間較大;而在PCM含量大于30%后,構(gòu)造4墻板的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間均顯著高于構(gòu)造5墻板.總體來(lái)看,將加氣砼層設(shè)置在墻板外側(cè)(構(gòu)造4)比在內(nèi)側(cè)(構(gòu)造5)時(shí)可達(dá)到更好的熱性能.對(duì)比圖6和圖7中輕質(zhì)墻板與基礎(chǔ)墻板的熱性能,還發(fā)現(xiàn)由于添加了加氣砼層,墻板熱阻提高,使得輕質(zhì)墻板的熱性能均顯著高于基本墻板,且在PCM含量小于30%時(shí)更為明顯.
圖8給出了多個(gè)相變溫度下構(gòu)造6和構(gòu)造7重質(zhì)墻板的熱性能隨PCM體積分?jǐn)?shù)增加而變化的情況.構(gòu)造6墻板在相變溫度為27 ℃時(shí)達(dá)到最佳熱性能,衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間的最大值分別為500.82和17.4 h.而構(gòu)造7墻板在PCM相對(duì)含量為0~30%時(shí),相變溫度為28 ℃時(shí)熱性能最高;當(dāng)PCM含量大于30%時(shí),相變溫度為29 ℃時(shí)熱性能最高.
圖8 不同構(gòu)造重質(zhì)墻板熱性能Fig.8 Thermal performance of heavy wallboards of different constructions
對(duì)兩種構(gòu)造的重質(zhì)墻板而言,其熱性能變化趨勢(shì)也與輕質(zhì)墻板相似.在PCM含量小于30%時(shí),構(gòu)造7墻板的衰減倍數(shù)高于構(gòu)造6墻板,但其延遲時(shí)間較短;而在PCM含量大于30%時(shí),構(gòu)造6墻板的各項(xiàng)熱性能均高于構(gòu)造7墻板.因此,將空心磚層設(shè)置在墻板外側(cè)(構(gòu)造6)比在內(nèi)側(cè)(構(gòu)造7)的熱性能更優(yōu).
對(duì)比圖7和圖8中輕質(zhì)墻板與重質(zhì)墻板的熱性能可見(jiàn),PCM層位置相同時(shí)含有空心磚層的重質(zhì)墻板的熱性能均高于含加氣砼層的輕質(zhì)墻板.這是由兩種墻板所含的實(shí)體材料層的物性參數(shù)決定的.加氣砼雖然具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),但其密度較低,導(dǎo)致熱容小于空心磚;而空心磚雖然具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)值,但由于其厚度較大,在一定程度上彌補(bǔ)了熱阻的不足,同時(shí)還進(jìn)一步提高了熱容值.這是重質(zhì)墻板的熱性能總體上優(yōu)于輕質(zhì)墻板的重要原因.
本文采用焓法模型對(duì)典型含保溫材料與相變材料復(fù)合墻板的熱性能進(jìn)行分析,針對(duì)相變復(fù)合墻板的構(gòu)造方式得到影響熱性能的規(guī)律,為夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用相變蓄能墻板提供了理論依據(jù)與參考,對(duì)相變蓄能墻板在建筑節(jié)能中的推廣應(yīng)用具有重要意義.根據(jù)本文的研究結(jié)果,夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)房間的高熱性能相變復(fù)合墻板構(gòu)造應(yīng)遵循以下原則:1) 墻板中TIM層的基本熱阻值應(yīng)達(dá)1.0 m2·K·W-1以上;2) TIM與PCM宜分層設(shè)置,且PCM層應(yīng)處于TIM層內(nèi)側(cè);若不得不使用PCM與TIM的混合構(gòu)造層,可在該層外側(cè)加設(shè)TIM層;3) 墻板中除TIM與PCM層外的實(shí)體材料層應(yīng)置于室外一側(cè).