建筑儲能墻體傳熱模擬的研究綜述

魏 楊 張 裕 萬法林 顧逸飛

宿遷學院建筑工程學院（223800）

0 前言

隨著城市化進程的推進， 建筑能耗在迅速增長。 據文獻報道，全球范圍內的建筑運行能耗約占全社會終端能耗平均比例的1/3[1]。 同時，隨著生活水平的提高，人們對室內環境的舒適度有了更高的追求，我國北方地區的冬季取暖及中部、南方地區的制冷所導致的能耗在建筑能耗中也占有很大的比重。因此，建筑墻體在滿足結構、安全及功能的條件下，應同時具有節能作用。 為改善墻體結構的保溫隔熱性能，提高其絕熱性是建筑墻體節能設計的一項重要內容。

由于室內外存在溫差，熱量會通過墻體產生轉移，其傳熱過程主要是在熱傳導、熱輻射及熱對流三種方式的作用下完成的[2]。 儲能墻體的傳熱研究始于20 世紀80 年代， 將儲能材料與傳統墻體材料結合作為圍護結構的主要建筑材料。利用儲能材料自身在特定溫度范圍內的蓄放熱特性，不僅減少了室內溫度的波動和制冷制熱設備開啟的次數，而且使得室內溫度能夠維持在一定的范圍內，從而提高了人體的舒適度。

1 ANSYS 熱分析原理

1.1 ANASY 傳熱模塊

在實際生產過程中，常常會遇到多種多樣的熱量傳遞問題。 ANSYS 在能源、化工、冶金、建筑、電子、航空航天等行業應用較為廣泛。 以建筑墻體傳熱為例，需要通過ANSYS 中熱傳導、熱對流、熱輻射三大基本方式來分析不同的墻體材料的保溫效果，從而根據當地的氣候特征選擇相應的墻體材料。

ANSYS 熱分析的基本原理是：先將所處理的對象劃分成有限個單元（包含若干節點），然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程， 由此計算出各節點溫度，繼而進一步求解出其他相關量[3]。 隨著軟件的不斷完善，ANSYS 已經實現了19.0 版本的發布。 首先需要進行單元的選擇、模型的建立以及網格劃分；其次需要設置傳熱分析中的邊界條件，選擇熱荷載的加載方式；最后實現ANSYS 在計算機上的傳熱模擬。

1.2 數值模擬應用的意義

為了保證科研結果的嚴謹性、真實性、全面性，在研究過程中需要進行大量的試驗。 有了數值模擬的應用，可以同時進行平行試驗，減少了原材料的購買量，降低了經濟成本，同時減少了勞動成本，并且可以在短時間內得到模擬的結果，大大提高了工作效率。 在復雜的工程研究中，ANSYS 可以根據外界影響因素設定相應的環境條件，通過特定的條件，實現多元化的問題分析。 采用數字模擬方式得到的研究數據更加具有真實性，也是數值模擬應用的價值所在。

2 建筑儲能墻體傳熱模擬

2.1 建筑儲能墻體的研究

相變材料（PCMs）是利用物質的相變過程吸收或放出大量熱量，與此同時溫度基本無變化。 因此，相變過程中可以將多余的能量存儲起來，在需要時再釋放出來[4]。這種材料比一般的材料更加節能、環保。 另外，不僅僅是材料的種類會影響墻體的傳熱，同樣的材質， 厚度不同其傳熱性能也會有所差異。通常，相變材料與建筑材料通常有三種結合方法：浸泡法、摻入法和定型相變材料法[5]。由于相變材料在相變過程中會出現液體流淌現象，因此，國內外學者通常會尋求不同的載體對其定型。 近年來定型相變材料的制備得到了更多研究人員的關注。 然而由于定型相變材料種類繁多，摻入量及摻入方式也有所不同。 同時，儲能材料與傳統材料的相容性也是不容忽視的問題。

2.2 傳熱過程的數值模擬研究

由于儲能墻體傳熱過程較為復雜，很多科研人員利用ANSYS 分析建筑儲能墻體傳熱過程。 在建筑儲能墻體的傳熱過程中應用ANSYS 數值模擬得到的相關溫度分布及數據與設計的試驗數據進行比對，最終確定最優方案。

林坤平[6]利用焓法對采用儲能相變墻的房間的傳熱過程進行了數值模擬，并分析了不同氣候條件下儲能墻體的使用效果。 柴國榮[7]基于ANSYS 軟件建立數學模型，對兩種不同厚度混凝土墻體進行研究，發現增加定形相變材料起到了很好的節能效果。吳輝琴[8]通過對EPS 混凝土砌塊墻體的ANSYS 模擬，研究出EPS 混凝土砌塊與砌筑砂漿的導熱系數不同，因此導致墻體傳熱過程中二者的阻熱能力有所不同。并分別設計3 類不同的EPS 混凝土砌塊墻體，利用ANSYS 軟件模擬墻體傳熱，分析其傳熱過程。將模擬值與試驗測量數值比較，發現軟件模擬值與試驗值的誤差約為5%，表明軟件模擬可以取代傳統的試驗法。 由此可見，原本通過原料進行的試驗可以通過軟件模擬來實現，不僅降低研究成本，還減少了試驗的次數，從而減少了原材料的浪費。 孫瀟[9]制備了以石蠟為儲能材料的石膏復合建筑墻體，并利用ANSYS 軟件建模， 模擬了墻體的溫度變化過程。 樊建新[10]基于ANSYS 有限元分析法模擬了EPS 和EPS+PCM 兩種模型的相變過程，證實了模擬結果與試驗結果具有較好的一致性。

3 結語

綜上，有效改善儲能基材與傳統建材的相容性和穩定性是目前儲能墻體研制中亟待解決的關鍵技術。 同時，在滿足上述性能要求的基礎上降低成本也是儲能材料研究的一個重要方向。

目前，將不同種類的儲能材料與不同構造的墻體相結合的傳熱數值模擬分析較少，且相變材料本身具有明顯的非線性特點，因此儲能建筑墻體的傳熱分析也較為復雜。 針對不同工況的建筑，需建立適合的傳熱模型進行分析，從而對不同氣候條件下的儲能墻體的應用提供一定的技術支持。