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 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術北京市重點實驗室，北京 100124；2.陜西建工安裝集團有限公司，陜西 西安 710068；3.中國京冶工程技術有限公司，北京 100088)

極端熱濕氣候區(qū)是指某地近地表面的空氣溫度、相對濕度和太陽輻射參數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.根據太陽能資源豐富程度等級劃分標準，該地區(qū)為1級，太陽資源最豐富.外圍護結構外表面受到的日曬時數和太陽輻射強度，以水平面為最大[2].所以，隔熱的重點在屋頂.對于有屋頂房間，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荷和室外的輻照度在時間上具有“同步”特性[6]，而相變材料作為新型儲能材料，通過把相變過程中吸收或釋放的大量熱能儲存起來而實現能量的時空轉換[7]，因此相變儲能技術已經成為近年來可再生能源領域的研究熱點，建筑圍護結構結合相變材料能夠大幅提高其蓄熱性能，削弱室外環(huán)境波動對室內熱環(huán)境的不利影響[8].近年來，國內外學者針對相變材料的封裝方式、相變儲能圍護結構的熱工性能等進行了大量的研究.付舜宇等[9]分析了影響相變材料儲放熱性能的因素，討論了相變材料應用于建筑圍護結構中的設計規(guī)則.結果表明：相變材料的應用應充分考慮與氣候環(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]對國內外應用相變材料的超低能耗建筑進行分析.結果表明：墻體、窗體及屋頂等不同應用形式均能減少室內溫度的波動，降低供暖、空調設備的容量.葉海等[11]搭建了彩鋼板輕質縮尺模型室，將鋁箔袋封裝的相變材料貼附在實驗艙內壁進行實驗，測試了相變材料在上海冬季的應用效果.結果表明：相變材料對實驗艙的調溫效果與天氣情況密切相關.相變材料的使用使得溫度波動幅度減小，提高了熱舒適時間百分比.羅振宇等[12]將不同相變溫度的定型相變板分別應用于實驗房的內外兩側，并對其夏季的隔熱特性進行分析.結果表明：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，降低并延緩室內溫度峰值.劉加平等[13]對熱濕地區(qū)的建筑防熱措施進行了深入的文獻調研工作，探索了該地區(qū)建筑防熱技術的發(fā)展方向.結果表明：相變圍護結構具有良好的應用前景.

本文針對極端熱濕氣候區(qū)的特點，通過風洞試驗臺探究輻射強度及相變層厚度對相變隔熱屋頂熱工性能的影響機理，并利用Matlab數值模擬，進一步確定適合該地區(qū)的應用形式、相變層厚度及相變溫度，以期為熱濕地區(qū)相變圍護結構在公共建筑的應用提供參考.

1 實驗內容

1.1 實驗構件制作

本次實驗所用到的相變材料為導熱性能良好的石墨烯復合微膠囊，相變材料的DSC曲線如圖1示.

圖1 相變材料DSC測試結果

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)間內的吸/放熱量遠大于非相變區(qū)間，即相變材料在相變區(qū)間內的比熱容遠大于非相變區(qū)間，這也正體現了相變材料具有良好的蓄熱能力.

相變構件在厚度方向上分為相變層和隔熱層兩層，構件上下表面及兩層分界面均使用玻纖維網格布分隔.其中相變添加在室外側，即借助相變材料的融化以防止輻射得熱傳入室內.根據風洞實驗臺中對實驗構件大小的要求，制作了4塊相變構件，實驗構件的示意圖以及實物圖如圖2所示.

圖2 實驗構件圖示

該相變構件的尺寸如表1所示.相變層由水泥、沙子和相變微膠囊(質量分數20%)構成，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成，經實驗測量，相變層導熱系數為0.35 W/(m·k)，隔熱層導熱系數為0.10 W/(m·k)，各構件的隔熱層厚度均為40 mm.

表1 實驗構件尺寸設定

1.2 實驗方法

熱濕氣候風洞實驗臺剖面圖如圖3所示.風洞內表面無凸凹，可通過空調小室及入口段加熱器控制風洞洞體內的空氣溫度.風洞平臺可控制的參數及精度如表2所示，為防止風洞內表面與試樣表面有過大的長波輻射換熱，在風洞內表面貼鋁箔.為減少風洞內壁與外界的熱量傳遞，在風洞外壁夾層內設置40 mm厚的聚苯乙烯.

表2 試驗工況表

圖3 熱濕氣候風洞實驗臺剖面圖

表2 風洞平臺控制參數

在風洞洞體內，沿風流動方向布置有五個400 mm×400 mm的試樣槽位，每個試樣槽由“回”形槽和中心的稱重槽組成.稱重槽尺寸100 mm×100 mm，四周應與“回”形槽有一定間隙.試樣上表面與風洞內表面平齊，構成風洞內表面的一部分.實驗臺內溫度控制范圍在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，試樣上表面水平風速控制范圍為0～5 m/s.通過連接數據測控系統(tǒng)可監(jiān)控和記錄逐時的數據.

1.3 實驗步驟

實測過程中在構件的上下表面中心位置均布置了T型熱電偶用于測量屋頂內外表面的溫度，其測量范圍為-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量加載的輻射強度，其型號為LP PYRA 02，測量靈敏度為10 μv/(W/m2)，測量范圍為0～2 000 W/m2，光譜范圍(50%)為205～2 800 nm.將4塊構件的四周均做保溫處理，并依次放入試樣槽，使其上表面與風洞的內表面平齊，實測過程示意圖及實景圖如圖4所示.

圖4 實測過程圖

實驗具體操作步驟如下：

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

(2)設定上、下邊界溫度和水平風速為工況給定值，待溫度穩(wěn)定后，開啟光源至某一輻射強度值開始實驗(逐時邊界通過導入csv格式文件進行自動控制)；

(3)時間到達指定融化時長后，關閉光源，開始凝固階段，凝固時間到達指定時長后結束實驗.

1.4 實驗工況

本次實驗設定輻射強度分為恒定恒定輻射強度及逐時輻射強度，以西沙為例，恒定輻射強度根據該地區(qū)水平面上逐時太陽輻射強度的時均值等差選取了三個輻射強度值分別為223 W/m2、323 W/m2及423 W/m2；水平風速的設定依次為自然對流、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.為了使相變材料經歷完整的熔化和凝固過程，融化時長和凝固時長各為12 h，風洞洞體內空氣溫度設定為低于相變溫度的20 ℃.

2 傳熱模擬

2.1 模型假設

為了簡化計算，突出物理本質，現對傳熱過程做如下假設：

(1)傳熱過程為一維傳熱，即只沿構件的厚度方向傳熱；

(2)除相變材料在相變區(qū)間的等效比熱以外，其余熱物性參數均為常數；

(3)不考慮相變材料熔化時的自然對流以及凝固時的過冷現象.

2.2 傳熱方程及邊界條件

該問題為多層圍護結構的一維相變傳熱，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為時間，s；λ為層材料的導熱系數，W/(m·K)；x為沿厚度方向的坐標，m.

差分形式選擇外節(jié)點法，時間上的向后差分，空間上的中心差分.圍護結構上表面為對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度，W/m2；hc1為上表面對流換熱系數，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)

圍護結構下表面為對流換熱邊界，其邊界方程如公式(4).

(4)

式中：hc2為下表面對流換熱系數，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)

圍護結構的初始狀態(tài)則設定統(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 傳熱模型驗證

大量研究表明，相變圍護結構需要考慮與氣候條件的匹配性，故本文對相變層的應用形式、相變層厚度及相變溫度進行了數值模擬計算，以期對各項參數進行優(yōu)化分析.模擬將西沙逐時的太陽輻射強度、室外空氣干球溫度、室外風速氣象數據導入作為室外側邊界條件，室內側空氣溫度設置為25 ℃.選取6月22日的氣象條件進行計算并進行計算結果分析和討論.計算從前一天開始進行，以排除初始條件對計算結果的影響.6月22日的逐時氣象條件如圖5.

圖5 室外氣象條件

數值傳熱模型結果的準確性需要使用實驗結果進行驗證.經無關性驗證最終確定時間步長本研究時間步長為60 s，空間步長為1 mm.圖6為數值傳熱模型計算結果與實驗結果的構件外表面溫度的對比曲線.由圖中可以看出，兩條溫度曲線的變化趨勢相同.使用公式(8)對數值傳熱模型的計算結果與實驗結果這兩條曲線的均方根誤差進行計算，RMSE=0.96 ℃，可認為數值傳熱模型的計算結果可靠.

圖6 傳熱模型結果與實驗結果外表面溫度對比

(8)

3 結果與討論

3.1 實驗結果與討論

3.1.1 輻射強度的影響

本次實驗首先測試了垂直于構件上表面三種輻射強度下四塊實驗構件的融化和凝固過程.各輻射強度下相變構件和非相變構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相同的趨勢：融化過程開始后，由于輻射得熱的作用，構件外表面溫度迅速升高并逐漸達到穩(wěn)定；凝固過程開始后，由于構件表面與空氣之間溫差的作用，構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行而逐漸減小.

對比非相變構件的溫度曲線可知，在融化階段起始的兩小時內，不同輻射強度下非相變構件外表面溫度平均升高了23.0 ℃，相變構件平均升高21.7 ℃，融化階段結束時非相變構件外表面溫度比相變構件平均升高了1.7 ℃.在凝固階段起始的兩小時內，相變構件外表面溫度平均降低了23.3 ℃而非相變構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)速率同時也降低了外表面最終溫度.

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

圖7 不同構件外表面溫度

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

圖8 構件內外表面溫差

對比非相變構件的溫差曲線可知，添加相變材料增大了內外表面溫差，且增大了溫差到達峰值的時間，即添加相變材料延長了內表面溫度的響應時間.對比同一構件不同輻射強度的內外表面溫差可知，當垂直于構件上邊面的輻射強度每增大100 W/m2時，相變構件內外表面溫差相應增大約4 ℃，非相變構件增大約0.8 ℃.

3.1.2 水平風速的影響

如圖9為各風速條件下相變層厚度為20 mm構件的外側空氣綜合溫度及上下表面溫度.

圖9 風速對構件溫度的影響

由圖中可以看出，水平風速對空氣綜合溫度的影響最為明顯，空氣綜合溫度的峰值出現在6 h左右.由圖9(a)中三條曲線對比可知，在得熱量從構件外側傳遞到構件內側的過程中，溫度波幅會有相應程度的衰減，且溫度峰值出現的時間也會有一定的延遲.這是因為熱量在傳遞時會被材料吸收從而導致了傳熱的衰減現象.對比不同風速條件的曲線可知，增加風速會降低外側空氣綜合溫度波幅，進而使得構件的外表面溫度波幅和內表面溫度波幅降低.

3.1.3 相變層厚度的影響

如圖10為1 m/s風速條件下不同相變層厚度構件的外側空氣綜合溫度及內外表面溫度.對比圖中不同相變層厚度的溫度曲線可以看出，增加相變層厚度對構件外表面溫度波幅的影響較小，而對構件內表面溫度波幅的影響較大.當相變層厚度由0 mm增加至40 mm時，外表面溫度波幅由62.0 ℃降為47.6 ℃，降低了23.2%，而內表面溫度波幅由58.9 ℃降為32.0 ℃，降低了45.7%.

圖10 相變層厚度對構件溫度的影響

3.1.4 傳熱衰減度與延遲時間

圖11為不同風速工況、不同相變層厚度構件的傳熱衰減度.傳熱衰減度即圍護結構外側綜合溫度的波幅與內表面溫度波幅的比值.由圖中可以看出，不同風速條件下，不同厚度的相變層均會明顯增大傳熱衰減度.隨著風速的增加，傳熱衰減度的變化趨勢不明顯，結合風速對構件溫度影響的曲線可知，這是由于增加風速會同時影響外側空氣綜合溫度和內表面溫度.當相變層厚度由20 mm增加至30 mm時，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，相變過程仍然能夠完全發(fā)生，而當相變層厚度為40 mm時，一部分相變材料并未發(fā)生相變，僅增加了構件的厚度，因此傳熱衰減度明顯增大.當風速為3 m/s，相變層厚度為40 mm時，傳熱衰減度達到最大，最大為6.4.

圖11 傳熱衰減度

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

圖12 傳熱延遲時間

3.2 模擬結果與討論

3.2.1 分層形式的影響

將相變材料應用于圍護結構中時，相變層可放置于室內側或室外側.為了討論分層形式對相變隔熱屋頂熱工性能的影響，傳熱模型中分別設置相變層在室外側和相變層在室內側兩種形式，同時保持相變層和隔熱層的厚度不變，分別為20 mm和40 mm.以下將對兩種分層形式的外表面溫度、內表面溫度進行對比分析討論.

圖13(a)為兩種分層形式下屋頂外表面溫度.對比太陽輻射強度曲線圖可以看出，隨著屋頂室外側太陽輻射強度的增加，外表面溫度呈現明顯升高的趨勢，即太陽輻射對屋頂外表面溫度的影響效果明顯.當相變層在室外側時，屋頂外表面峰值溫度較小，且屋頂外表面溫度波幅也較小.即相變層設置在室外側時，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表面溫度以及室外空氣綜合溫度.由圖中可以看出，屋頂內表面溫度相對室外空氣綜合溫度有明顯的衰減和延遲.當相變層在室外側時，屋頂的傳熱衰減度為2.91，內表面峰值溫度為32.6 ℃；當相變層在室內側時，屋頂的傳熱衰減度為2.64，內表面峰值溫度為34.2 ℃.因而，將相變層設置在室外側時，屋頂的傳熱衰減度較大，同時內表面峰值溫度較小.

綜上，對比以上兩種分層形式可知，相變層在室外側時可更好地降低內外表面溫度并增加傳熱衰減度.所以將相變層設置在室外側能使圍護結構更好地應對室外環(huán)境的波動，起到隔熱的作用，以減小室外環(huán)境對室內環(huán)境的影響.

3.2.2 相變層厚度的影響

當相變層中相變材料的質量分數不變時，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相變隔熱屋頂熱工性能的影響，傳熱模型中分別設置10 mm、20 mm、30 mm和40 mm的相變層厚度，且隔熱層均為40 mm.以下將對各工況的外表面溫度、內表面溫度和分界面溫度進行對比分析討論.

圖14為不同相變層厚度下屋頂的外表面溫度.對比圖中曲線可知，隨著相變層厚度的增加，屋頂外表面溫度的波幅呈現減小趨勢，但變化效果不明顯，當相變層厚度由10 mm增加至40 mm時，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，當相變層厚度由10 mm增加至40 mm時，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的內表面溫度及室外的空氣綜合溫度.由圖中可以看出，屋頂內表面溫度相對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間均隨相變層厚度的增加而增加.當相變層厚度由10 mm增加至40 mm時，傳熱衰減度從2.38增加到了4.94.

圖15 屋頂內表面溫度

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.通過對分界面溫度與相變溫度的比較，可以判定相變層是否已經完全液化或凝固.對比圖中各曲線可知，相變層厚度增加時，相變隔熱屋頂在蓄熱時完全液化的時間越晚，同時放熱時完全凝固的時間也越晚.但當相變層厚度大于30 mm時，分界面溫度在夜間放熱時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，內外表面溫度波幅均會減小，且屋頂的傳熱衰減度和傳熱延遲時間均會增大，這使得屋頂更有利于隔熱.但是當相變層厚度大于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存大量潛熱，但是如果相變溫度區(qū)間選擇不恰當時，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所需要考慮的重要參數之一，往往對相變材料的應用效果有著巨大的影響.為了對比相變溫度區(qū)間對相變隔熱屋頂熱工性能的影響，傳熱模型中設置相變溫度區(qū)間為28～30 ℃、30～32 ℃、32～34 ℃、34～36 ℃、36～38 ℃和38～40 ℃的對比工況，同時保持其他參數不變.以下將選取三種相變溫度區(qū)間的結果進行直觀對比，并對各工況的外表面溫度和內表面溫度進行分析討論.

如圖17 為不同相變溫度區(qū)間下屋頂的表面溫度.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，但當溫度進入各自的相變區(qū)間時，各外表面溫度曲線的升溫速率和降溫速率均會呈現減小的趨勢.內表面溫度隨相變溫度區(qū)間的變化趨勢與外表面溫度曲線相似.為了進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的傳熱衰減度，對比可知，由于相變溫度區(qū)間的變化影響了內表面溫度的波幅，所以當相變溫度區(qū)間升高時，傳熱衰減度呈現先增大后減小的趨勢.在相變溫度區(qū)間處于34～36 ℃時傳熱衰減度達到峰值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，相變潛熱會使得內外表面溫度在進入相變區(qū)間時升溫和降溫的速率減小，故而改變相變溫度區(qū)間會改變溫度曲線的走向，進而改變內外表面的溫度波幅.如圖17所示，當相變溫度區(qū)間處于34～36 ℃時傳熱衰減度達到最大值，即該工況下相變隔熱屋頂的隔熱效果最好.

4 結論

本文利用熱濕氣候風洞實驗臺測試了作為相變隔熱屋頂的應用形式下相變構件的熱性能，探究不同輻射強度、水平風速及相變層厚度對隔熱性能的影響規(guī)律，并通過Matlab數值模擬進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.主要結論如下：

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

(2)相變層在室外側時可更好地提高屋頂的傳熱衰減度，相變層合理的厚度應為30 mm，當相變層厚度大于30 mm后，屋頂分界面溫度在夜間放熱時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)間會改變內外表面的溫度曲線的走向，進而改變溫度波幅從而影響屋頂的傳熱衰減度.當相變溫度區(qū)間處于34～36 ℃時傳熱衰減度最大，隔熱效果最好.