雙層相變通風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 環境科學與工程學院，湖北 武漢 430000)

隨著我國城鎮化的快速發展，能源消耗的需求持續增長.我國能源結構長期以煤炭等化石能源為主[1]，煤炭在生產和使用過程中產生的CO2、SO2等氣體是溫室效應和大氣污染的主要來源，對生態環境的影響日益突出.在節能減排能源戰略的大背景下，通過持續的技術創新提高能源利用效率，發展高效清潔能源是我國能源研究領域的重點.

屋面傳熱是建筑圍護結構傳熱的重要組成部分，接收太陽輻射得熱最多.加強屋面保溫節能性能對建筑造價影響不大,節能效益卻很明顯.目前，應用較多的屋面節能技術是通過改進傳統屋面的建筑結構，降低傳熱系數以減少屋面傳遞至室內的熱量，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，相變材料因其獨特的物理性質而備受關注，將相變材料應用于建筑結構日益成為節能領域的研究熱點.

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的熱量，國內外學者在相變蓄熱技術的基礎上增加了通風層，使相變材料的潛熱得到充分利用.同時，夜間通風也能有效提高建筑圍護結構的蓄熱性能[3-4].Evola等[5]在PCM墻板和隔墻之間增加了一個狹窄的空腔，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的主動通風式立面，與傳統墻面相比帶有PCM的通風幕墻的熱慣性和熱響應均有提高.胡志鵬等[7]提出將通風節能墻板與含有相變材料的石膏板結合，在CFD軟件中構建數值模型以研究其熱工性能.劉江等[8]運用EnergyPlus數值模擬軟件研究了相變通風技術在西安地區典型辦公建筑不同季節的應用情況.謝靜超等[9]將相變構件與機械通風相結合，測試了不同風速下相變材料的蓄熱性能，提高送風速度和送風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熱環境進行實驗研究，發現采用蓄熱通風技術的房間,相變材料表面溫度遠低于室內壁面溫度.Prabhakar等[11]通過模擬研究發現采用基于溫度控制的夜間自然通風可使相變材料的利用效率得到大幅提升.Mechouet等[12]將機械通風與相變外墻相結合，發現機械通風可顯著提升室內熱舒適度，降低冷負荷，并縮短相變材料投資的回收期.

現已有較多學者將相變材料與通風技術應用于建筑圍護結構中以降低空調負荷，但將相變材料與夜間通風耦合應用于屋面的研究較少；且多為分析特定氣象日的空調負荷，對屋面全年熱工特性的研究較少.本文提出雙層相變通風屋面，該屋面的主體結構是在普通預制混凝土空心屋面的基礎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屋面結構的簡化動態熱網模型，并利用TRNSYS軟件模擬相變通風屋面的全年工況，以相變材料利用率和空調負荷為評價指標分析其熱性能，并對該屋面相變材料的相變溫度、相變層厚度和通風速度做出優化設計.

1 模型建立

1.1 雙層相變通風屋面結構

雙層相變通風屋面是集相變儲能技術和通風技術于一體的新型圍護結構，能充分發揮相變材料單位體積儲熱量高的特點，有效提高屋面圍護結構的熱工性能，并降低室外氣候變化對室內環境產生的影響，從而減少空調能耗.雙層相變通風屋面結構如圖1所示.結構層尺寸參照《預應力混凝土空心板02G09》圖集中單個YKB4262型預應力混凝土空心板的尺寸.

圖1 雙層相變通風屋面結構示意圖

該屋面的結構從上至下依次為保護層、保溫層、高溫相變層、找平層、空心板結構層(通風層)、低溫相變層.其中保護層、找平層和空心板結構層為普通預制混凝土屋面的基礎結構，起到保護建筑材料、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環境的影響，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的作用下凝固放熱，為了避免熱量傳向室內，將高溫相變層置于通風層之上；低溫相變層的相變溫度較低，主要在冬季發揮作用，將低溫相變層置于最內側可使相變材料在凝固時放出的熱量能更多地傳遞至室內.雙層相變通風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

1.2 簡化動態熱網模型的建立

傳統的相變材料傳熱模型一般采用有效焓法、有效熱容法進行數值模擬分析，這種傳熱模型的準確度高，但計算效率低、耗時長，往往只能模擬在典型氣候日下的傳熱過程.相對而言，圍護結構在全年工況下的負荷特性更具有參考價值和實用意義，因此許多學者將圍護結構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]，模擬更長時間范圍內的傳熱.與傳統的數值模擬方法相比，RC模型的熱流誤差小于10%[14]，計算效率高，輸出結果快，可用于研究圍護結構在全年工況下的負荷特性.

雙層相變通風屋面的簡化動態熱網模型(RC模型)如圖2所示，其中R為熱阻、C為熱容、T為溫度.

圖2 簡化動態熱網模型

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

在MATLAB通過編程描述簡化動態熱網模型的傳熱方程組，輸入室內外氣候參數、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點溫度，從而實現對雙層相變通風屋面的傳熱過程的快速求解.

在RC模型的計算中，相變材料的熱阻設為定值，與相變材料狀態無關.當相變層溫度低于相變溫度范圍下限(固相線)時為固態，高于上限(液相線)時為液態，此時熱容按照表1中數值計算，處于相變溫度范圍內為固液共存狀態，將熱容設定為材料本身熱容與單位溫度變化潛熱量之和.

1.3 TRNSYS平臺的建立

本文在TRNSYS平臺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設置該建筑的圍護結構參數、室內擾動、新風供給及空調系統.建筑圍護結構的熱工特性如表2所示，其中屋頂為雙層相變通風屋面，其相變材料的厚度、相變溫度等熱物性參數仍需優化，可通過編寫的MATLAB程序設置.

表2 辦公建筑圍護結構的熱工特性

依據《實用供熱空調設計手冊》[15]中辦公室的相關設計參考值，夏季供冷時室內空氣溫度為26 ℃，室內空氣的相對濕度為60%；冬季供熱時室內空氣溫度為18 ℃，室內空氣的相對濕度為45%.該建筑的人員密度為8 m2/人，辦公室共15人；新風量為30 m3/(h·人)，換氣次數為1.25次/h；照明強度為11 W/m2，設備強度為20 W/m2，；人員活動強度為極輕活動，相對應的人均產濕量為0.102 kg/(h·人)，人均發熱量為66 W.人員作息時間為每周工作日的早八點至晚六點.

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下雙層相變通風屋面對建筑負荷的影響，模擬時間為8 760 h，時間步長為3 min.模型中調用的MATLAB程序是雙層相變通風屋面的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、相變溫度和通風速度下的熱工性能.模型能通過模塊Type65將全年逐時室內空氣溫度、屋面內表面溫度、相變層節點溫度、建筑冷負荷和建筑熱負荷等模擬結果輸出，方便數據分析和研究.

圖4 帶有雙層相變通風屋面建筑的TRNSYS模型

2 影響因素研究

雙層相變通風屋面的主要特點是利用兩層不同相變溫度的相變材料的儲熱能力及夜間通風技術以提高屋面全年的熱工性能，降低空調負荷，而相變層的厚度及相變溫度范圍，對其適用氣候及儲熱能力影響最為顯著，夏季夜間通風速度則會影響夜間的冷卻效果，故本節主要針對兩相變層的溫度范圍、相變層厚度及通風速度研究屋面的優化結構.

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生相變過程的溫度范圍，這種參數是影響高溫相變層儲熱性能的重要因素，若相變溫度范圍過高，則高溫相變層長時間處于固態，難以融化吸熱，降低白天的蓄熱效果，若相變溫度范圍過低，則高溫相變層長時間處于液態，難以凝固放熱，減少夜間通風帶走的熱量[17].

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

分析圖5中的“完全固態”曲線和“完全液態”曲線可知，相變材料處于完全固態的時間隨相變溫度范圍的增加而增加，處于完全液態的時間隨相變溫度范圍的增加而減少.這是因為當相變溫度范圍較低時，室外環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的時間較多，處于固態的時間較少.而隨著相變溫度范圍的升高，室外環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境傳遞至高溫相變層的溫度，所以相變材料處于液態的時間變少，處于固態的時間變多.“融化狀態”時間占比呈現先升高后降低的趨勢.相變溫度范圍在26～28 ℃時，“融化狀態”時間占比最大，即相變材料在整個供冷期發揮作用的時間最長，利用率最高，相變材料處于融化狀態的時間為1 567.1 h，占整個供冷期時間的53.54%.

圖5 高溫相變層在不同相變溫度范圍時的液相率

供冷期的空調冷負荷是圍護結構節能性的最直觀體現.圖6列出了高溫相變層的相變溫度范圍不同時建筑的供冷期累積冷負荷和最大冷負荷.從圖中可以看出，建筑的累積冷負荷呈現先降低后升高的趨勢，相變溫度范圍為26～28 ℃時累積冷負荷達到最小值，為4 858.63 kW·h，此時相變材料發揮了最佳的蓄熱功能.空調的最大冷負荷也是先降低后升高的趨勢，相變溫度范圍為30～32 ℃時最大冷負荷達到最小值，為24.56 kW.

圖6 不同相變溫度范圍時空調的供冷期冷負荷

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，高溫相變層的儲熱能力不足以吸收室外傳遞的熱量，導致大部分熱量傳遞至室內.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屋面(高溫相變層相變溫度范圍26～28 ℃，通風速度2 m/s)在高溫相變層厚度不同時的傳熱過程.圖7統計了高溫相變層在厚度不同時整個供冷期的液相率.

圖7中的“完全固態”曲線和“完全液態”曲線大致呈下降趨勢.在相變層厚度小于等于40 mm時，相變材料處于完全固態和完全液態的時間隨相變層厚度的增加而減少.這是因為當相變層厚度較薄時，相變材料的潛熱小，很容易在室外環境的影響下變成完全液態或完全固態，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的時間增加.“融化狀態”曲線呈現先升高后降低的趨勢.高溫相變層厚度為40 mm時相變材料的利用率最高，相變材料處于融化狀態的時間為1 595.7 h，占整個供冷期時間的54.51%.

圖7 高溫相變層厚度不同時的液相率

本研究模擬計算了高溫相變層厚度不同時空調的供冷期累積冷負荷和最大冷負荷，如圖8所示.高溫相變層越厚，空調累積冷負荷和最大冷負荷越低.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，累積冷負荷降低了8 kW·h，而相變層厚度從30 mm加至35 mm時，累積冷負荷只降低了3 kW·h.

圖8 高溫相變層厚度不同時空調的供冷期冷負荷

2.3 通風速度

通風速度影響了高溫相變層的蓄熱性能，進而影響雙層相變通風屋面的節能效果，若通風速度太小，則相變材料在夜間的凝固放熱效果不佳，若通風速度太大，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屋面(高溫相變層厚度40 mm，相變溫度范圍26～28 ℃)在通風速度不同時的傳熱過程.機械通風能加快相變材料的凝固放熱速度，所以通風速度影響了相變材料的利用率和儲熱效果.圖9列出了不同通風速度的屋面在整個供冷期的液相率.

分析圖9中的“完全固態”曲線、“完全液態”曲線和“融化狀態”曲線可知，相變材料處于完全固態的時間隨通風速度的增加而增加，處于完全液態的時間隨通風速度的增加而減少，處于融化狀態的時間隨通風速度的增加而減少.機械通風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，通風使得相變材料從融化狀態變成完全固態的時間變短，所以通風速度越大，相變材料處于完全固態的時間越長，而處于融化狀態的時間越短.

圖9 通風速度不同時的液相率

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

圖10 通風速度不同時空調的供冷期冷負荷

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，與室內空氣直接接觸，因此低溫相變層在白天主要依靠室內的空調散熱和室外傳熱儲存熱量，而在夜間向室內釋放熱量，提高屋面內表面的平均溫度，并降低剛開啟空調時空調需承擔的熱負荷，減輕室內供暖負擔.供熱期工作時間的室內空氣溫度設定為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，雙層相變通風屋面關閉機械通風，此時高溫相變層始終處于固相狀態，不發揮作用.在武漢供熱期氣象條件下模擬了雙層相變通風屋面(關閉機械通風，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的傳熱過程.

為了保證低溫相變層能發揮蓄熱作用，其相變溫度范圍不宜超過18 ℃的室內空氣溫度，所以本節模擬計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 ℃時整個供熱期的液相率以及處于完全固態、完全液態和融化狀態的時間，如圖11所示.

分析圖11中的“完全固態”曲線和“完全液態”曲線可知，相變材料處于完全固態的時間隨相變溫度范圍的增加而增加.這是因為當相變溫度范圍較低時，室內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的時間較多，處于固態的時間較少.而隨著相變溫度范圍的升高，室內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空氣傳遞至低溫相變層的溫度，所以相變材料處于液態的時間變少，而處于固態的時間變多.

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

圖11 低溫相變層在不同相變溫度范圍時的液相率

供熱期的空調熱負荷是圍護結構節能性的最直觀體現.圖12列出了低溫相變層的相變溫度范圍不同時建筑的供熱期累積熱負荷和最大熱負荷.從圖中可以看出，建筑的累積熱負荷呈現先降低后升高的趨勢，相變溫度范圍為15～17 ℃時累積熱負荷達到最小值，為1 851.50 kW·h，此時相變材料發揮了最佳的蓄熱功能.

圖12 不同相變溫度范圍時空調的供熱期熱負荷

空調的最大熱負荷是逐漸升高的趨勢，相變溫度范圍為12～14 ℃時最大熱負荷達到最小值，為48.36 kW.這是因為空調的最大熱負荷出現在室外溫度最低時，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仍然能發揮蓄熱作用，提高屋面內表面溫度的最低值，從而降低空調負荷，減少供熱期空調的最大熱負荷.

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熱量大小的重要因素.若低溫相變層太薄，低溫相變層的儲熱能力不足以吸收室內傳遞的熱量，導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，雙層相變通風屋面關閉機械通風，此時高溫相變層始終處于固相狀態，不發揮作用.在武漢供熱期氣象條件下模擬了雙層相變通風屋面(關閉機械通風，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的傳熱過程.圖13統計了低溫相變層在厚度不同時整個供熱期的液相率.

從圖13中可以看出，“完全固態”曲線和“完全液態”曲線大致呈下降趨勢，“融化狀態”曲線呈現上升趨勢.這是因為相變層較厚時，相變材料的潛熱變大，蓄熱能力更強，使得相變材料處于融化狀態的時間增加，處于完全液態和完全固態的時間變少.

圖13 低溫相變層厚度不同時的液相率

本研究模擬計算了低溫相變層厚度不同時空調的供熱期累積熱負荷和最大熱負荷，如圖14所示.低溫相變層越厚，空調累積熱負荷和最大熱負荷越低.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，累積冷負荷降低了18.5 kW·h，而相變層厚度從30 mm加至40 mm時，累積冷負荷降低了13.3 kW·h.

圖14 不同相變溫度層厚度時空調的供熱期熱負荷

3 節能效果分析

根據上一節的研究結論，雙層相變通風屋面的最佳結構為：高溫相變層厚度40 mm，相變溫度范圍26～28 ℃，通風層的通風速度2 m/s，低溫相變層厚度30 mm，相變溫度范圍15～17 ℃.此時屋面在供冷期的累計冷負荷為4 807.53 kW·h，在供熱期的累計熱負荷為1 866.21 kW·h.

為研究雙層相變通風屋面對建筑空調負荷的影響，更直觀地分析該新型屋面的節能潛力，本文設置“參照屋面”進行對比分析，即將雙層相變通風屋面結構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，同時關閉空心板結構層的通風口.在相同的室外氣候條件和室內擾動下，模擬“參照屋面”在全年的屋面內表面溫度、建筑空調冷負荷和建筑空調熱負荷.

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

表3 雙層相變通風屋面和參照屋面的空調冷負荷

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

表4 雙層相變通風屋面和參照屋面的空調熱負荷

4 結論

本文在負荷模擬軟件TRNSYS中建立了帶有雙層相變通風屋面的建筑模型，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屋面熱工性能的影響，并對屋面做出優化設計，結論如下：

(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；通風速度越大，空調累積冷負荷和最大冷負荷越低.但隨著通風速度的增加，屋面熱性能改善的收益逐漸變少，通風層的最佳通風速度為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)經過優化設計后，雙層相變通風屋面在供冷期的累積冷負荷為4 807.53 kW·h，與參照屋面相比減少了2 078.03 kW·h，累積冷負荷降低30.18%.屋面在供熱期的累積熱負荷為1 866.21 kW·h，與參照屋面相比減少了968.41 kW·h，累積熱負荷降低33.92%.

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