建筑储能墙体传热模拟的研究综述

魏 杨 张 裕 万法林 顾逸飞

宿迁学院建筑工程学院（223800）

0 前言

随着城市化进程的推进， 建筑能耗在迅速增长。 据文献报道，全球范围内的建筑运行能耗约占全社会终端能耗平均比例的1/3[1]。 同时，随着生活水平的提高，人们对室内环境的舒适度有了更高的追求，我国北方地区的冬季取暖及中部、南方地区的制冷所导致的能耗在建筑能耗中也占有很大的比重。因此，建筑墙体在满足结构、安全及功能的条件下，应同时具有节能作用。 为改善墙体结构的保温隔热性能，提高其绝热性是建筑墙体节能设计的一项重要内容。

由于室内外存在温差，热量会通过墙体产生转移，其传热过程主要是在热传导、热辐射及热对流三种方式的作用下完成的[2]。 储能墙体的传热研究始于20 世纪80 年代， 将储能材料与传统墙体材料结合作为围护结构的主要建筑材料。利用储能材料自身在特定温度范围内的蓄放热特性，不仅减少了室内温度的波动和制冷制热设备开启的次数，而且使得室内温度能够维持在一定的范围内，从而提高了人体的舒适度。

1 ANSYS 热分析原理

1.1 ANASY 传热模块

在实际生产过程中，常常会遇到多种多样的热量传递问题。 ANSYS 在能源、化工、冶金、建筑、电子、航空航天等行业应用较为广泛。 以建筑墙体传热为例，需要通过ANSYS 中热传导、热对流、热辐射三大基本方式来分析不同的墙体材料的保温效果，从而根据当地的气候特征选择相应的墙体材料。

ANSYS 热分析的基本原理是：先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程， 由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量[3]。 随着软件的不断完善，ANSYS 已经实现了19.0 版本的发布。 首先需要进行单元的选择、模型的建立以及网格划分；其次需要设置传热分析中的边界条件，选择热荷载的加载方式；最后实现ANSYS 在计算机上的传热模拟。

1.2 数值模拟应用的意义

为了保证科研结果的严谨性、真实性、全面性，在研究过程中需要进行大量的试验。 有了数值模拟的应用，可以同时进行平行试验，减少了原材料的购买量，降低了经济成本，同时减少了劳动成本，并且可以在短时间内得到模拟的结果，大大提高了工作效率。 在复杂的工程研究中，ANSYS 可以根据外界影响因素设定相应的环境条件，通过特定的条件，实现多元化的问题分析。 采用数字模拟方式得到的研究数据更加具有真实性，也是数值模拟应用的价值所在。

2 建筑储能墙体传热模拟

2.1 建筑储能墙体的研究

相变材料（PCMs）是利用物质的相变过程吸收或放出大量热量，与此同时温度基本无变化。 因此，相变过程中可以将多余的能量存储起来，在需要时再释放出来[4]。这种材料比一般的材料更加节能、环保。 另外，不仅仅是材料的种类会影响墙体的传热，同样的材质， 厚度不同其传热性能也会有所差异。通常，相变材料与建筑材料通常有三种结合方法：浸泡法、掺入法和定型相变材料法[5]。由于相变材料在相变过程中会出现液体流淌现象，因此，国内外学者通常会寻求不同的载体对其定型。 近年来定型相变材料的制备得到了更多研究人员的关注。 然而由于定型相变材料种类繁多，掺入量及掺入方式也有所不同。 同时，储能材料与传统材料的相容性也是不容忽视的问题。

2.2 传热过程的数值模拟研究

由于储能墙体传热过程较为复杂，很多科研人员利用ANSYS 分析建筑储能墙体传热过程。 在建筑储能墙体的传热过程中应用ANSYS 数值模拟得到的相关温度分布及数据与设计的试验数据进行比对，最终确定最优方案。

林坤平[6]利用焓法对采用储能相变墙的房间的传热过程进行了数值模拟，并分析了不同气候条件下储能墙体的使用效果。 柴国荣[7]基于ANSYS 软件建立数学模型，对两种不同厚度混凝土墙体进行研究，发现增加定形相变材料起到了很好的节能效果。吴辉琴[8]通过对EPS 混凝土砌块墙体的ANSYS 模拟，研究出EPS 混凝土砌块与砌筑砂浆的导热系数不同，因此导致墙体传热过程中二者的阻热能力有所不同。并分别设计3 类不同的EPS 混凝土砌块墙体，利用ANSYS 软件模拟墙体传热，分析其传热过程。将模拟值与试验测量数值比较，发现软件模拟值与试验值的误差约为5%，表明软件模拟可以取代传统的试验法。 由此可见，原本通过原料进行的试验可以通过软件模拟来实现，不仅降低研究成本，还减少了试验的次数，从而减少了原材料的浪费。 孙潇[9]制备了以石蜡为储能材料的石膏复合建筑墙体，并利用ANSYS 软件建模， 模拟了墙体的温度变化过程。 樊建新[10]基于ANSYS 有限元分析法模拟了EPS 和EPS+PCM 两种模型的相变过程，证实了模拟结果与试验结果具有较好的一致性。

3 结语

综上，有效改善储能基材与传统建材的相容性和稳定性是目前储能墙体研制中亟待解决的关键技术。 同时，在满足上述性能要求的基础上降低成本也是储能材料研究的一个重要方向。

目前，将不同种类的储能材料与不同构造的墙体相结合的传热数值模拟分析较少，且相变材料本身具有明显的非线性特点，因此储能建筑墙体的传热分析也较为复杂。 针对不同工况的建筑，需建立适合的传热模型进行分析，从而对不同气候条件下的储能墙体的应用提供一定的技术支持。