内蒙古西部超低能耗草原民居相变墙体调温节能性研究

金国辉， 李威风， 张东杰， 尚 琪， 魏 雪

(1.内蒙古科技大学土木工程学院，包头 014010；2.西部绿色建筑国家重点实验室，西安建筑科技大学，西安 710055； 3.哈尔滨工业大学建筑学院，哈尔滨 150001)

随着生活条件的改善，人民对高质量居住环境的需求越来越迫切，使得建筑能耗不断上升。在建筑围护结构中加入相变材料形成相变墙体，具有调温、储能的作用，可以减小墙体日夜间温差，缓解能源供求时序不匹配的状况，达到降低建筑耗能、提升室内热环境的效果[1-2]。

钱利姣等[3]研究了相变砂浆对室内温度的调节性，结果表明砂浆内相变材料掺量越多，温度延迟时间越长，调温效果越明显。李鸿锦等[4]基于夏热冬冷气候下，分析了相变石膏板的相变性能，认为适宜相变温度是27 ℃，节能性比普通墙体高27.6%。方学旺等[5]利用数学模型分析了外墙覆盖相变石膏板时对室内温度的影响，认为在考虑经济性的条件下，房间的舒适度最佳时，相变石膏板的相变温度为28 ℃，相变潜热为80 kJ/kg。庄孙歧[6]通过编程分析了南京地区相变通风墙的相变石膏不同放置方式的传热过程，结果表，明当风速相同时，相变石膏处于内置方式时墙体内侧表面温度波幅更小。张维维等[7]利用焓法模型和有效热容法模型对相变墙板的传热进行了模拟，结果表明，相变蓄能石膏板蓄放热能力更强，相变墙体在冬夏季时房间节能效果最好的相变温度分别为7 ℃和26 ℃。张维维等[8]利用控温热箱装置研究了相变墙体的传热性能，表明当外界温度的波动幅度越大，相变墙体的节能效果越佳。孙晓雨等[9]将青藏高原地区丰富的太阳能资源与相变集热蓄热墙相结合，分析不同因素对集热蓄热墙的集热效率与供暖稳定性的影响，表明定形相变材料可调节单日供热量的分布以改善供暖稳定性。

通过梳理相关文献发现，相变材料在应用中均具有优异的热工特性。内蒙古西部草原民居冬季室内热环境质量普遍较差，采暖能耗高。为降低草原民居冬季采暖能耗，提升室内热环境，探究相变材料应用在位于寒冷地区的内蒙古西部草原民居中的调温节能作用机理，利用ANSYS数值模拟求解的方法，建立草原民居相变墙体非稳态传热模型，探究不同墙体材料、相变层厚度、对流换热系数和相变潜热下的墙体内壁面温度对外壁面温度的响应规律，为通过相变材料改善草原民居冬季室内热环境提供理论支撑，为内蒙古西部草原民居非透明围护结构的节能设计提供参考。

1 实地调研

内蒙古西部地区地处中国北部边疆，大部分属于严寒地区，是典型的大陆性气候，包括包头、鄂尔多斯、乌海、巴彦淖尔、阿拉善5个盟市，草原类型主要为荒漠草原。由于相关原因，当地经济发展相对落后，居民收入普遍偏低。

通过对磴口县、鄂托克旗和乌拉特前旗等地进行实地调研发现，现有草原民居多数为进入新世纪之后所建造，单层砖混结构，层高3.3 m，外墙墙体主要为370 mm红砖墙，另有少数240 mm红砖墙及400 mm砖包土墙，无保温构造，导热系数大，保温性能差。草原民居实地调研情况如图1和2所示。

图1 草原民居外观Fig.1 The appearance of grassland dwellings

图2 草原民居墙体节点Fig.2 Wall node diagram of grassland dwellings

2 模型构建

2.1 物理模型

选择当地草原民居中常见的红砖作为基础墙体材料，用石蜡基相变材料作为墙体相变层，具有较好的技术经济价值。相变墙体模型如图3所示，红砖墙体层为O～X1，相变材料层为X1～X2，墙体材料层面向室外，相变材料层面向室内。

图3 相变墙体模型Fig.3 Model diagram of phase change wall

2.2 计算模型

为简化计算，将相变墙体的传热过程视为二维非稳态过程，并假定材料均匀一致、各向同性。墙体室内一侧无热扰，只考虑室外太阳辐射与空气温度影响，不计地面辐射换热对相变墙体的影响。对墙体相变层采用焓法，计算模型为

(1)

式(1)中：H为相变材料热焓值，J/m3；ρ为相变材料密度，kg/m3；k为相变材料导热系数，W/(m·℃)；T为相变材料温度，℃。其中焓值H的计算方法为

(2)

式(2)中:cp,s为固相比热，J/(kg·K)；cp,m为等效比热，J/(kg·K)；cp,l为液相比热，J/(kg·K)；T0为0时刻温度，℃，T1～T2为相变温度区间。

墙体材料层计算模型为

(3)

式(3)中:a为墙体材料的热扩散系数，a=kw/(ρw·cpw)，其中kw为墙体材料的导热系数，W/(m·℃)；ρw为墙体材料的密度，kg/m3；cpw为墙体材料的比热容，J/(kg·K)。对于相变墙体内外侧边界条件，均按第三类边界条件计算[10]，给定环境温度和空气对流换热系数，如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

式中：hw,in、hw,out为相变墙体内外表面对流换热系数，W/(m2·℃)；tin、tout为室内外空气环境温度，℃；tw,in、tw,out和tinit为相变墙体内外表面和初始温度，℃。初始条件为

t(x,t)|t=0=tinit

(6)

3 参数设置

选择当地常用的红砖作为基础墙体材料，厚度为370 mm，用20 mm厚石蜡基相变材料作为墙体相变层，热物性参数如表1所示。相变材料在-30、-20、-10、0、10 ℃的焓值分别为-3.697×107、-2.465×107、-1.232×107、0、1.232×107J/m3。模型单元取四节点二维平面单元PLANE55，采取自由网格划分方式，如图4所示。

墙体在内外侧温差影响下，墙体内部温度传递主要沿厚度方向，求解时的边界条件及载荷为墙体内外壁面的对流换热系数和室外空气温度[11]。墙体外壁加载建筑热环境标准气象数据中临河最冷月某日温度，初始温度T0=-20.2 ℃。取冬季墙体内壁面的对流换热系数为5 W/(m2·℃)，外壁面的对流换热系数为19 W/(m2·℃)。

表1 墙体和相变材料热物性参数Table 1 Thermal properties of wall and phase change materials

图4 相变墙体网格划分Fig.4 Mesh division of phase change wall

4 计算分析

为探究不同影响因素对石蜡基相变墙体调温节能性的影响，选取不同墙体材料、相变层厚度、对流换热强度和相变潜热4个因素分别进行数值模拟，并对结果进行探究分析。

4.1 墙体材料对调温性的影响

选取多孔砖和混凝土砌块分别与石蜡基相变材料组成相变墙体和红砖与石蜡基相变材料组成的相变墙体进行比较。多孔砖、混凝土砌块与石蜡基组成的相变墙体材料密度为1 400、700 kg/m3，比热容为1 106、1 050 J/(kg·K)，导热系数为0.43、0.74 W/(m·℃)。计算3种墙体内壁温度变化与加载温度关系，如图5所示。

图5 不同墙体材料内壁面温度变化曲线Fig.5 Temperature change curve of inner wall surface of different wall materials

由图5可知，3种墙体的内壁面温度与加载温度明显不同，加载温度波幅为9.3 ℃，混凝土砌块、红黏土砖和多孔砖相变墙体内壁面温度波幅分别为3.77、3.01、2.47 ℃，温度衰减倍数分别为2.49、3.10和3.77。加载温度峰值在15时左右，多孔砖和红砖的温度峰值约在18时，混凝土砌块约在17时，多孔砖和红砖峰值延迟3 h，混凝土砌块延迟2 h。内壁均温高于外壁0.90、0.78、0.71 ℃，温度峰值差为3.04、2.68、2.16 ℃。

究其原因可知，内壁面温度波幅和衰减倍数不同，说明墙体材料导热系数的大小影响墙体的热稳定性能。导热系数越小，墙体内壁面温度衰减倍数越大，温度波动越小，从而热稳定性越好。加载温度峰值时间不同，说明混凝土砌块的导热系数较大，对温度的敏感性较强，从而使墙体加热速度较快峰值提前。内壁面与外壁面的均温及峰值差说明相变墙体具有良好的调温、保温作用。因此，在内蒙古西部草原民居墙体中加入相变材料有利于改善室内热环境，增加墙体保温性能，减少温度波动和散热量，有利于节省冬季采暖能耗。

4.2 相变层厚度对调温性的影响

计算墙体相变层厚度分别为20、40、60 mm时的墙体内壁面温度，并与未设置相变层的普通墙体内壁温度进行对比，墙体内壁温度曲线如图6所示。

图6 不同相变层厚度内壁面温度变化曲线Fig.6 Temperature change curve of inner wall with different thickness of phase change layer

图6可较为直观地反映出墙体内壁面对外侧加载温度的响应特性，相变墙体与普通墙体热性能有较为明显的差异，普通墙体内壁面温度随加载温度的变化波动比相变墙体明显。3种厚度的相变层和普通墙体均存在峰值延迟和温度衰减现象。普通墙体内壁面温度峰值在16时，20 mm相变墙体峰值在17时，40 mm和60 mm的则在18时，分别延迟1 h、2 h和3 h。普通墙体温度波幅为5.08 ℃，相变墙体波幅为3.38、3.01、2.64 ℃，其温度衰减倍数为1.83、2.75、3.01和3.52。

分析可知，随着相变层厚度增加，墙体保温性能增大，从而使内壁面温度峰值延迟时间越来越长。而随着相变层厚度的增加，相变墙体内壁面温度波幅越来越小，衰减倍数增大，墙体的热阻和储热性能增强，也说明冬季通过草原民居围护结构的散热量随相变层厚度的增加而减少。因此，相变墙体的冬季保温性能优于普通墙体，其节能性也随相变层厚度的提升逐步增加。

4.3 对流换热强度对相变墙体调温性的影响

计算当相变墙体内壁的对流换热系数分别为5、10、15、20、25 W/(m2·℃)时的墙体调温性能，墙体内壁温度变化如图7所示。

图7 不同对流换热的内壁面温度变化曲线Fig.7 Internal wall temperature curves of different convection heat transfer

由图7可知，内壁面对流换热系数对壁面温度有一定影响，温度波动在5 W/(m2·℃)最小，25 W/(m2·℃)最大。5种对流换热系数的内壁面温度峰值均在17 ℃时左右，比加载温度延迟约2 h，温度波幅分别为3.01、4.01、4.48、4.75、4.93 ℃，其温度衰减倍数分别为3.01、2.32、2.08、1.96、1.89。

不同对流换热系数下内壁面温度峰值相同说明内壁面温度峰值不受对流换热系数影响；而相变墙体内壁面对流换热系数的增大，衰减倍数逐渐减小，温度波动越来越大。对流换热系数的增加使墙体内壁面附近空气流速加快，壁面与空气换热量变大，不利于冬季室内热环境的稳定，容易增加热损失使冬季耗能量增加。

4.4 相变潜热对调温性的影响

计算相变层厚度20 mm时，相变潜热在30、60、100、130 kJ/kg时的墙体内壁面温度响应规律，计算结果如图8所示。

图8 不同相变潜热的内壁面温度变化曲线Fig.8 The curve of inner wall temperature under different latent heat of phase change

由图8可知，墙体内壁温度波动在30 kJ/kg时最大，130 kJ/kg时最小，其波幅分别为3.24、3.14、3.01、2.92 ℃，温度衰减倍数为2.87、2.96、3.10、3.19，温度波幅变小，衰减倍数越来越大；内壁均温比加载均温高0.89、0.90、0.92、0.93 ℃。

分析可知，随着相变潜热的增大，温度波动越来越小，衰减倍数逐渐增大，说明相变潜热越大，储存热量越多；但不同相变潜热下温度波幅相差不大，说明相变墙体在提升冬季室内热环境和减少采暖能耗方面有积极作用，但随相变潜热的不断增加，其提升室内热环境的效果有限。

5 结论

采用ANSYS数值分析方法，对影响内蒙古西部草原民居相变墙体传热特性的4个因素进行分析，得出以下结论：

(1)不同墙体材质的导热系数影响墙体热性能，随着导热系数减小，温度衰减倍数增加，内壁面热稳定性提升；随着相变层厚度的增加，墙体保温性能不断增强。

(2)冬季墙体内壁面温度波幅随对流换热系数的增大而增加，在较高的对流换热情形下，不利于冬季室内热环境的稳定和节能；随着相变潜热的增大，对提升冬季室内热环境和减少采暖能耗方面有一定作用，但其效果有限。

(3)通过分析可知，在建造内蒙古西部草原民居时，墙体宜选用导热系数较小的相变材料并增加相变层厚度，降低对流换热系数并选取合适的相变潜热，从而提升冬季墙体自身的保温性能，减少室内温度波动，改善室内热环境，降低建筑物冬季采暖能耗。