作者：张毅
用相变储能建筑材料构筑建筑围护结构，可以增加围护结构的热惰性，提高蓄热能力，降低室内温度波动幅度，提高室内环境舒适度，现已成为国内外研究的热点。
Zhang YP认为在相变围护结构的应用中，相变材料参数的选择至关重要。Arnault A认为在选择相变围护结构的参数时，其性能评价指标的建立非常重要，有时会直接影响最佳相变参数的选择。Koo J以围护结构蓄热量为评价指标，得出相变材料的相变温度应该接近室内空气温度，相变区间应该比较小的结论。Jin X以室内温度及地板表面热流密度的波动为评价指标，研究了双层相变材料应用于地板辐射系统时相变参数的选择，指出最佳相变温度与相变材料层在地板中的位置有关。Zhang YP以围护结构内表面热流修正因子以及穿透时间为评价指标，指出对于外墙中的相变材料应增大其相变潜热，减小其导热系数。Jiang F以室内空气温度不低于舒适温度下限为评价指标，得出最佳的相变温度应该比舒适温度下限高1.1~3.3 0C的结果。Ibanez M以加入相变材料后室内空气温度下降的幅度为评价指标，表明夏季时相变材料应该布置在西墙和屋顶，相变温度应该在25～27.5°C。Neeper DA以室内热负荷为评价指标，研究显示相变材料的相变温度应该接近室内空气温度。Peippo K以相变围护结构吸热量为评价指标，提出相变温度应该比室内空气温度高3 °C,、Zhang YP通过文献综述的方式得出相变材料的相变温度应该接近室内空气温度。
从以上研究可以看出，相变围护结构性能评价指标的建立是其设计和应用的关键环节。本文从相变围护结构的传热特性角度出发，提出用于评价相变围护结构不同传热性能的指标，并基于此评价指标得出设计相变围护结构时选择参数的方法。
1传热性能评价指标的建立
在以往的相变围护结构传热理论模型中一般都假设墙体由内到外都是由相变材料构成，而相变围护结构在实际应用中多是以多层的形式存在的，即相变层的内表面或者外表面或者内外表面同时布置了一层普通的建筑材料。由于普通建筑材料的热容与相变材料相比较小，因此，在理论建模时忽略普通建筑材料的热容，将其近似为一层导热的热阻。
在夏季条件下，根据室内外温度的不同，相变围护结构与室内外的传热情况主要可以分为以下两种（图1）。图中R1和R2分别为相变层内、外所布置的普通建筑材料的热阻；ξ1为室外侧已经发生相变的材料厚度，m;qin为围护结构内表面热流密度，W/m2;qout为围护结构外表面热流密度．W/m2;L为相变层总厚度，m；tout为室外空气温度．oC：tin为室内空气温度，°C。
如图1(a)所示，在隔热过程中，室内空气温度比较低，室外温度比较高，相变材料的相变温度介于室内外空气温度之间。对于这种传热情况，相变围护结构的作用是从室外吸热，并将其中的一部分储存在相变材料中，而将剩余的部分热量传递到室内，起到了隔热的作用，因此本文提出隔热因子n1用于评价相变围护结构的隔热性能，其意义为相变材料向室内放出的热流占其从室外吸收热流的百分比。
夏季为了增强相变围护结构的隔热作用，必须减小n1。
如图1(b)所示，在吸热过程中，室内和室外的温度都比较高，室内空气温度超出了人体舒适性的要求，这时候相变材料同时从室内和室外吸热，起到了“热汇”的作用，因此本文提出吸热因子n2用于评价相变围护结构的吸热性能，其意义为相变材料从室内侧吸收的热流占其总吸收热流的比例。
夏季为了增强相变围护结构从室内吸热的性能，必须增大n2。
2相变围护结构传热模型的建立
本文拟采用热阻法得到相变围护结构传热过程的解析解，在使用热阻法对相变围护结构的传热进行求解的过程中做如下假设：①相变材料的显热和潜热都集中于相界面处释放，因此，同相和液相的相变材料内部温度分布呈线性；②相界面处的温度始终保持为相变温度；③相变层两边的普通建材的热容可以忽略，即可以简化成内外的两层热阻Ri和R2。根据以上假设便可以使用热阻法对相变围护结构的传热过程进行求解。
相界面处释放出的热量Q为
式中：Q为相界面处释放的总热量，kj/m2;Ql2le为相界面处释放的潜热量，kj/m2;Qliq为液相相变材料释放的显热量,kj/m2;Qsol为固相相变材料释放的显热量，kj／m2。
对于相变围护结构，在其由固态向液态转变过程中可以忽略固相相变材料显热的影响，因此
假设相变围护结构的初始温度为相变温度，据此可得：
式中：p．为液相相变材料密度，kg/m3;c1为液相相变材料比热容，kj/( kg．℃)；丁为时间；
为平均过余温度，°C。
式中：tm为相变温度，℃；t为相变材料内任意一点的温度，℃；x为任意一点对应的横坐标，m。
由于墙体内部的温度分布为线性，因此可以得出：
式中：R1为相变层外侧热阻，(m2.K)/W;hout为围护结构外表面对流换热系数，W/(m2.K)；A为相变材料导热系数，W/(m•K)。
由式(3)~(7)可知：
墙体的潜热热流Qlstc为
式中Ps为固相相变材料密度，kg/m3;H为相变潜热，kj/kg。
对于隔热过程，其能量平衡方程为
对于吸热过程，其能量平衡方程为
根据公式(10)，(11)和(12)便可以求出室内侧和室外侧发生相变的材料厚度ξ1和ξ2随时间T的变化函数，进而求出内外表面热流密度，代入公式(1)和(2)便可得出不同时刻的隔热因子和吸热因子。
本文的验证数据来自文献，其计算结果来自于准稳态法。从图2中可以看出本文计算结果与文献计算结果吻合度非常高，最大误差只有9%,说明本文的模型可以很好的描述相变围护结构的传热过程。
3相变围护结构传热性能指标的单因素分析及
相变参数的选择
本文选取表1中的计算参数，定量研究不同因素对相变围护结构传热性能指标的影响。研究某一参数的影响时其他参数取定值不变。
3.1外层热阻Ri的影响
相变层外层的热阻R1由外层材料的导热系数以及厚度决定，R1对相变围护结构内外表面热流密度以及隔热因子、吸热因子的影响如图3所示。
由图3(a)可知，随着外层热阻R1的增加，相变层外表面热流密度下降的非常快，而内表面热流密度虽然也下降，但是其幅度非常小，这说明增加相变层外层的热阻对减小相变围护结构向室内传热量的作用不大。对于隔热因子而言，当R1从0.2 (m2.K)/W变化至0.5 (m2.K)/W，N1大约从0.2变化到0.4，这说明相变层从室外吸热的热流中只有小部分传向了室内。
由图3(b)可知，相变层外表面热流密度随着外层热阻R1的增加而减少，但是R1的改变对相变层内表面热流密度没有影响。当R1从0.2 (m2.K)/W变化到0.5 (m2•K)/W时，相变层的吸热因子n2大约从0.08增加至0.15，这说明相变层融化所需要的热量大部分还是来自于室外。
3.2内层热阻R2的影响
相变层内层的热阻R2由内层材料的导热系数以及厚度决定,R2对相变围护结构内外表面热流密度以及隔热因子、吸热因子的影响如图4所示。
南图4(a)可知，随着内层热阻R2的增大，相变层内表面热流密度和外表面热流密度都下降。其中内表面热流密度qin变化的更加显著。当内层热阻R2从0.2 (m2.K)／W变化到0.5 (m2.K)/W时，相变层隔热因子从0.8减小至0.4，即R2为0.2( m2•K)/W时，相变层将其从室外吸收的大部分热流都传向室内，而当R2为0.5 (m2.K)/W的时候，相变层将其从室外吸热的大部分热量都用于本身的融化，只将小部分热量传向室内。
由图4(b)可知，内层热阻R2的增大对相变层外表面热流密度qout没有影响，但是却会引起内表面热流密度绝对值|qin|的减小，从而导致相变层吸热因子n2：的增大。当内层热阻R2从0.5( m2•K)/W变化到0.2 (m2•K)／W时，相变层的吸热因子大约从0.14增大至0.24，相变层融化所需要的热量大部分来自于室外。
从相变层内外层的热阻R1和R2对其传热特性的影响可以看出，对于隔热过程来说相变层应该尽量布置在相变围护结构的外侧；对于吸热过程来说，相变层应该尽量布置在相变围护结构的内侧。
3.3相变温度的影响
相变温度是影响相变围护结构热性能的重要因素，它不仅影响传热量的大小，而且还决定了传热的方向。不同相变温度下，相变围护结构内外表面热流密度以及隔热因子、吸热因子的变化见图5。
由图5(a)可知，相变温度对相变层内外表面热流密度qout和qin都有较大影响。当相变温度接近室内空气温度时，相变层外表面热流密度qout增加，而内表面热流密度qin减小，因此隔热因子减小的幅度较大一当相变温度为29℃（相变温度和室内温度的温差为4℃）时，隔热因子n1为0.6~0.7,相变层将其从室外吸收的大部分热量都传热室内=当相变温度为26℃（相变温度和室内温度的温差为1℃）时，隔热因子n1大约为0.1，相变层的隔热性能得到了极大的改善。
由图5(b)可知，随着相变温度的降低，相变层外表面热流密度qout和内表面热流密度的绝对值qinl都增加，吸热因子n2也增加，相变围护结构的吸热性能得到了增强。
总体而言，在相变时间允许的条件下，对于隔热过程而言，相变温度应该尽可能地接近室内空气温度。对于吸热过程而言，相变温度应该尽可能低一点，当然，考虑到其凝固过程，相变温度也不宜太低，否则会使得相变材料在夏季气候条件下不易凝固，不能持续发挥其相变蓄能的作用。
3.4相变潜热的影响
在相变温度一定的情况下，相变潜热不仅影响热流密度的大小，还影响相变材料的相变时间，相变潜热对墙体内外表面热流密度以及隔热因子、吸热因子的影响见图6。
由图6(a)可知，随着相变材料潜热的增加，相变层外表面热流密度qout增加而内表面热流密度qin减小，从而导致隔热因子n1减小。
由图6(b)可知，相变潜热的增加对于内表面热流密度绝对值|qin|的影响较小，但是却会引起外表面热流密度qout的增加，从而导致吸热因子n2的下降。
由此可知，在相变时间允许的条件下，较大的相变潜热对于隔热过程比较有利，而吸热过程则希望相变潜热小一些。
最后有必要指出的是：相变时间是决定相变围护结构应用的非常重要的因素之一，而以上研究的各个因素也都对相变时间有一定的影响，在实际应用过程中可以在考虑到其隔热性能和吸热性能的情况下，通过各个因素之间的互相调整来达到实际应用所需要的相变时间。
4结论
①当相变围护结构起到隔热作用时，宜将相变层布置在相变围护结构的外侧，相变温度接近室内空气温度，相变潜热宜较大而导热系数宜较小。
②当相变围护结构起到吸热作用时，宜将相变层布置在相变围护结构的内侧，相变温度宜尽量低一些，相变潜热宜较小。
本研究得出的相变传热过程的解析解可以为其他数值研究提供验证，本研究得出的结论可以为相变围护结构的设计提供理论和技术支持。
5摘要：
为了揭示相变围护结构内、外表面的传热机理，文章针对夏季相变同护结构的两种不同传热过程，提出了“隔热因子”和“吸热因子”两个评价指标用于评价其传热性能，并利用热阻法建立了两种传热情况下的传热方程，对两个评价指标进行了理论求解：最后对影响两个评价指标的各个因素进行了单因素分析，得出不同因素对评价指标影响的规律。该研究可以为相变围护结构的参数选择提供理论依据和技术支持：
