在炎热的气候下使建筑物保持稳定的温度通常需要大量的能量。改善热性能的一种选择是在建筑物中加入相变材料(PCM)。为了研究相变材料在调节温度方面的有效性，研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对包含 相变材料 的新型灰泥进行了模拟。然后，他们分析了相变材料增强型灰泥的热性能，并将仿真结果与参考的灰泥进行了比较。
使用相变材料提高建筑物的热性能
建筑物中的主动温控系统可以帮助人们在极端天气条件下保持舒适。例如，这类系统可以在“夏季主导”的地方维持室内恒定的温度，这些地方通常在白天非常温暖，晚上非常凉爽。然而，主动温控系统会消耗大量能量。全天 24 小时运行也很昂贵，这使得它们在这种气候下保持稳定的室内温度不太理想。
被动温控系统具有更高的效率。这些系统的一个优点是它们可以用更少的能量运行。它们还可以与主动温控系统配合使用，从而最大限度地减少保持恒定温度所需的能量。此外，被动温控系统可以在施工期间包含在建筑物中，有助于在结构的整个生命周期内降低能耗成本。
正在改造的卧室。墙壁上涂着着标准的灰泥。
在建筑构件中使用相变材料是被动温控的一种方法。当相变材料发生相变时，开始在很小的温度范围内吸收或释放其潜热，这取决于它们是处于液相还是固相。这样做会增加建筑物的热惯性。因为相变材料可以根据需要提供或储存热量，在日常温度变化较大的地区的建筑物中使用相变材料尤其具备优势。但是，这种相变材料的热性能在长期炎热的气候中不太有用，因为它们也会保持高温。
为了优化相变材料在建筑物中的应用， Frederick 研究中心和 Cyprus 大学的研究团队使用了数值仿真。
基于数值仿真的新相变材料增强型灰泥建模
为了研究相变材料在建筑构件中的热性能，研究人员创建了一个三维模型，该模型由混凝土块和一层灰泥组成。他们在灰泥中添加了不同重量的相变材料：
- 5%
- 10%
- 20%
相变材料可以根据炎热气候中的温度变化进行调整。Micronal 5038X 的熔化温度为 26°C，因此可以作为相变材料使用。为了了解相变材料在管理温度方面的效果，该模型还包含了一个参考灰泥作为比较。
建筑构件的几何图形。图片由 A. Kylili、M. Theodoridou、I. Ioannou 和 P.A. Fokaides 提供，摘自他们的COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。
该模型通过相变传热 接口描述相变材料的行为。该接口可以帮助预测这类材料在相变时如何转变。在本例中，研究人员在整个模拟过程中用 Micronal 5038X 确定灰泥中的温度传递。
模型中的外部温度基于每小时平均测量的温度。使用真实温度可提高仿真的准确性，从而更真实地了解相变材料在特定气候下的热性能。
请注意，您可以在 COMSOL Multiphysics 中访问 6000 多个不同区域的气象数据。要了解如何操作，请查看这篇关于房屋内部和周围空气流动传热模拟的博客文章。
分析相变材料增强型灰泥的仿真结果
让我们来看看仿真结果与实验数据的比较情况。如下图所示，参考灰泥和 5% 相变材料灰泥的温度峰值和时间都显示出良好的一致性。根据这些结果，还可以验证包含 10% 和 20% 相变材料的灰泥。
参考灰泥和 5% 相变材料灰泥的仿真和实验结果的比较。图片由 A. Kylili、M. Theodoridou、I. Ioannou 和 P.A. Fokaides 提供，摘自他们的 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的论文。
在查看不同灰泥的热性能时，我们可以看到灰泥中相变材料的百分比越高，性能越好。使用 Micronal 5038X 可以最大限度地减少建筑内部在 24 小时内的温度变化。此外，建筑达到最高和最低温度需要更长的时间。
相变材料的另一个有用方面是它可以适应不同的白天和夜间温度。在 24 小时内，相变材料能够相变两次。
左：含有不同百分比相变材料的灰泥热性能。右：使用了相变材料增强灰泥的建筑构建中的温度分布。图片由 A. Kylili、M. Theodoridou、I. Ioannou 和 P.A. Fokaides 提供，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站的演讲。
基于研究人员的模拟结果，并通过实验数据验证，可以优化用在炎热气候下的建筑物中的新型增强灰泥。
了解有关相变材料建模的更多信息
- 阅读研究人员的完整论文：Numerical Heat Transfer Analysis of a Phase Change Material (PCM) – Enhanced Plaster
- 查看有关如何对相变进行建模的博客文章：
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