炎热干旱气候下屋顶曲率与相变材料选择对建筑被动制冷的协同影响研究

《Energies》：Effects of Flat and Barrel-Vault Roof Geometry on Phase Change Material Performance for Passive Cooling: A Numerical Study in Hot–Arid Climates

　　

摘要

在炎热干旱气候条件下，屋顶是建筑围护结构中受太阳辐射影响最大的组成部分，相变材料（PCMs）被广泛用于缓冲由此产生的热量增益。然而，几乎所有已报道的PCM-屋顶研究均采用平屋顶，屋顶曲率与PCM性能之间的相互作用在很大程度上未被研究。本研究采用三维瞬态计算流体力学（CFD，ANSYS Fluent）结合太阳光线追踪技术，在炎热干旱气候条件下，对单室住宅模型中集成PCM的平屋顶和筒拱屋顶几何形状进行数值比较。两阶段设计首先分离屋顶几何形状的影响（平屋顶与筒拱屋顶，均配备相同的PCM），然后评估PCM热性能的影响（在筒拱屋顶几何形状中，使用PCM1-PCM3，其熔化范围分别为29-34、27-29和34-36°C）。在第四模拟日，系统达到周期性状态后，与平屋顶相比，筒拱屋顶将室内空气峰值温度降低了1.7 K，24小时平均温度降低了1.5 K。在各种PCM中，PCM3给出了最低的室内空气峰值温度（29.5°C），而PCM2给出了最低的24小时平均温度（25.30°C，对比室外平均温度32.30°C），但峰值温度最高。三种PCM每天都进入其熔化范围，但只有PCM1完成了完整的熔化-冻结循环。结果表明，屋顶曲率和PCM熔化范围的选择是炎热干旱气候下建筑被动制冷的两个独立手段。