相變蓄能建筑墻體研究進(jìn)展

張小松 夏 燚,3 金 星

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)(2東南大學(xué)建筑學(xué)院,南京210096)(3南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院,南京210042)

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相變蓄能建筑墻體研究進(jìn)展

張小松1夏 燚1,3金 星2

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)(2東南大學(xué)建筑學(xué)院,南京210096)(3南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院,南京210042)

對相變材料在墻體中的封裝方式(直接混合、宏觀封裝、微觀封裝和定形相變材料封裝)、相變材料的種類和物性等方面的研究進(jìn)行了歸納總結(jié).從實驗和模擬2個方面,對相變材料位于墻體表面和墻體內(nèi)部影響室內(nèi)環(huán)境和建筑能耗的研究進(jìn)行了綜述和評價.分析表明,微觀封裝和定形相變材料的封裝效果較好;墻體用相變材料的相變溫度一般在20～30 ℃范圍內(nèi);相變材料層在墻體中的安裝位置可分為墻體表面和墻體內(nèi)部2種,但相變材料層在墻體內(nèi)的最優(yōu)位置并不固定,受相變材料物性、墻體材料以及室內(nèi)外環(huán)境工況的影響.通過相變材料與墻體合理高效的結(jié)合,可充分發(fā)揮相變材料的高蓄熱特性,提高墻體的熱性能,達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫度、降低建筑能耗的目的.

相變材料;建筑墻體；蓄熱；節(jié)能

數(shù)據(jù)表明,經(jīng)濟的發(fā)展帶來了能耗的增加,自2009年世界經(jīng)濟危機以來,世界能耗逐年增長,而我國增長速度更快,已成為世界上能耗最大的國家[1].在社會總能耗中,我國建筑運行能耗占約社會總能耗的20%[2],并且也在逐年增大.建筑節(jié)能形勢緊迫并且潛力巨大,因此建筑節(jié)能也已成為國家節(jié)能規(guī)劃的重點.蓄能(熱)被認(rèn)為是實現(xiàn)建筑節(jié)能的一種有效方式,它可以緩解熱量供求雙方在時間、空間和強度上的不匹配[3].蓄熱主要有顯熱蓄熱和潛熱蓄熱2種.顯熱蓄熱主要通過提高固體或液體蓄能介質(zhì)的溫度來達(dá)到蓄能的目的,蓄能能力取決于介質(zhì)比熱、溫度差值及質(zhì)量.現(xiàn)有的固體、液體物質(zhì)中水的比熱最大,但相比于蓄能需要而言此比熱依然較小,蓄能需要大量的容器并有很好的保溫,因此系統(tǒng)效率不高.而潛熱蓄熱也稱作相變蓄熱,則被認(rèn)為是最有效的蓄能方式,通過介質(zhì)相態(tài)的轉(zhuǎn)換從而吸收或放出大量的熱能.它能在近似等溫或者很小的溫度區(qū)間內(nèi)吸收或釋放大量的熱量.以水為例,水的比熱為4.2 kJ/(kg·K),而水的固液相變潛熱則為336 kJ/kg.相變材料可分為有機相變材料、無機相變材料和復(fù)合相變材料,其中有機相變材料包括石蠟、脂肪酸等,它們具有過冷度小、無相分離、無毒等優(yōu)點,但也具有易燃、熱導(dǎo)率低等缺點;無機相變材料包括水合鹽、熔融鹽等,它們具有潛熱大、不可燃、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點,但也有過冷度大、容易相分離、有腐蝕性等缺點;復(fù)合相變材料則由有機材料與無機材料復(fù)合而成[4].

由于相變材料相變時將吸收或放出大量的熱量,若將其應(yīng)用于建筑圍護結(jié)構(gòu)中則可大大提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱性能,從而降低室內(nèi)空氣溫度的波動,減少冷熱負(fù)荷,進(jìn)而達(dá)到建筑節(jié)能的目的[3].本文對相變材料在墻體中的封裝方式、相變材料的種類和物性等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié),從實驗和模擬2個方面,對相變材料位于墻體表面和墻體內(nèi)部對室內(nèi)環(huán)境和建筑能耗的影響進(jìn)行了綜述和評價.

1 相變材料在墻體中的封裝方式

墻體中常用的相變材料為固-液相變材料,由于此類材料會發(fā)生固相-液相轉(zhuǎn)變,因此將相變材料應(yīng)用于墻體內(nèi)，首先應(yīng)解決如何封裝相變材料從而解決防止其泄露的問題.一般而言,相變材料在墻體中的封裝方式有以下幾種:

1) 直接混合.即通過直接混合或沉浸的方式將相變材料混入或滲入建筑材料(石膏、水泥、混凝土、砂漿、保溫材料等)中,這是最簡單的一種封裝手段與應(yīng)用方式.例如，Athienitis等[5]將相變材料滲入到石膏板內(nèi),再將該相變材料石膏板用于一個被動式太陽能測試房中.Neeper[6]將不同比例的脂肪酸和石蠟滲入到石膏板內(nèi)制成一種相變石膏板，并研究了這種相變板的熱性能.Hadjieva等[7]在75 ℃的條件下,將混凝土板沉浸到一種水合鹽相變材料Na2S2O3·5H2O溶液中,從而得到一種可以用于建筑結(jié)構(gòu)的相變材料板.Evers等[8]先將一種石蠟和一種水合鹽類相變材料熔化,再分別將這2種液體噴射到纖維保溫材料內(nèi),從而制得2種墻體蓄能保溫材料.Li等[9]將一種有機相變材料正十九烷和水泥分別以質(zhì)量比1∶4和1∶1的比例溶入水中,干燥后相變材料會分散到水泥的孔隙中，從而得到一種相變材料復(fù)合板.但這種直接封裝方式存在泄漏問題,并且對于某些水合鹽類相變材料使用效果也不好.

2) 宏觀封裝.將相變材料封裝到金屬管、金屬球、塑料袋等內(nèi)部,具體形式有管式、袋式、板式、球式等.例如，Medina等[10]將相變材料裝入銅管內(nèi),然后將這些銅管放入框架墻中.Ahmad等[11-12]將相變材料放入到聚氨酯板或聚乙烯板的板間空隙中.Bontemps等[13]用玻璃容器封裝相變材料.Zalewski等[14]用高分子聚烯烴材料將相變材料封裝于類似磚塊的構(gòu)造內(nèi).Silva等[15]將相變材料充入鋼質(zhì)膠囊內(nèi),再將該膠囊放入多孔磚的孔洞內(nèi).圖1為宏觀封裝方式示意圖.

(a) 板間空隙填充封裝[12]

(b) 玻璃容器封裝[13]

(c) 高分子材料封裝[14]

(d) 鋼質(zhì)膠囊填入多孔磚封裝[15]

3) 微觀封裝.將相變材料封裝入一個由高分子聚合材料制成的且直徑較小(一般1 000 μm以下)的微膠囊中,這種封裝方式能較好地解決相變材料的泄露問題.例如，Hawlader等[16]研究了將石蠟微觀封裝起來的相變膠囊性能,發(fā)現(xiàn)該膠囊適合蓄存太陽能.Schossig等[17]將相變材料封裝起來,再將這些微膠囊分散到石膏板內(nèi),該種微膠囊相變材料具有使用簡單、傳熱性能好等優(yōu)點.Microtek Laboratories, Inc.生產(chǎn)了一種尺寸為17～20 μm的相變微膠囊,外壁為高分子聚合材料,相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%～90%[18].Konuklu等[19]用尿素、三聚氰胺、明膠等材料作為囊材,將辛酸包裹起來，制作出一種微膠囊相變材料.圖2為微觀封裝方式的掃描電鏡圖片及示意圖.

(a) 石臘相變膠囊[16]

(b) 用于石膏板的微膠囊[17]

4) 定形相變材料封裝.該封裝方式是將相變材料(芯材)和高分子支撐與封裝材料(囊材)復(fù)合形成定形相變材料構(gòu)件,再將該構(gòu)件應(yīng)用于墻體.支撐材料一般為高分子材料如高密度聚乙烯(HDPE)及熱塑彈性體(SBS),在微觀尺度內(nèi)將定形相變材料包裹交聯(lián)起來.支撐材料熔點較高,在復(fù)合材料中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對作為芯材的相變材料起微封裝和支撐作用.只要工作溫度低于高分子囊材的熔點,作為芯材的相變材料發(fā)生固-液相變時就不會流出,整個復(fù)合相變材料能保持原來的形狀不變并具有一定的強度,降低了泄漏的可能性[20].近年來國內(nèi)外不少研究機構(gòu)在定形相變材料的制備、性能優(yōu)化、應(yīng)用等方面做了很多研究[21-26],圖3為定形相變材料的外觀及掃描電鏡照片.

(a) 外觀

(b) 電鏡照片

2 相變材料特性及安裝位置

近些年，國內(nèi)外專家學(xué)者對相變蓄能建筑墻體進(jìn)行了模擬和實驗研究,將相變材料應(yīng)用于建筑墻體,可起到以下作用[27-29]:① 增大墻體熱容,從而降低傳入室內(nèi)的最大熱流,延遲最大熱流的到來時間,起到“削峰延遲”作用;② 降低室內(nèi)溫度波動,使室內(nèi)溫度長時間維持在需求的溫度范圍內(nèi),并減少設(shè)備啟停次數(shù)和運行時間;③ 可以結(jié)合可再生能源(太陽能、風(fēng)能等)為房間提供免費冷量或熱量.

表1總結(jié)了近年來用于建筑墻體實驗研究的相變材料種類及熔點、潛熱值.從表中可以看出,用于墻體的相變材料的相變溫度基本處于20～30 ℃區(qū)間內(nèi),而一般研究也認(rèn)為,為了更好地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,選擇的相變材料的相變溫度應(yīng)接近于室溫.

表1 墻體用相變材料種類及物性

相變材料在墻體內(nèi)的安裝位置可分為兩類:① 位于墻體表面,將相變材料通過各種方式混入石膏板、砂漿內(nèi),然后將制成的相變墻板構(gòu)件安裝于墻體表面,一般內(nèi)表面居多;② 位于墻體內(nèi)部,將封裝好的相變材料構(gòu)件放入墻體構(gòu)造層內(nèi),或者將相變材料與混凝土、磚塊、保溫材料混合后直接用于墻體.

1) 相變材料層位于墻體表面

2) 相變材料層位于墻體內(nèi)部

Kuznik等[33]將制得的相變蓄能板放置于墻體的保溫材料層和內(nèi)表面石膏板之間,并利用搭建的測試房間進(jìn)行對比實驗,該房間內(nèi)的溫度、太陽輻射強度等參數(shù)均可嚴(yán)格控制,因此每日的測試工況可重復(fù).分別進(jìn)行夏季、冬季以及過渡季節(jié)中某一天的實驗，結(jié)果表明相變墻板強化了室內(nèi)自然對流,使得室內(nèi)的舒適性提高.Medina等[10]將裝有相變材料的銅管放置于墻體保溫層內(nèi)并貼近房間內(nèi)表面的OSB板,利用搭建的2個測試房間對比了墻體有無相變材料時的熱性能,測試結(jié)果表明，當(dāng)相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相比于內(nèi)墻板)為20%時,墻體峰值熱流可降低62%.多孔磚具有輕質(zhì)、熱阻大等特點,而其內(nèi)部的孔洞也可用于放置相變材料.Silva等[15]和Alawadhi[48]分別研究了在多孔磚的孔洞內(nèi)充注相變材料后的熱性能,結(jié)果表明這些相變材料磚都具有很好的溫度、熱流調(diào)控效果,而相變材料在多孔磚內(nèi)的位置也會影響其熱性能.Huang等[49]研究了在外墻的磚塊層和混凝土層之間設(shè)置一層相變材料層的墻體的蓄熱性能和溫度調(diào)控性能.模擬結(jié)果顯示，在英國一月份的天氣條件下,設(shè)有20 mm相變材料層和20 mm空氣層的墻體可以使內(nèi)墻表面溫度滿足熱舒適要求，并可防止內(nèi)部凝露.Castell等[50]將制得一種石蠟類相變材料板放置于墻體中的多孔磚與保溫材料之間，并進(jìn)行實驗測試,結(jié)果表明墻體內(nèi)安裝有相變材料的房間內(nèi)最高溫度可降低1 ℃，而且溫度波動較小,在整個夏季,房間電能消耗降低約15%.

圖4列舉了相變材料與墻體的結(jié)合方式.

(a) 相變材料位于保溫和內(nèi)墻之間[33]

(b) 相變膠囊摻入內(nèi)墻抺灰砂漿[43](單位：mm)

(c) 內(nèi)壁相變墻板[44]

(d) 內(nèi)外側(cè)雙層相變墻板[45]

(f) 多孔磚充注相變材料[48]

相變材料在墻體中最優(yōu)的安裝位置是不能一概而論的,與相變材料物性(特別是相變溫度)、墻體結(jié)構(gòu)以及環(huán)境工況有關(guān),在最適宜的位置相變材料應(yīng)能在一天之內(nèi)完成熔化-凝固相變循環(huán),也就是說相變材料能發(fā)揮最大的蓄能能力.由于室內(nèi)外溫度的不同,圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)各點的溫度變化也不相同,假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)是由一層層很薄的材料組合而成,那么在一定的工況下,當(dāng)相變材料位于圍護結(jié)構(gòu)中的某些位置時,在升溫和降溫過程中相變材料所經(jīng)歷的溫度變化范圍能包含其相變溫度區(qū)間或與其相變溫區(qū)重疊較多,此時相變材料能吸收并釋放較多的熱量,有些位置則由于相變材料所經(jīng)歷的溫度變化范圍與其相變溫區(qū)重疊較小而不能很好地吸熱或放熱.因此相變材料位置對墻體熱性能會有很大影響.針對這個問題,Jin等[51]研究了將相變材料板放置于保溫材料層中間或貼近保溫材料層等不同位置時對墻體熱性能提升的影響,實驗結(jié)果表明相變材料層位置對墻體熱性能影響很大,墻體中存在著最優(yōu)的相變材料層位置,在該最優(yōu)位置,通過墻體的峰值熱流可降低41%.

3 結(jié)語

通過將相變材料與墻體合理高效結(jié)合,可充分發(fā)揮相變材料的高蓄熱性,提高墻體的熱性能,進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫度、降低建筑能耗的目的,是被動式建筑節(jié)能技術(shù)中的一項有效手段.但相變材料在墻體中的應(yīng)用還存在不少問題，需進(jìn)一步研究和解決:在材料自身方面應(yīng)研制開發(fā)出更便宜的相變材料以提高其經(jīng)濟性,提高相變材料的耐久性、導(dǎo)熱性以及封裝方式的可靠性;在蓄能墻體熱性能提升方面還應(yīng)研究實際環(huán)境工況下相變材料層的最優(yōu)位置,并結(jié)合特定氣候條件及實際的建筑墻體結(jié)構(gòu),針對不同的相變材料及安裝位置,分別選擇最適宜的相變材料等.

References)

[1]Finley M. BP statistical review of world energy[EB/OL].(2013)[2015-03]. http://www.bp.com.2013.

[2]江億, 彭琛, 燕達(dá). 中國建筑節(jié)能的技術(shù)路線圖 [J]. 建設(shè)科技, 2012 (17):12-19.

[3]林坤平. 相變蓄能建筑構(gòu)件應(yīng)用原理和效果研究 [D]. 北京: 清華大學(xué)建筑學(xué)院, 2006.

[4]Sharma A, Tyagi V V, Chen C R, et al. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications [J].RenewableandSustainableEnergyReviews, 2009, 13(2):318-345.

[5]Athienitis A K, Liu C, Hawes D, et al. Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room with wall latent heat storage [J].BuildingandEnvironment, 1997, 32(5):405-410.

[6]Neeper D A. Thermal dynamics of wallboard with latent heat storage [J].SolarEnergy, 2000, 68(5): 393-403.

[7]Hadjieva M, Stoykov R, Filipova T Z. Composite salt-hydrate concrete system for building energy storage[J].RenewableEnergy, 2000, 19(1/2): 111-115.

[8]Evers A C, Medina M A, Fang Y. Evaluation of the thermal performance of frame walls enhanced with paraffin and hydrated salt phase change materials using a dynamic wall simulator [J].BuildingandEnvironment, 2010, 45(8):1762-1768.

[9]Li H, Liu X, Fang G Y. Preparation and characteristics of n-nonadecane/cement composites as thermal energy storage materials in buildings [J].EnergyandBuildings, 2010, 42(10): 1661-1665.

[10]Medina M A, King J B, Zhang M. On the heat transfer rate reduction of structural insulated panels (SIPs) outfitted with phase change materials (PCMs) [J].Energy, 2008, 33(4):667-678.

[11]Ahmad M, Bontemps A, Sallée H, et al. Experimental investigation and computer simulation of thermal behaviour of wallboards containing a phase change material [J].EnergyandBuildings, 2006, 38(4): 357-366.

[12]Ahmad M, Bontemps A, Sallée H, et al. Thermal testing and numerical simulation of a prototype cell using light wallboards coupling vacuum isolation panels and phase change material [J].EnergyandBuildings, 2006, 38(6): 673-681.

[13]Bontemps A, Ahmad M, Johannés K, et al. Experimental and modelling study of twin cells with latent heat storage walls[J].EnergyandBuildings, 2011, 43(9): 2456-2461.

[14]Zalewski L, Joulin A, Lassue S, et al. Experimental study of small-scale solar wall integrating phase change material[J].SolarEnergy, 2012, 86(1): 208-219.

[15]Silva T, Vicente R, Soares N, et al. Experimental testing and numerical modelling of masonry wall solution with PCM incorporation: a passive construction solution[J].EnergyandBuildings, 2012，49(2): 235-245.

[16]Hawlader M N A, Uddin M S, Khin M M. Microencapsulated PCM thermal-energy storage system[J].AppliedEnergy, 2003, 74(1/2): 195-202.

[17]Schossig P, Henning H M, Gschwander S, et al. Micro-encapsulated phase-change materials integrated into construction materials[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells, 2005, 89(2/3): 297-306.

[18]Lai C, Chen R H, Lin C Y. Heat transfer and thermal storage behaviour of gypsum boards incorporating micro-encapsulated PCM[J].EnergyandBuildings, 2010, 42(8): 1259-1266.

[19]Konuklu Y, Unal M, Paksoy H O. Microencapsulation of caprylic acid with different wall materials as phase change material for thermal energy storage [J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells, 2014, 120(1):536-542.

[20]周國兵, 張寅平, 林坤平, 等. 定形相變貯能材料在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用研究 [J]. 暖通空調(diào), 2007, 37(5): 27-32. Zhou Guobing, Zhang Yinping, Lin Kunping, et al.Application of shape-stabilized phase change materials for energy storage in HVAC field [J].HeatingVentilating&AirConditioning, 2007, 37(5): 27-32. (in Chinese)

[21]汪意, 楊睿, 張寅平,等. 定形相變材料的研究進(jìn)展 [J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2013, 2(4):362-368. Wang Yi, Yang Rui, Zhang Yinping,et al. Recent progress in shape-stabilized phase change materials [J].EnergyStorageScienceandTechnology, 2013, 2(4):362-368. (in Chinese).

[22]梁辰, 閆全英, 張林,等. 墻體儲能用定形相變石蠟儲熱性能的實驗研究 [J]. 太陽能學(xué)報, 2009, 30(12):1627-1630. Liang Chen, Yan Quanying, Zhang Lin, et al. Thermal performance analysis of shape-stabilized phase change paraffin used in the wall [J].ActaEnergiaeSolarisSinica, 2009, 30(12):1627-1630. (in Chinese)

[23]Cai Y B, Wei Q F, Huang F L, et al. Preparation and properties studies of halogen-free flame retardant form-stable phase change materials based on paraffin/high density polyethylene composites [J].AppliedEnergy, 2008, 85(8): 765-775.

[24]Sari A, Karaipekli A. Preparation, thermal properties and thermal reliability of palmitic acid/expanded graphite composite as form-stable PCM for thermal energy storage [J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells, 2009, 93(5): 571-576.

[26]Zhou G B, Zhang Y P, Zhang Q L, et al. Performance of a hybrid heating system with thermal storage using shape-stabilized phase-change material plates[J].AppliedEnergy, 2007, 84(10): 1068-1077.

[27]Pasupathy A, Velraj R. Effect of double layer phase change material in building roof for year round thermal management [J].EnergyandBuildings, 2008, 40(3):193-203.

[28]王馨, 張寅平, 肖偉, 等. 相變蓄能建筑圍護結(jié)構(gòu)熱性能研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報, 2008, 53(24): 3006-3013.

[29]Zhang Y, Lin K, Jiang Y, et al. Thermal storage and nonlinear heat-transfer characteristics of PCM wallboard [J].EnergyandBuildings, 2008, 40(9):1771-1779.

[30]Kosny J, Kossecka E, Brzezinski A, et al. Dynamic thermal performance analysis of fiber insulations containing bio-based phase change materials (PCMs) [J].EnergyandBuildings, 2012, 52(3):122-131.

[31]Borreguero A M, Carmona M, Sanchez M L, et al. Improvement of the thermal behaviour of gypsum blocks by the incorporation of microcapsules containing PCMS obtained by suspension polymerization with an optimal core/coating mass ratio [J].AppliedThermalEngineering, 2010, 30(10):1164-1169.

[32]Sayyar M, Weerasiri R R, Soroushian P, et al. Experimental and numerical study of shape-stable phase-change nanocomposite toward energy-efficient building constructions[J].EnergyandBuildings, 2014, 75(2):249-255.

[33]Kuznik F, Virgone J. Experimental assessment of a phase change material for wall building use [J].AppliedEnergy, 2009, 86(10):2038-2046.

[34]Shi X, Memon S A, Tang W C, et al. Experimental assessment of position of macro encapsulated phasechange material in concrete walls on indoor temperatures and humidity levels [J].EnergyandBuildings, 2014, 71(3):80-87.

[35]Lü Shilei, Feng Guohui, Zhu Neng, et al. Experimental study and evaluation of latent heat storage in phase change materials wallboards [J].EnergyandBuildings, 2007, 39(10):1088-1091.

[36]Yan Quanying, Huo Ran, Li Lisha. Experimental study on the thermal properties of the phase change material wall formed by different methods [J].SolarEnergy, 2012, 86(10):3099-3102.

[37]Carbonari A, de Grassi M, di Perna C, et al. Numerical and experimental analyses of PCM containing sandwich panels for prefabricated walls [J].EnergyandBuildings, 2006, 38(5):472-483.

[38]Oliver A. Thermal characterization of gypsum boards with PCM included: Thermal energy storage in buildings through latent heat [J].EnergyandBuildings, 2012, 48(5):1-7.

[39]閆全英, 霍冉, 張林. 定形相變墻體傳熱性能和力學(xué)性能的實驗研究 [J]. 建筑節(jié)能, 2011, 39(9):42-46. Yan Quanying, Huo Ran, Zhang Lin. Experimental research on the heat transfer and mechanical property of shape-stabilized phase change material walls [J].BuildingEnergyEfficiency, 2011, 39(9):42-46. (in Chinese)

[40]馮國會, 韓淑伊, 劉馨,等. 相變墻房間夏季夜間通風(fēng)效果實驗 [J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2013, 29(4): 693-697. Feng Guohui, Han Shuyi, Liu Xin, et al. Experimental study on night ventilation effect in a phase change wall room in summer [J].JournalofShenyangJianzhuUniversity:NaturalScience, 2013, 29(4): 693-697. (in Chinese)

[41]陳超, 果海鳳, 周瑋. 相變墻體材料在溫室大棚中的實驗研究 [J]. 太陽能學(xué)報, 2009, 30(3):287-293. Chen Chao, Guo Haifeng, Zhou Wei. Experimental research of the composite phase change material in greenhouse [J].ActaEnergiaeSolarisSinica, 2009, 30(3):287-293. (in Chinese)

[42]鄧安仲, 李勝波, 莊春龍,等. 相變儲熱輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)夏季隔熱節(jié)能的實驗研究 [J]. 暖通空調(diào), 2009, 39(9):75-79. Deng Anzhong, Li Shengbo, Zhuang Chunlong, et al. Experimental study of heat insulation and energy performance of lightweight PCM building envelope [J].HeatingVentilating&AirCondition, 2009, 39(9):75-79. (in Chinese)

[44]Chen C, Guo H, Liu Y, et al. A new kind of phase change material (PCM) for energy-storing wallboard[J].EnergyandBuildings, 2008, 40(5): 882-890.

[45]Diaconu B M, Cruceru M. Novel concept of composite phase change material wall system for year-round thermal energy savings [J].EnergyandBuildings, 2010, 42(10):1759-1772.

[46]Voelker C, Kornadt O, Ostry M. Temperature reduction due to the application of phase change materials [J].EnergyandBuildings, 2008, 40(5):937-944.

[47]Zhou Guobing, Yang Yongping, Wang Xin, et al. Numerical analysis of effect of shape-stabilized phase change material plates in a building combined with night ventilation [J].AppliedEnergy, 2009, 86(1):52-59.

[48]Alawadhi E M. Thermal analysis of a building brick containing phase change material [J].EnergyandBuildings, 2008, 40(3):351-357.

[49]Huang M J, Eames P C, Hewitt N J. The application of a validated numerical model to predict the energy conservation potential of using phase change materials in the fabric of a building [J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells, 2006, 90(13):1951-1960.

[50]Castell A, Martorell I, Medrano M, et al. Experimental study of using PCM in brick constructive solutions for passive cooling [J].EnergyandBuildings, 2010, 42(4):534-540.

[51]Jin Xing, Medina M A, Zhang Xiaosong. On the importance of the location of PCMs in building walls for enhanced thermal performance [J].AppliedEnergy, 2013, 106(11):72-78.

Review on phase change material building walls

Zhang Xiaosong1Xia Yi1,3Jin Xing2

(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China) (3School of Energy and Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042,China)

The encapsulation methods for phase change materials (PCMs) in building walls including direct-mixing, macro-encapsulation, micro-encapsulation, and shape-stabilized PCMs, the kinds of PCMs and their properties are reviewed. The PCMs can be located at the wall surface or inside the wall, the effects of PCMs in both cases on the indoor environment and building energy consumption are evaluated respectively based on experiments and simulation research. The results show that the encapsulation effects of the micro-encapsulation and shape-stabilized PCMs are better. The phase change temperatures of PCMs used in the building walls are usually 20 to 30 ℃. The optimal location of PCMs is not fixed. It is affected by the properties of PCMs, wall material, indoor environment and outdoor environment. By integrating PCMs with the building walls effectively, the high thermal storage property of PCMs can be fully developed and the thermal performance of the building walls is improved. Thus, the indoor air temperature is adjusted and the building energy consumption is reduced.

phase change material; building walls; thermal storage; energy conservation

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.035

2015-01-20. 作者簡介: 張小松(1960—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,rachpe@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(51036001)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ03B14).

張小松，夏燚，金星.相變蓄能建筑墻體研究進(jìn)展[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,45(3):613-618.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.035

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A

1001-0505(2015)03-0612-07