昆明地區(qū)蓄能墻體內(nèi)相變材料的適應(yīng)性研究

陳美含，姜莉，米士剛，沈顯明

（國家檔案局檔案科學(xué)技術(shù)研究所，北京100050）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對建筑內(nèi)環(huán)境的舒適度要求也不斷增加。建筑行業(yè)的快速發(fā)展造成能源消耗過快，調(diào)整、優(yōu)化現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，提高建筑中主動式技術(shù)使用效率，并且針對某些地區(qū)的氣候特點(diǎn)采用不同的被動式技術(shù)進(jìn)行節(jié)能，對于建筑節(jié)能具有深遠(yuǎn)意義[1]。

通常的墻體熱能存儲方式有顯熱存儲和潛熱存儲2種，顯熱存儲是利用物質(zhì)在儲存能量和釋放能量過程中比熱容和溫度的變化來進(jìn)行的，物質(zhì)的比熱容在溫差不大的系統(tǒng)中通常為恒定值[2]；而潛熱存儲是當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部有熱流通過且溫度達(dá)到相變溫度時，利用潛熱吸收或釋放能量，其蓄熱能力主要取決于物質(zhì)的相變潛熱值，因此相變蓄能的蓄能密度比顯熱蓄能高幾十倍或近百倍[3]。

相變材料（Phase Change Material，PCM）是指隨溫度變化而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)[3]。轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。相變蓄能材料具有存儲熱的能力，相變材料在溫度高于相變溫度時熔化，吸收環(huán)境中的顯熱轉(zhuǎn)變?yōu)闈摕岽鎯ζ饋?，從而減少室內(nèi)得熱量，在溫度低于相變溫度時，相變材料將潛熱轉(zhuǎn)變?yōu)轱@熱釋放到環(huán)境中，因此相變材料能實(shí)現(xiàn)能量的合理儲存和釋放，縮短建筑供暖或空調(diào)的使用時間，減少空調(diào)制冷和供暖系統(tǒng)使用、運(yùn)行時產(chǎn)生的費(fèi)用，大大降低能耗[4]。與其他蓄能材料相比，相變蓄能材料具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，比如傳熱性能好、節(jié)能效果明顯、相變溫度區(qū)間供選擇的幅度大、且容易調(diào)控等。

國外以相變儲能前提的研究可以分為4種類型：研究相變材料本身的制作方法及特性；研究相變材料與墻體的結(jié)合方式；以單純實(shí)驗(yàn)或模擬的方法研究影響相變材料蓄能墻體節(jié)能效果的因素；運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)合的方法，研究典型氣候條件下，相變材料的適宜溫度以及相變材料蓄能墻體的節(jié)能情況。Shapiro[5]針對美國Florida的氣候條件，將乙酸棕櫚酯、乙酸酯、乙酸硬脂酸鹽混合物和十二烷酸、山羊烷酸和短環(huán)酸作為復(fù)合相變材料注入石膏板作為建筑墻體的儲熱應(yīng)用；德國BASF公司采用微膠囊技術(shù)將石蠟封裝在直徑約20 μm的膠囊中，然后再與灰泥混合制備出一種用于內(nèi)墻的相變儲能砂漿，這種砂漿作為室內(nèi)冬季保溫和夏季制冷的材料，能減少室內(nèi)溫度波動[6]。Kuznik等[7－8]以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式，研究在輕質(zhì)建筑中應(yīng)用相變材料，并分析其在全年工況下的應(yīng)用效果，表明相變材料能減緩室內(nèi)溫度波動，強(qiáng)化空氣對流，提高舒適度的效果。Chandra[9]針對相變儲能墻板的厚度對室內(nèi)溫化影響以及房屋（如南墻、北和西等）各處熱流量的變化進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，5 cm厚的相變儲能混凝土墻板的阻熱效果相當(dāng)于23 cm厚的普通混凝土墻板；相變儲能墻板用在南墻的效果最好。Darkwa[10]通過詳細(xì)的模擬及實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同熔點(diǎn)的PCM模塊應(yīng)用于屋頂?shù)膶?shí)際效果，結(jié)果表明：將較高熔點(diǎn)的相變材料放于天花板內(nèi)側(cè)，可實(shí)現(xiàn)全年自動降溫，達(dá)到冬暖夏涼的效果。

國內(nèi)關(guān)于相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用，在近10年有了較快的發(fā)展。張東等[11]采用“兩步法”制備相變儲能混凝土，可以在混凝土中儲存足夠的相變材料，滿足應(yīng)用的要求。李百戰(zhàn)、羅慶等[12－13]使用自制的有機(jī)相變材料與EPS板復(fù)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用相變材料的房間室內(nèi)溫度較不使用相變材料的房間溫度下降了11℃，具有非常明顯的節(jié)能效果。Meng等[14]搭建了1 m×1 m×1 m的房間模型，比較定型相變材料不同朝向的布置方式對降低室內(nèi)溫度波動的影響，結(jié)果表明：與將相變材料放置于一面墻上的方式比較，使2種具有不同溫度并合理布置于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同朝向上，可實(shí)現(xiàn)在全年工況下改善室內(nèi)熱工性能。林坤平等[15]利用實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)合的方法，根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，提出了如果在新疆等晝夜溫差較大的地區(qū)使用相變墻體，效果會更加明顯。

相變材料的選取重要的影響因素是相變溫度，但根據(jù)氣候特點(diǎn)的不同，所選用的相變材料相變溫度也應(yīng)不同，目前對溫和地區(qū)相變材料的適用性研究還較少。本文初步選取昆明這一氣象區(qū)作為研究目標(biāo)，通過EnergyPlus軟件模擬驗(yàn)證了選取合理的相變材料能夠減小該地區(qū)建筑的能耗以及提高室內(nèi)舒適性。

1 建筑模型建立與評價指標(biāo)

1.1 建筑模型建立

本模擬以2.6 m×2.6 m×2.6 m的房間模型為研究對象，其建筑總面積為6.76 m2，南側(cè)墻面有1.5 m×1.5 m的開窗，如圖1所示。

圖1 房間模型示意

為了研究相變材料對建筑能耗的影響，模擬設(shè)計3種不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型。各模型中墻體及屋頂?shù)慕孛娼Y(jié)構(gòu)如圖2所示，各模型的地板都只采用1層混凝土；各材料物理性質(zhì)如表1[16]所示。其中，模型1#為基本對照組，模型2#為添加普通材料（Solid PCM），模型3#為添加相變材料（PCM），對比研究相變材料潛熱特性對建筑能耗的影響。

圖2 3種房間模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面示意

表1 幾種材料的物理性質(zhì)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，本文定義的普通材料（Solid PCM）的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等主要物理性質(zhì)與相變材料（PCM）相同，但是其在相變溫度點(diǎn)不發(fā)生相變。為了使相變材料能夠充分發(fā)生相變特性，根據(jù)昆明室外的平均溫度，本文初步設(shè)定相變材料的相變溫度為25℃，普通材料（Solid PCM）和相變材料（PCM）的焓－溫度曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，相變材料在25.0～25.1℃范圍內(nèi)吸收或釋放大量熱量；普通材料的焓值隨溫度升高呈直線增大，即在25℃無相變現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 相變材料和普通材料的焓－溫度曲線

1.2 室內(nèi)外參數(shù)設(shè)置

1.2.1 室內(nèi)參數(shù)設(shè)置

房間的地板外表面保持18℃恒溫，屋頂和四面墻都暴露在室外環(huán)境中。在能耗研究中，房間采用理想空調(diào)系統(tǒng)；即當(dāng)室內(nèi)溫度高于25℃時空調(diào)啟動制冷，室內(nèi)溫度低于18℃時空調(diào)啟動供熱，從而維持室溫為18～25℃，當(dāng)溫度在18～25℃時則空調(diào)不啟動。在房間自適應(yīng)舒適區(qū)研究中，房間內(nèi)不設(shè)置機(jī)械冷卻和供熱系統(tǒng)，房間溫度為自然室溫。

1.2.2 室外參數(shù)設(shè)置

昆明市的年溫度及太陽輻射量變化如圖4、圖5所示。

圖4 昆明市日平均干球溫度變化

圖5 昆明市日平均太陽輻射量變化

由圖4、圖5可見，昆明屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，具有年溫差小的氣候特征，適于相變材料作用的發(fā)揮。昆明室外的日總輻射量變化很大，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的溫度也會有較大波動，促使相變材料完成吸放熱過程，使相變材料充分發(fā)揮作用。

昆明市夏季和冬季典型日室外氣象參數(shù)如圖6所示。

圖6 昆明市夏冬季典型日室外氣象參數(shù)

由圖6（a）可見，夏季典型日室外干球溫度為16.5～18.5℃，最高溫度出現(xiàn)在下午14：00左右，輻射量的最大值約為200 W/m2，出現(xiàn)在下午17：00左右。由圖6（b）可見，冬季典型日室外干球溫度為0～8℃，最高溫度出現(xiàn)在下午18：00左右，輻射量最大值約為750 W/m2，出現(xiàn)在下午16：00左右。

1.3 評價指標(biāo)

針對昆明地區(qū)蓄能墻體應(yīng)用相變材料的節(jié)能性和舒適性進(jìn)行模擬評價，其具體的評價指標(biāo)分別如下：

（1）在節(jié)能性方面，以房間全年總能耗E和能耗降低率η作為評價指標(biāo)。

首先，為了分析相變材料不同相變溫度對室內(nèi)能耗的影響，本研究依據(jù)昆明市全年平均溫度并考慮到太陽輻射的影響，選取相變材料相變溫度為10～30℃，每隔5℃為一工況（見表2），并利用EnergyPlus模擬5種相變溫度下房間能耗E，比較相變材料不同相變溫度下全年總能耗E總，最終得出全年最佳相變材料的相變溫度。

表2 相變材料的相變溫度

其次，利用式（1）計算模型2#與模型3#相對于模型1#的節(jié)能效率η。

（2）在熱舒適度方面，根據(jù)美國ASHRAE 55—92標(biāo)準(zhǔn)[17]，自適應(yīng)熱舒適區(qū)是指在不開啟任何空調(diào)系統(tǒng)的情況下，能表征房間舒適度的溫度區(qū)間。其集中在最佳舒適溫度（Tcomf）附近，如式（2）所給出，接受率為80%時其寬度為5℃，接受率為90%時寬度為7℃。

自適應(yīng)熱舒適區(qū)小時數(shù)即滿足自適應(yīng)熱舒適區(qū)溫度范圍的小時點(diǎn)數(shù)，用其評價昆明地區(qū)添加相變材料后的室內(nèi)熱舒適性，室內(nèi)工作溫度處于熱舒適區(qū)范圍內(nèi)的點(diǎn)越多越舒適。

2 相變材料節(jié)能性結(jié)果分析

2.1 能耗模擬分析

圖7為模型3#分別采用不同相變溫度的相變材料時，全

圖7 相變材料不同相變溫度全年制冷能耗、供熱能耗及總能耗

年制冷能耗、供熱能耗及總能耗。

由圖7可見：（1）對于制冷來說，全年最佳的相變溫度為25℃，此時全年最低制冷能耗為95.31 MJ/m2；而對于供熱來說，最佳的相變溫度為15℃，此時全年最低供熱能耗為332.66 MJ/m2。（2）全年總能耗最低值時對應(yīng)的最佳相變溫度是25℃，全年最低總能耗為455.37 MJ/m2。綜上所述，昆明全年的最佳相變溫度為25℃。

3種模型在昆明的全年能耗如表3所示。

表3 全年建筑總能耗

由表3可見，模型2#（添加普通材料）的房間單位面積能耗比模型1#（混凝土）房間低102.54 MJ/m2；而模型3#（添加相變材料PCM）建筑的單位面積能耗比添加普通材料建筑低44.91 MJ/m2；節(jié)能率達(dá)24.46%，較添加普通材料的房間增大了7.45個百分點(diǎn)。可見相變材料的潛熱在昆明能夠明顯發(fā)揮降低能耗的作用。

圖8為3種模型的逐月能耗，圖9為模型2#和模型3#的逐月能耗減少率。

圖8 3種模型的逐月能耗

圖9 模型2#和模型3#的逐月能耗減少率

由圖8、圖9可見，模型3#的月能耗均低于模型2#，表明在昆明各月份相變材料都能夠發(fā)揮其潛熱作用，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。3～10月期間，模型3#和模型2#的能耗減少率差值更大，平均達(dá)到13.96%，說明相變作用（潛熱作用）在該時間段內(nèi)作用效果更明顯。

2.2 典型日能耗模擬分析

圖10為夏季典型日（6月21日）模型1#和模型3#墻內(nèi)、外表面溫度和供熱能耗隨時間的變化情況。

圖10 模型1#、3#夏季典型日墻內(nèi)外表面溫度和供熱能耗

由圖10（a）可見，模型1#、3#墻內(nèi)、外壁面溫度的變化趨勢相同，都是單峰型。首先，因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，內(nèi)壁峰值溫度比外壁出現(xiàn)晚。模型3#墻外壁溫度在19：00～20：00時刻出現(xiàn)了溫度平臺區(qū)，即相變材料相變溫度為25℃左右時發(fā)生相變。同時，由于添加相變材料增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，墻內(nèi)壁溫度峰值再次延遲。模型1#和模型3#在00：00～10：00以及20：00～24：00墻內(nèi)壁溫度高于外壁，熱傳導(dǎo)方向從內(nèi)到外，其余時間熱傳導(dǎo)方向從室外到室內(nèi)。

昆明夏季典型日溫度適宜，模擬房間模型內(nèi)無輻射得熱、人員、燈光及設(shè)備散熱等造成的負(fù)荷。由圖10可見，昆明夏季典型日不需制冷，為達(dá)到模擬設(shè)定的舒適溫度，模型1#需要在00：00～14：00供暖；與模型1#相比，模型3#僅需在05：00～14：00這段時間供暖。且在該時間段內(nèi)，模型3#墻內(nèi)壁溫度升高，降低供熱能耗。因此在設(shè)備選型時可以選擇更小功率的設(shè)備，制熱能效比（COP）增加，節(jié)能效果更顯著。根據(jù)模擬結(jié)果，在昆明地區(qū)夏季添加相變溫度為25℃左右的相變材料可以起到較好的節(jié)能作用。

圖11為冬季典型日模型1#和模型3#墻內(nèi)、外表面溫度和供熱能耗隨時間的變化情況。

圖11 模型1#、3#冬季典型日墻內(nèi)外壁溫度和供熱能耗

由圖11（a）可見，模型1#和模型3#，在冬季典型日墻內(nèi)、外表面溫度變化趨勢與夏季典型日基本相同。由圖11（a）和（b）可見，14：00～20：00這段時間室外向室內(nèi)傳熱，而其它時間室內(nèi)向室外散熱。在房間向室外散熱時添加相變材料能夠有效阻止室內(nèi)熱量向室外散發(fā)，從而降低供熱能耗。與此同時，添加相變材料會阻礙室外向室內(nèi)傳熱，所以14：00～20：00期間供熱能耗有略微增加。理想供熱空調(diào)系統(tǒng)開啟時功率的最大值出現(xiàn)在11：00左右，正好墻內(nèi)壁溫度最低時，墻內(nèi)壁溫度越低，其與房間之間的換熱量越大，為了彌補(bǔ)熱量損失，空調(diào)需要增加功率。

根據(jù)模擬結(jié)果，在昆明地區(qū)冬季添加相變溫度為25℃的相變材料也可以起到節(jié)能的作用。

3 相變材料室內(nèi)舒適性分析

昆明地區(qū)模型1#和模型3#全年自適應(yīng)熱舒適區(qū)見圖12，全年自適應(yīng)熱舒適區(qū)點(diǎn)數(shù)比較見表4。

圖12 模型1#、模型3#全年自適應(yīng)熱舒適區(qū)

表4 模型1#、模型3#全年自適應(yīng)熱舒適區(qū)點(diǎn)數(shù)的比較

由圖12、表4可知，在不添加任何機(jī)械系統(tǒng)制冷、供熱情況下，模型3#在自適應(yīng)熱舒適區(qū)的小時數(shù)比模型1#多570 h，小時數(shù)增加了6.51個百分點(diǎn)，表明相變材料的添加可以提高室內(nèi)舒適性。該舒適性的提高是因?yàn)樘砑酉嘧儾牧虾螅黾恿藝o(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，能夠有效降低建筑室內(nèi)溫度的波動，增強(qiáng)房間的熱穩(wěn)定性。對于制冷需求較少，供熱需求較大的昆明地區(qū)，在夜間對于室內(nèi)空氣溫度將有較大的提高。

總結(jié)可知，昆明地區(qū)全年添加相變材料可以有效提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適性。

4 結(jié)語

（1）昆明地區(qū)在房間中添加普通材料和相變材料全年均有節(jié)能效果，能耗分別為500.28、455.37 MJ/m2，與普通房間相比，添加相變材料的房間節(jié)能效果更顯著，節(jié)能率為24.46%。

（2）昆明地區(qū)房間添加相變材料后，全年在自適應(yīng)熱舒適區(qū)的小時數(shù)比模型1#多570 h，小時數(shù)增加了6.51個百分點(diǎn)。由此可知，在昆明地區(qū)添加相變材料可以提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適性。

（3）昆明地區(qū)房間墻外壁添加相變材料后更節(jié)能，且室內(nèi)舒適度更高。通過簡單模型的模擬可知不同地區(qū)相變材料的最佳相變溫度，可此作為參考依據(jù)推廣到各地區(qū)的建筑模擬中。