北新-清華聯(lián)合試驗房熱性能分析

張 宇

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司建筑設(shè)計院，北京 100013）

1973 年，全球發(fā)生第一次能源危機(jī)后，石油價格飛漲，節(jié)能問題漸漸引起了人們的廣泛重視，建筑用能要消耗大概全球1/3 的能源，在建筑用能的同時，還向大氣排放大量污染物，如TSP（總懸浮顆粒物）、SO2（二氧化硫）、NOX（氮氧化物）等。于是，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家開始重視建筑節(jié)能。20 世紀(jì)初以來，隨著生產(chǎn)力發(fā)展、人口的增長和人們生活水平的提高，人類能源消耗增長速度大大超過了人口增長，能源問題成為人類社會和全球可持續(xù)發(fā)展的主要問題。

建筑的運(yùn)行能耗大約為全社會商品能的1/3。我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高速階段，已經(jīng)持續(xù)了十幾年9%左右的GDP 的高速增長，能源消耗的年增長率也高居于10%左右。建筑行業(yè)作為GDP 增長的支柱行業(yè)之一，每年大約20 億m2的建筑總量，接近全球年建筑總量的一半。建筑能耗隨著建筑總量的增加而增加。中國建筑能否實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，不僅與人民群眾生活質(zhì)量的提高密切相關(guān)，而且也關(guān)系到國家能源戰(zhàn)略和資源節(jié)約戰(zhàn)略的實施，還關(guān)系到全球的氣候變化與可持續(xù)發(fā)展。

有效利用自然能源，用最小的資源和能源代價換取最大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。自然能源在建筑中的應(yīng)用主要形式之一是太陽能，其儲量豐富，取之不盡、用之不竭，但其具有能源密度低，供應(yīng)不連續(xù)等缺點(diǎn)。在我國一些地區(qū)，夏季晝夜溫差較大，利用夜間通風(fēng)結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄冷可調(diào)節(jié)建筑室溫、提高室內(nèi)舒適度、降低空調(diào)能耗。夜間通風(fēng)可充分利用自然冷源（夜間室外冷空氣），節(jié)約大量能源，在過渡季節(jié)其節(jié)能效果更為顯著。建筑利用太陽能等自然能源會在供需時間和供需量方面存在不匹配的問題，解決途徑之一是通過建筑構(gòu)件蓄能方式解決自然能源的供應(yīng)和建筑需求在時間與總量上的矛盾。

近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者對如何利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體調(diào)控房間熱性能進(jìn)行了廣泛而深入的研究。調(diào)控房間熱性能的研究中可分為常物性建材調(diào)控和非線性建材調(diào)控。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體在一個時間周期（一年）內(nèi)所經(jīng)歷的溫度區(qū)間，稱之為熱質(zhì)體的作用溫區(qū)。常物性圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體是指其熱物性（如體積比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)）在其建筑熱過程的作用溫區(qū)內(nèi)變化不大，而可視為定值的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體。Asan 等用一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模擬方法，模擬了常物性圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱材料厚度和位置及其熱物性對室外溫度波動的衰減和延遲的作用。并計算了多種建筑材料的衰減系數(shù)和延時時間。為進(jìn)一步研究常物性熱質(zhì)體對房間熱性能的影響打下基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的常物性建筑熱質(zhì)體如混凝土、黏土磚等體積比熱容較小，對建筑的熱性能的改善及自然能源的有效利用作用不大。相變過程是伴隨有較大能量吸收或釋放的等溫或近似等溫的過程。利用相變潛熱蓄能的材料稱為相變材料（PCM）。其相變過程呈現(xiàn)體積比熱容的非線性，在特定的溫度區(qū)間內(nèi)可大大提高蓄能密度。相變材料具有相變溫度可調(diào)、單位體積蓄能密度較大的特點(diǎn)。如果將此種材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄存低品位能源進(jìn)行空調(diào)和采暖。將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體熱物性（如體積比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)）在整個建筑熱過程的作用溫區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較大變化的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體稱為非線性圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體。

相變材料作為非線性熱物性材料的代表，半個世紀(jì)以前，人們就開始對相變材料在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行嘗試，從20 世紀(jì)80 年代，其受到越來越多的關(guān)注。對相變材料作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)體的研究集中在以下3 方面：①型非線性建筑材料的研制和熱性能研究；②無內(nèi)熱源的非線性建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果研究；③有內(nèi)熱源的非線性建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果研究。

應(yīng)用于建筑中的相變材料，應(yīng)該滿足以下要求：相變潛熱大、相變溫度合適、過冷度較小、導(dǎo)熱系數(shù)較大、體膨脹系數(shù)較小、密度較大、性能穩(wěn)定、和建材相容性好、無毒，以及較低的可燃性；材料易得并且廉價。近幾年來將相變材料與圍護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合并用于建筑中的方法有很多，其主要包括直接混合、浸泡吸附法和封裝。

1 建筑信息

北新-清華聯(lián)合試驗房位于昌平區(qū)，分為對照房間和相變房間，以此來分析相變房的性能。房屋實際信息如圖1 所示。

圖1 試驗房實物圖

兩房間室內(nèi)的尺寸均為長2.4 m，寬1.8 m，高2.2 m。一面外窗和門朝南，另一面外窗朝北，房檐有遮陽作用。相變房圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱物性見表1—表4，對比房相對于相變房而言沒有相變石膏板。相變石膏板相變溫度為25 ℃。兩房間內(nèi)均沒有內(nèi)熱擾。

表1 外墻材料表

表2 屋面材料表

表3 地面材料表

表4 門窗材料表

2 實驗結(jié)果分析

圖2是2011年8月13日—2011年8月25日實測的兩房間溫度分布。從圖2中可以看出，使用相變材料后，房間的最高溫度有所下降，溫度波動也明顯降低。但是從相變房的室內(nèi)溫度來看，相變溫度并不是25 ℃，而是要比25 ℃高，原因可能是相變材料的潛熱不夠。下面，就用數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步分析這一現(xiàn)象。

圖2 聯(lián)合試驗房實測溫度比較

3 數(shù)學(xué)模型建立

對上述2 個房間建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。以下是所建立房間的物理模型（圖3）。

圖3 房間物理模型

計算用房間信息采用上述實際房間的信息，通風(fēng)換氣取為0.5 次/h，室內(nèi)熱擾為0。數(shù)值計算時采用全隱式差分格式對房間傳熱方程及邊界條件進(jìn)行離散求解。

圖4 是對照房間室內(nèi)空氣溫度實測值與模擬值的比較，兩者吻合的較好，最大相對偏差為8.6%。圖5 是相變房間室內(nèi)空氣溫度實測值與模擬值的比較，兩者吻合得也較好，最大相對偏差為11.2%。由此驗證了數(shù)學(xué)模型和程序的正確性。

圖4 對照房間實測值與模擬值對比

4 結(jié)果及分析

用驗證了的程序?qū)υ撀?lián)合試驗房在全年的熱性能進(jìn)行模擬分析。房間信息不變，由于一般住宅建筑房間發(fā)熱量為3.8 W/m2，所以在本計算中，2 個房間的發(fā)熱量也取為3.8 W/m2。氣象參數(shù)采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[1]里提供的氣象數(shù)據(jù)。圖6 是兩房間全年的室溫分布情況，由圖中可以看出，用相變材料以后，全年的最高溫度有所下降，最低溫度有所提高，室溫波動減小。具體來說，最高溫度降低了1.1 ℃，最低溫度提高了1.9 ℃。

圖6 兩房間全年室溫分布

將夏季空調(diào)和冬季采暖考慮進(jìn)去，并將夏季空調(diào)設(shè)計溫度定為28 ℃，冬季采暖設(shè)計溫度定為16 ℃[2-3]，以此來計算兩房間全年的空調(diào)及采暖負(fù)荷。計算結(jié)果表明，加入相變材料后，全年的空調(diào)采暖能耗降低了29.9%。具體來說，冬季能耗降低了99.4%，夏季能耗提高了207.1%。即加入相變材料后，在夏季建筑反而更耗能。出現(xiàn)這種情況的原因是相變板的潛熱不夠，在夏季，過多的得熱會使得相變板溫度高于相變溫度，當(dāng)室外溫度降低時，相變板溫度下降速率較普通板材低，這樣會使得室內(nèi)溫度一直維持在較高的水平，增加了空調(diào)負(fù)荷。基于此，考慮通過提高相變板的相變潛熱來降低相變房夏季空調(diào)負(fù)荷。模擬結(jié)果表明，當(dāng)把相變板相變潛熱提高到原來的2 倍后，相變房冬夏能耗較普通房都降低，其中冬季能耗降低了99.8%，夏季能耗降低了18.1%，全年能耗降低了45.1%?？梢?，合適的相變溫度和相變潛熱是實現(xiàn)相變房節(jié)能的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

1）本文對相變房的夏季實際運(yùn)行效果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)相變房較普通房而言室內(nèi)溫度波動明顯降低，并且夏季室內(nèi)最高溫度也有所下降。

2）能耗模擬表明，相變房全年能耗比普通房低，但是夏季能耗卻會高于普通房，原因是相變板潛熱不夠。

3）當(dāng)把相變板潛熱提高到原來的2 倍后，相變房冬夏能耗都比普通房低。因此，合適的相變溫度和相變潛熱是相變房實現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。