相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺的開發(fā)及應用

徐小虎，陳雪清，童 蕾，朱官養(yǎng)，林積鶚，陳 貴

（廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣州510550）

相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺的開發(fā)及應用

徐小虎，陳雪清，童 蕾，朱官養(yǎng)，林積鶚，陳 貴

（廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣州510550）

介紹了相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺，對實驗臺主要結(jié)構(gòu)、實驗臺功能的實現(xiàn)以及工作原理進行了論述。利用此實驗臺，通過建立相應的物理模型，可針對不同的室內(nèi)外環(huán)境條件，開展房間冷熱過程的實驗研究和與之對應的數(shù)值模擬研究。另外該實驗臺還可以進行圍護結(jié)構(gòu)材料性能測試，相變蓄能材料性能研究和相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能特性分析等相關(guān)實驗。該實驗臺結(jié)構(gòu)設計新穎，相變蓄能材料調(diào)整方便，適用范圍廣泛，是比較理想的圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺。

相變蓄能；建筑節(jié)能；圍護結(jié)構(gòu)；性能測試

0 引言

隨著社會生活水平的提高，人們對工作與居住環(huán)境的舒適度要求也愈來愈高，與之相應的建筑能耗尤其是制冷、采暖以及空調(diào)能耗也隨之增加，建筑節(jié)能日益受到人們的關(guān)注，對建筑圍護結(jié)構(gòu)的要求也越來越高［1］。其中相變蓄能建筑材料作為相變蓄能物質(zhì) （PCMs）與建筑材料結(jié)合的產(chǎn)物，對提高建筑物舒適度、降低建筑能耗以及削弱能源消耗對環(huán)境負面影響有顯著的效益，在建筑設計和建筑節(jié)能領域擁有廣闊的應用前景［2］。

從發(fā)展過程來看，研究相變材料在建筑上的應用大致經(jīng)歷了3個階段：20世紀90年代前，主要是分析相變物質(zhì)用于建材的可行性，篩選適用于建筑體系的相變物質(zhì)［3-4］；90年代，以完善相變物質(zhì)與建筑基材的復合工藝為主，重點研究相變物質(zhì)與建材的相容性、穩(wěn)定性及使用壽命［5-7］；90年代后至今的工作重點轉(zhuǎn)移到開發(fā)新型相變材料和定型技術(shù)［8-12］，研制實用化建筑制品，如相變蓄能墻板、相變蓄能混凝土和相變保溫砂漿等，并推動其應用于工程實踐。目前相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)材料仍處于研究和試用階段，迄今為止還沒有一部與相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)品相關(guān)的標準出臺，特別是對相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)材料的節(jié)能性評價研究還很滯后，這必然不利于市場的規(guī)范及產(chǎn)品的應用和推廣［2］。

本實驗臺的建立主要用于相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試，研究不同相變材料對相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)的適應性，并對所用相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)材料的節(jié)能性進行評價分析，為相關(guān)材料在建筑領域的運用提供依據(jù)。

1 相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺結(jié)構(gòu)

1.1 實驗臺主體結(jié)構(gòu)組成

相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺主體為一個1.5×1.5×1.5m的建筑模型，模型四面墻模擬實際建筑外墻，模型底板和頂板僅起保溫、支撐作用。模型墻內(nèi)壁面模擬實際建筑外墻外壁面，模型墻外壁面模擬實際建筑外墻內(nèi)壁面。

所建實驗臺使用OSB木板為主體材料，實驗臺模型外墻材料構(gòu)成如圖1所示。模型墻體由內(nèi)至外分別采用：木板10mm、PU板70mm、Bio-PCM板10mm、木板10mm。

1.2 實驗臺框架結(jié)構(gòu)

實驗臺框架由碳鋼方管焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將實驗臺主體墻體固定于框架上，形成最終的實驗模型，如圖3所示。

圖1 模型房間外墻材料構(gòu)成示意圖

圖2 實驗臺框架結(jié)構(gòu)示意圖

2 相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺功能的實現(xiàn)

2.1 實驗臺溫度控制

為了便于實驗臺的溫度控制，同時為模型房間提供冷源與熱源，通過調(diào)整熱源功率大小，控制模型房間內(nèi)溫度。采用恒溫水浴槽作為系統(tǒng)冷源，供應恒溫冷水，并將冷水引入位于模型內(nèi)的風機盤管。采用空氣加熱器作為系統(tǒng)熱源，配合風扇散熱。空氣加熱器的功率采用電力調(diào)整器進行控制，通過調(diào)節(jié)交流電相位，改變負載功率。4～20mA的輸入信號對應0～100%的負載功率。系統(tǒng)運行時，根據(jù)所設定溫度，及反饋機制，生成4～20mA控制信號，使模型內(nèi)溫度穩(wěn)定在設定溫度。實驗臺溫度控制方案如圖4所示。

圖3 實驗臺模型三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 實驗臺溫度控制方案示意圖

上述模型中，恒溫水浴槽亦可采用制冷機組代替?？紤]到實驗系統(tǒng)中有大量溫度探頭需要校準，建議使用恒溫水浴槽，實驗開始之前作探頭校準用。

2.2 實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

初步計劃，每面墻內(nèi)外壁面各17個溫度探頭，房間內(nèi)外空氣溫度各使用3個溫度探頭，共142個溫度探頭。均使用pt100熱電阻。每面墻內(nèi)外各布置4個熱流計，共32個?？紤]到同一面墻不同溫度測點間溫度差異不大，且數(shù)據(jù)采集儀通道數(shù)有限，使用的探頭數(shù)經(jīng)測試后適量減少。減少至每面墻內(nèi)外壁面各5個溫度探頭，房間內(nèi)外空氣溫度各使用2個溫度探頭，風機盤管進出口各1個溫度探頭，共46個溫度探頭。每面墻內(nèi)外各布置2個熱流計，共8個。采集板共60個通道，使用54個，剩下6個通道備用。實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集儀可自動記錄存儲溫度與熱流量數(shù)據(jù)于采集電腦中，方便讀取與分析。

3 相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺工作機理分析

相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺是基于傳熱學的原理構(gòu)建起來的。當實驗臺構(gòu)筑完成，可以通過調(diào)整實驗臺冷熱源功率的大小，來控制模型房間內(nèi)外的溫度，并由實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集獲得實驗臺內(nèi)外溫度參數(shù)，進而可以計算出實驗臺所用圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等參數(shù)；同時由于實驗臺內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)材料可以置換調(diào)整，這就能對不同的相變材料進行研究，并能對所用相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)材料的節(jié)能性進行評價分析。

4 相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺應用

通過建立相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺，可以進行如下實驗研究。

1）根據(jù)實驗臺特征建立相應的物理模型，可針對不同的室內(nèi)外環(huán)境條件，開展房間冷熱過程的實驗研究和與之對應的數(shù)值模擬研究。

2）對不同組成的相變蓄能材料進行測試，分析相變蓄能材料熱工性能，對相變蓄能材料的節(jié)能性進行評價分析，為圍護結(jié)構(gòu)的選擇提供理論依據(jù)。

3）對已有相變蓄能建筑圍護結(jié)構(gòu)進行性能測試，從而考察建筑物的節(jié)能性能，能否滿足建筑物節(jié)能要求。

4）通過實驗研究各種材料的性能，開發(fā)新型相變蓄能材料。

5）另外，該實驗臺同樣可以用于普通圍護結(jié)構(gòu)熱工性能測試，對不同材料圍護結(jié)構(gòu)熱工性能進行分析比較。

5 結(jié)論

相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺結(jié)構(gòu)設計新穎，相變蓄能材料調(diào)整方便，適用范圍廣泛，是比較理想的圍護結(jié)構(gòu)性能測試實驗臺。該實驗臺的建立主要用于相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)的性能測試，研究不同相變材料對相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)的適應性，并對所用相變蓄能圍護結(jié)構(gòu)材料的節(jié)能性進行評價分析，該實驗臺的開發(fā)與應用為相關(guān)材料在建筑領域的運用提供依據(jù)。

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Exp loitation and App lication of Performance Test Experiment Platform for Phase Change Thermal Energy Storage Envelope

XU Xiaohu，CHEN Xueqing，TONG Lei，ZHU Guanyang，LIN Ji e，CHENG Gui
（Guangdong Mechanical and Electrical College，Guangzhou 510550）

An performance test experiment platform for phase change thermal energy storage envelope was introduced.Themain structure，functions and the experimental principle were discussed.By using the experiment platform，built up the physicalmodel，experimental study and simulation on the room heat transfer processwere carried out under different indoor/outdoor environment condition.In addition，the performance of envelopematerialwas testing，the phase change thermal energy storagematerial performance was researched and the energy saving characteristic of phase change thermal energy storage envelope was analyzed on the experiment platform.The experiment platform had the advantages of novel structure design，convenient adjustment of phase change thermal energy storage material，widely application，was an ideal experiment platform.

Phase change thermal energy storage；Building energy saving；Envelope；Performance test

TU111.4［文獻標示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.010

ISSN1005-9180（2015）03-055-04

2015-3-2

徐小虎（1988-），男，碩士研究生，研究方向：空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制及系統(tǒng)優(yōu)化。Email：314036853@qq.com

陳雪清。Email：Daniela_Chen@yeah.net