雙層定型相變墻體在空調(diào)房間應(yīng)用的節(jié)能效果研究

柳鵬鵬，朱娜，胡平放，劉福利，雷飛

（華中科技大學(xué)，湖北武漢　430070）

雙層定型相變墻體在空調(diào)房間應(yīng)用的節(jié)能效果研究

柳鵬鵬，朱娜，胡平放，劉福利，雷飛

（華中科技大學(xué)，湖北武漢430070）

雙層定型相變墻體能夠在夏季隔熱、冬季保溫，降低建筑物的運(yùn)行能耗并提高了室內(nèi)的熱舒適性。為了更有效地發(fā)揮相變墻體的作用，分析了雙層定型相變墻體在空調(diào)房間的使用效果，對(duì)比分析在裝有變頻空調(diào)和定頻空調(diào)2種房間的運(yùn)行能耗，結(jié)果表明：在裝有變頻空調(diào)的房間，雙層定型相變墻體比普通墻體更加節(jié)能，變頻空調(diào)能更有效地發(fā)揮定型相變墻體的自動(dòng)調(diào)溫作用。

雙層定型相變墻體；變頻空調(diào)；定頻空調(diào)；節(jié)能

1　概述

定型相變材料（shape-stabilized phase change materials，SSPCMs）是一種具有較大蓄能密度能在相變過程中保持固態(tài)形狀不變的新型蓄能材料，與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合使用能降低空調(diào)能耗，提高室內(nèi)熱舒適性，是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn).

國外對(duì)相變材料研究開始較早。Hammou和Lacroix［1］對(duì)相變儲(chǔ)能墻體結(jié)合太陽能和輔助加熱設(shè)備控制室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行能耗分析，相變材料在晴天儲(chǔ)存太陽能、在用電低峰時(shí)儲(chǔ)存輔助加熱設(shè)備的能量，當(dāng)室內(nèi)溫度下降時(shí)釋放，可以降低32%的用電量，同時(shí)轉(zhuǎn)移了用電時(shí)段，超過90%的耗電使用在低谷電價(jià)時(shí)。Ismail和Castro［2］對(duì)墻體和屋頂含有相變材料的房間在運(yùn)行空調(diào)的情況下進(jìn)行能耗分析，發(fā)現(xiàn)含有相變材料房間的空調(diào)耗電量降低了，而且空調(diào)耗電的模式變?yōu)樵诘凸入妰r(jià)多耗電，峰谷電價(jià)時(shí)少耗電。Halford和Boehm［3］針對(duì)封裝有相變材料的屋頂和墻體建立了一維數(shù)值傳熱模型，發(fā)現(xiàn)相變房間相比普通房間能延遲空調(diào)峰值負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間，同時(shí)認(rèn)為相變溫度和相變潛熱是最重要的影響因素。Diaconu和Cruceru［4］對(duì)包含雙層定型相變墻體的房間進(jìn)行了全年運(yùn)行能耗分析，外層的相變材料相變溫度較高，主要在夏季發(fā)揮作用，內(nèi)層相變材料相變溫度較低，主要在冬季發(fā)揮作用；研究表明，全年的總冷負(fù)荷降低了1%，冷負(fù)荷峰值降低了35.1%，全年總熱負(fù)荷降低了12.8%，熱負(fù)荷峰值降低了35.4%；研究同時(shí)指出，對(duì)相變溫度及其它相關(guān)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化能更有效地發(fā)揮相變材料的作用。

相變材料在建筑節(jié)能中應(yīng)用的研究也逐漸被國內(nèi)研究者關(guān)注。陳超等［5］利用有效熱容法分析相變材料的傳熱問題，發(fā)現(xiàn)在北墻內(nèi)表面使用適量的相變材料不僅可以提高室內(nèi)熱舒適性，而且在冬季可降低17%的熱負(fù)荷。周國兵等［6］在太陽房中對(duì)定型相變墻板和輔助加熱器聯(lián)合使用的復(fù)合熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合系統(tǒng)不僅可以提高室內(nèi)熱舒適性，而且能降低47%的峰值熱負(fù)荷和12%的總熱負(fù)荷。朱娜等［7］對(duì)含有定型相變墻板的房間和普通房間的空調(diào)采用不同的控制策略分析空調(diào)能耗，研究發(fā)現(xiàn)基于分時(shí)電價(jià)和峰值電價(jià)下的2種控制策略，相變房間可以降低11%的空調(diào)耗電量和20%峰值耗電，同時(shí)提出了提高相變材料應(yīng)用效果的優(yōu)化控制策略。

研究表明［1-7］：相變材料用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，確實(shí)能改善室內(nèi)熱環(huán)境并且降低建筑運(yùn)行能耗，盡管相變墻體可以圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性，但在夏熱冬冷地區(qū)僅僅使用相變圍護(hù)物結(jié)果不能滿足室內(nèi)熱舒適性要求，因此，分析相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在空調(diào)工況下的節(jié)能效果及應(yīng)用方式更具實(shí)際意義。雙層定型相變墻體與空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)合使用，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析，目前現(xiàn)有文獻(xiàn)很少見到相關(guān)研究。

本項(xiàng)目提出一種新型雙層定型相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，外層相變層PCM1具有較高的相變溫度，在夏季發(fā)揮作用；內(nèi)層相變層PCM2具有較低的相變溫度，在冬季發(fā)揮作用。本文對(duì)雙層定型相變墻體與變頻/定頻空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合使用的建筑物運(yùn)行能耗進(jìn)行了對(duì)比分析，研究雙層定型相變墻體在空調(diào)房間的節(jié)能效果，為雙層定型相變墻體的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

圖1　雙層定型相變墻體結(jié)構(gòu)

2　建筑負(fù)荷模擬及空調(diào)選型

由于民用建筑對(duì)材料的性質(zhì)與經(jīng)濟(jì)因素有嚴(yán)格的限制，適用于儲(chǔ)能建材的相變材料就更少了。用于低能耗建筑的理想相變材料應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)要求：（1）相變材料的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度在供暖、空調(diào)系統(tǒng)要求的溫度范圍內(nèi)；（2）具有足夠大的相變潛熱；（3）相變時(shí)膨脹或者收縮要??；（4）相變的可逆性要好；（5）無毒性、無腐蝕性；（6）制作原料廉價(jià)易得［8］。

為簡化計(jì)算，對(duì)室內(nèi)外環(huán)境與復(fù)合墻體的傳熱過程做出了如下假設(shè)：（1）只考慮復(fù)合墻體水平方向傳熱，忽略垂直方向傳熱；（2）墻體各層都是均勻的熱物性參數(shù)固定不變；（3）僅僅考慮模擬房間空氣的顯熱（忽略潛熱），且空氣分布均勻；（4）墻體各個(gè)層間隙之間的空氣熱阻忽略；（5）相變材料的相變過程發(fā)生在一個(gè)微小的溫度區(qū)間。相變材料的比熱容變化曲線如圖2所示，本文設(shè)定相變半徑為0.5℃，凝固點(diǎn)低于熔點(diǎn)1℃。

圖2　相變材料的比熱容變化曲線

本項(xiàng)目采用的定型相變材料PCM1和PCM2為80%石蠟、15%高密度聚乙烯和5%膨脹石墨的復(fù)合物。主體相變材料石蠟由17烷和48#半精煉石蠟的混合物組成，通過二者不同的配比形成不同相變溫度的相變混合石蠟。載體材料高密度聚乙烯能夠使融化的石蠟聚合不分散以保持形狀不變［9］。在本項(xiàng)目中，內(nèi)、外側(cè)定型相變板的厚度均為30 mm，相變墻板的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1　相變材料的熱物性參數(shù)

由于外層相變層主要在夏季發(fā)揮作用，而內(nèi)側(cè)相變層主要在冬季發(fā)揮作用，故本文分冬、夏季2個(gè)工況分別對(duì)空調(diào)能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1夏季工況

本模擬選定武漢地區(qū)，房間尺寸為9 m×5 m×3 m（長×寬×高），墻體材料熱物性參數(shù)見表2，供冷期為6月1日～9月30日，房間溫度設(shè)定為26℃，空調(diào)開啟時(shí)間為8：00～18：00。外側(cè)相變層PCM1相變溫度為28℃。

全年總冷負(fù)荷QC可由式（1）計(jì)算：

表2　墻體材料的熱物性參數(shù)

本文選用TRNSYS建模，模擬得出相變房間與普通房間在供冷季的逐時(shí)冷負(fù)荷如圖3所示。

圖3　相變房間與普通房間夏季逐時(shí)負(fù)荷對(duì)比

從圖3可以看出，相變房間的冷負(fù)荷低于普通房間，通過對(duì)逐時(shí)冷負(fù)荷積分可得出全年總冷負(fù)荷QC，然后計(jì)算出每年夏季建筑物運(yùn)行能耗降低了3.1%。

2.2冬季工況

供熱期為12月15日～次年3月15日，房間溫度設(shè)定為18℃，空調(diào)開啟時(shí)間為8：00～18：00。內(nèi)側(cè)相變層PCM2相變溫度為19℃。全年總熱負(fù)荷QH可由式（3）計(jì)算：

模擬得出相變房間與普通房間的逐時(shí)熱負(fù)荷如圖4所示。

圖4　相變房間與普通房間的冬季逐時(shí)熱負(fù)荷對(duì)比

從圖4可以看出，相變房間的熱負(fù)荷低于普通房間，通過對(duì)逐時(shí)熱負(fù)荷積分可得出全年總熱負(fù)荷QH，然后計(jì)算出冬季建筑物運(yùn)行能耗降低了17.7%。

2.3空調(diào)選型

依據(jù)空調(diào)冷熱負(fù)荷峰值選擇空調(diào)，本文夏季冷負(fù)荷峰值為2032 W，冬季熱負(fù)荷峰值為2297 W，選擇格力1匹變頻空調(diào)［KFR-23 GW/（23 570）Aa-3］，為了對(duì)比計(jì)算變頻與定頻空調(diào)分別與相變材料結(jié)合使用的效果，還選擇了格力1匹定頻空調(diào)［KFR-23 GW/K（23 556）D1-N1］，空調(diào)性能參數(shù)如表3所示。

表3　空調(diào)性能參數(shù)

3　相變墻體在空調(diào)房間的應(yīng)用效果

變頻空調(diào)的主機(jī)是自動(dòng)進(jìn)行無級(jí)變速的，它可以根據(jù)房間情況自動(dòng)提供所需的冷（熱）量；當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到期望值后，空凋主機(jī)以能夠準(zhǔn)確保持這一溫度的恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)”，從而保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定。由于變頻空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，性能系數(shù)COP不斷變化，所以本文將房間逐時(shí)負(fù)荷劃分為4個(gè)階段，0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%，每一個(gè)負(fù)荷段給定一個(gè)平均COP，由此可以根據(jù)建筑物冷負(fù)荷估算出變頻空調(diào)運(yùn)行能耗。本文采用IPLV值（綜合部分負(fù)荷性能指數(shù)）對(duì)變頻空調(diào)能耗進(jìn)行估算。

為了分別給定4個(gè)負(fù)荷段1個(gè)COP，文獻(xiàn)［10］研究了室外變頻空調(diào)機(jī)制冷量和功率與頻率的關(guān)系及COP與頻率的關(guān)系，從變頻空調(diào)機(jī)制冷量和功率與頻率的關(guān)系可以得出隨著變頻空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的遞增，制冷量和功率也隨之遞增；從COP與頻率的關(guān)系可以得出COP隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的升高而降低。由此可以得知，在低頻時(shí)的高效運(yùn)行是變頻空調(diào)機(jī)節(jié)能的主要原因，因此從0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%4個(gè)負(fù)荷段的COP應(yīng)該是依次降低的。

如果采用傳統(tǒng)的定頻空調(diào)機(jī)，其供電頻率不能改變，而我國的電網(wǎng)電壓為220 V、50 Hz，傳統(tǒng)定頻空調(diào)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，依靠不斷地“開、?！眽嚎s機(jī)來調(diào)整室內(nèi)溫度，其一開一關(guān)之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多電能。根據(jù)空調(diào)開啟的時(shí)間和額定輸入功率，即可得出定頻空調(diào)消耗的能耗。

3.1夏季工況空調(diào)能耗分析

相變房間的外側(cè)定型相變板厚度為30 mm，相變溫度為28℃，在TRNSYS中模擬出建筑物的逐時(shí)冷負(fù)荷，依據(jù)冷負(fù)荷峰值選定變頻機(jī)，然后把逐時(shí)冷負(fù)荷劃分為4個(gè)負(fù)荷段，計(jì)算出夏季空調(diào)的耗電量如表4所示。耗電量ω可由式（5）計(jì)算得出：

表4　夏季相變房間與普通房間變頻/定頻空調(diào)能耗對(duì)比

由表4可知，由于外側(cè)相變板的作用使得相變房間的負(fù)荷發(fā)生變化，而變頻空調(diào)是根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的需求來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而作用于室內(nèi)的，雖然相變房間的總冷負(fù)荷僅僅比普通房間降低了3.1%，但配合變頻空調(diào)使用可以節(jié)能3.81%。而使用定頻空調(diào)，相變房間比普通房間節(jié)能2.56%，節(jié)能效果小于均使用變頻空調(diào)的情況。由此可以得出，相變房間與變頻空調(diào)結(jié)合使用比與定頻空調(diào)結(jié)合使用的效果好。在相變房間分別使用變頻和定頻空調(diào)，發(fā)現(xiàn)變頻比定頻節(jié)能39.8%；而在普通房間分別使用變頻和定頻空調(diào)，變頻比定頻節(jié)能39.0%。在相變房間使用變頻空調(diào)，而普通房間使用定頻空調(diào)的情況下，節(jié)能率為41.4%。

3.2冬季工況空調(diào)能耗分析

相變房間的內(nèi)側(cè)定型相變板，相變溫度為19℃，在TRNSYS中模擬出建筑物的逐時(shí)熱負(fù)荷，然后把逐時(shí)熱負(fù)荷劃分為4個(gè)負(fù)荷段，計(jì)算出冬季空調(diào)耗電量，如表5所示。

表5　冬季相變房間與普通房間變頻/定頻空調(diào)能耗對(duì)比

由表5可知，由于內(nèi)側(cè)相變板的作用使得相變房間的負(fù)荷發(fā)生了變化，雖然相變房間的總熱負(fù)荷比普通房間降低了17.7%，但配合變頻空調(diào)使用可以節(jié)能20.90%。而使用定頻空調(diào)，相變房間比普通房間節(jié)能4.56%，節(jié)能效果小于均使用變頻空調(diào)的情況。由此可以得出，相變房間與變頻空調(diào)結(jié)合使用比與定頻空調(diào)結(jié)合使用的效果好。在相變房間分別使用變頻和定頻空調(diào)，發(fā)現(xiàn)變頻比定頻節(jié)能73.2%，而在普通房間分別使用變頻和定頻空調(diào)，變頻比定頻節(jié)能67.6%；在相變房間使用變頻空調(diào)，而普通房間使用定頻空調(diào)的情況下，節(jié)能率為74.4%。

4　結(jié)論

雙層定型相變墻體在夏季、冬季均能發(fā)揮作用。在夏季，外層相變材料PCM1白天吸收太陽輻射熱量在夜間釋放，防止白天過多的熱量進(jìn)入室內(nèi)；冬季，室內(nèi)側(cè)的相變材料PCM2吸收白天室內(nèi)多余的熱量，在夜間室內(nèi)溫度降低的時(shí)候釋放，減少白天室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度。雙層定型相變墻體在空調(diào)房間使用時(shí)能降低建筑物運(yùn)行能耗。本項(xiàng)目針對(duì)武漢地區(qū)建筑，通過理論分析、數(shù)值模擬雙層定型相變墻體與空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)合使用，研究分析空調(diào)系統(tǒng)的耗能，得出了以下結(jié)論：

（1）相變房間和普通房間在使用相同型號(hào)空調(diào)的情況下，相變房間的空調(diào)耗能要低于普通房間，使用雙層定型相變墻板達(dá)到了降低建筑物運(yùn)行能耗的目的。

（2）相變房間和普通房間均使用變頻空調(diào)的效果要優(yōu)于使用定頻空調(diào)的，說明定型相變板與變頻空調(diào)結(jié)合使用能充分發(fā)揮其節(jié)能的作用。

（3）定型相變板在冬季使用的情況明顯優(yōu)于在夏季使用，可以為后期定型相變板的使用位置提供參考。

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Study on energy saving effect of double layers shape-stabilized phase change material wallboard in air conditioning room

LIU Pengpeng，ZHU Na，HU Pingfang，LIU Fuli，LEI Fei
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

Double layers shape-stabilized phase change materials（SSPCMs）wallboard can insulate heat in summer and preserve heat in winter.It could reduce building operation energy consumption and improve the indoor thermal comfort for the whole year.In order to use the SSPCMs wallboard effectively，the effects of double layers SSPCMs wallboard used in an air-conditioning room was analyzed in this paper.The operation energy consumptions in rooms with and without split variable/constant frequency air-conditioners were compared and studied.The results showed that SSPCMs room with variable frequency air-conditioner consumed less energy than normal room with variable frequency air-conditioner，and the SSPCMs wallboard could adjust indoor temperature automatically with variable air-conditioner system.

double layers shape-stabilized phase change material，variable frequency，constant frequency，energy saving

TU52

A

1001-702X（2015）09-0042-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51508212）；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015CFB392）

2015-05-26；

2015-06-28

柳鵬鵬，男，1991年生，湖北潛江人，碩士研究生。