相變蓄熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)實驗研究

■ 葉 海 Ye Hai 程 俊 Cheng Jun

相變蓄熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)實驗研究

■ 葉 海 Ye Hai 程 俊 Cheng Jun

文章闡述相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的幾種應(yīng)用，介紹相變材料墻體實驗室，通過對比實驗，測試相變材料對墻體蓄熱性能的影響。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)相變材料的應(yīng)用效果及存在的一些問題，對相變溫度的選擇做出定性判斷，對相變蓄能在建筑中的應(yīng)用前景和研究方向進(jìn)行預(yù)測。

相變材料；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；蓄熱性能

1 建筑蓄熱的概念

建筑蓄熱是指建筑自身吸收、存儲和釋放熱量的性能，既包括蓄熱能力也包括蓄冷能力。建筑蓄熱必須采用蓄熱體，即熱容量較大的材料，如石塊、混凝土、土坯等。建筑蓄熱體對室內(nèi)環(huán)境溫度可以起到一定的調(diào)節(jié)作用，在環(huán)境溫度較高時，蓄熱體暫時性吸收和儲存熱量，然后在環(huán)境溫度降低的時候逐漸釋放出來。這樣不僅減小了室內(nèi)環(huán)境溫度的波動，也延緩了室內(nèi)溫度的峰值時間。利用建筑自身的蓄熱蓄冷能力，可以避免室內(nèi)溫度波動過于劇烈，提高室內(nèi)熱舒適性，降低空調(diào)能源消耗，是被動式節(jié)能技術(shù)的重要手段之一[1]。

2 建筑蓄熱的幾種方法

集熱墻蓄熱是目前采用比較多的典型建筑蓄熱應(yīng)用方式，其核心是集熱蓄熱墻體，即特朗勃墻（Trombe Wall）。它一般以南向重質(zhì)墻體作為集熱蓄熱墻，厚度300mm左右，多采用混凝土、磚、夯土等，墻體外表面外涂或外貼一層黑色或深色的高吸收且低反射率材料，以提高集熱能力。墻體外罩一層玻璃板，并與墻體之間留有100mm空隙，形成空氣夾層。墻體和玻璃板的上、下部設(shè)置風(fēng)口。根據(jù)需要控制風(fēng)口的開啟或關(guān)閉，達(dá)到控制熱量進(jìn)入室內(nèi)或者排出室外的目的（圖1(1)）。特朗勃墻相對來說蓄熱穩(wěn)定，易于控制，溫度波動小，室內(nèi)熱舒適性高，但也存在著在陰天不利、夏天容易過熱的情況。

卵石床蓄熱是以卵石為蓄熱材料，以對流環(huán)路的方式實現(xiàn)室內(nèi)冷暖空氣的流動，從而改善室內(nèi)溫度。與位于南墻下方的建筑一體化空氣集熱器不同，卵石床蓄熱一般置于地下室。白天的太陽輻射能經(jīng)空氣集熱器吸收后全部貯存在卵石床中，由于卵石的高蓄熱能力，這些能量可在夜間溫度降低時候釋放出來，加熱空氣。與此同時，房間內(nèi)的冷空氣在熱壓的作用下流經(jīng)卵石床，再被其加熱，形成一個室內(nèi)微循環(huán)，從而使房間升溫（圖2）。為加快空氣循環(huán)流動和能量傳遞，該系統(tǒng)運行要使用一定量的設(shè)備，如小功率的風(fēng)機(jī)等[2]。

特朗勃墻與卵石床的使用都受到建筑結(jié)構(gòu)的較大限制，主要用于住宅。公共建筑的蓄熱蓄冷可以結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的運行達(dá)到較好的效果[3]。圖3左側(cè)是傳統(tǒng)空調(diào)運行模式，右側(cè)則是蓄熱蓄冷運行模式。建筑物采用重質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)，在夏季夜間用電低谷開啟空調(diào)系統(tǒng)，通過冷空氣對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻。這樣白天在工作時間，空調(diào)系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)蓄冷共同作用，可維持舒適的室內(nèi)溫度。利用結(jié)構(gòu)蓄冷，不僅可以利用夜間的廉價電力，避免白天用電高峰的電力緊張狀況，也可以減少空調(diào)設(shè)備的容量，降低初投資。

圖1 相變特朗勃集熱墻

圖2 卵石床蓄熱

圖3 結(jié)構(gòu)蓄熱節(jié)省空調(diào)能耗

3 相變材料蓄熱

蓄熱材料因受熱發(fā)生溫度變化，從而將熱量存儲起來稱為顯熱蓄熱。顯熱蓄熱以其簡單的原理、豐富的材料來源、低廉的成本和成熟的技術(shù)，被最早提出并在建筑節(jié)能及其他領(lǐng)域得到普遍運用和推廣。但是在蓄熱和釋能時，材料的溫度變化比較大，熱流也比較不穩(wěn)定。一般地，顯熱蓄熱材料的密度都比較大，若要保證存儲相當(dāng)數(shù)量的熱量，所需要蓄熱材料的質(zhì)量就比較大。目前，大部分建筑的蓄熱方式還是以此類為主。常用的顯熱蓄熱材料主要有水、巖石、土壤、陶瓷、混凝土等。一般建筑為保證足夠的蓄熱能力，則要求蓄熱材料有足夠大的比熱容和密度。

相變蓄熱，也就是潛熱蓄熱。有些物質(zhì)在吸熱或放熱的過程中，伴隨著物理狀態(tài)的變化，這一變化過程稱之為相變，對應(yīng)的材料稱之為相變材料(PCM)。相變蓄熱就是利用這一原理，依靠相變材料的相變過程來實現(xiàn)能量的存儲和釋放的。相變材料在發(fā)生物理狀態(tài)變化的過程中，材料本身的溫度基本保持在一定的范圍內(nèi)，且吸收和釋放的熱量要比顯熱蓄熱材料要大得多，有較高的能量密度。正是基于此，相變蓄熱方式在建筑節(jié)能上才有較大的價值[4]（圖4）。

為了提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，可在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置相變材料，形成相變蓄熱式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（圖5），使用少量的相變材料就可以大大增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力[5]。相變材料的種類雖然很多，但是能夠應(yīng)用到建筑中的相變材料需要滿足以下要求：①相變溫度接近人體舒適溫度；②具有足夠大的相變潛熱；③相變的可逆性好，使用壽命長；④相變時膨脹或收縮性要??；⑤無毒、無腐蝕性、不燃、不污染環(huán)境；⑥制作原料價廉易得；⑦易與建筑材料相容，不影響建筑材料的機(jī)械性和強(qiáng)度。

但事實上，幾乎沒有哪種相變材料能夠滿足以上所有要求。在實際應(yīng)用中，選擇相變材料主要是看其相變溫度和相變潛熱是否合適，然后再采用相應(yīng)的技術(shù)手段去克服其不足之處?？傮w來說，目前常用在建筑中的相變材料主要有結(jié)晶水合鹽類、石蠟、多元醇、羧酸、酯、高分子聚合物等。我國地域遼闊，各地氣候也大不相同，因此，在選擇時要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)照{(diào)和采暖能耗的要求來確定合適的相變材料。

圖4 相變材料與顯熱蓄熱儲能密度對比

圖5 相變蓄熱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾種應(yīng)用形式

圖6 相變玻璃磚加工

4 相變墻體實驗室簡介[6]

相變材料如何與建筑材料相結(jié)合是一個較大的難題，目前主要有浸漬法、直接混合法和微封裝法三種方法，但都存在著一定問題。

本文采用了一種新方法，以玻璃磚作為相變材料的容器，既可以直接利用現(xiàn)有的建材而不需要做太大的改變，又可以直觀看到相變材料的變化過程。中空玻璃磚尺寸為190mm×190mm×50mm，在玻璃磚上方鉆開一個直徑2cm的圓孔，將相變材料加熱成液體后充入（圖6）?？紤]到材料相變的體積變化，上方保留一定的空隙，然后再將圓孔封閉。玻璃磚空腔厚度約30mm，每片玻璃磚凈容積約1L。

填充到玻璃磚中的相變材料分兩種，一種代號MG19，主要成分是脂肪酸有機(jī)化合物，相變溫度為19℃，相變潛熱值140kJ/kg，密度為900kg/m3；另一種代號CT26,主要成分為無機(jī)氯化鈣水溶液，相變溫度為26℃，潛熱值180kJ/kg，密度為1 500kg/m3。用填充有相變材料的玻璃磚在實驗室內(nèi)砌筑了一面內(nèi)墻，將實驗室分隔為2個獨立的空間，整體墻體效果如圖7。玻璃磚橫向28列，豎向14層，墻體尺寸5 480mm×2 730mm。中間嵌有55塊未填充的空心玻璃磚，構(gòu)成“C”“A”“U”“P”4個字母。其中，裝有19℃相變材料的玻璃磚置于上7層，共166塊；裝有26℃相變材料的玻璃磚置于下7層，共171塊。

相變玻璃磚墻體安裝在文遠(yuǎn)樓底層實驗室的南側(cè)，墻體兩側(cè)各有一扇玻璃門，玻璃門上下方均有可開啟的小窗。墻體隔開的2個室內(nèi)空間有獨立的空調(diào)系統(tǒng)，可以根據(jù)實驗需要分別控制溫度。

圖7 相變材料墻體

圖8 測點布置圖

圖9 溫度變化對比圖

5 相變蓄熱實驗

為了測試相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱效果，選取了本實驗室和同層的一房間進(jìn)行對比測試。利用溫濕度自記儀，每隔5min自動記錄溫度的變化，測點布置見圖8。各區(qū)域垂直方向均布置3個測試點，取各測點溫度平均值代表該區(qū)域溫度，避免溫度梯度帶來的影響。測試過程中，房間均為無人使用狀態(tài)。

數(shù)據(jù)記錄的時間為2014年12月20日至23日。由于氣溫低于材料的相變溫度，相變墻體無法發(fā)生相變，需要開啟空調(diào)系統(tǒng)供熱，主動使墻體發(fā)生相變。兩房間的空調(diào)系統(tǒng)末端（立式風(fēng)機(jī)盤管）均位于窗臺下方。實驗大致可區(qū)分為a、b、c、d、e五個階段。其中，a、c階段為早上9∶00左右開啟空調(diào)系統(tǒng)，房間溫度逐漸升高，同時相變墻體也緩慢液化貯存熱量；b、d階段為晚上21∶00左右關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，房間溫度逐漸降低，相變墻體開始釋放熱量；e階段對比房間開啟過1次空調(diào)系統(tǒng)，相變墻體房間未再開啟空調(diào)。對實驗過程自動按照一定時間間隔拍照，僅相變溫度19℃的材料發(fā)生了相變（圖9、10）。從15∶30～23∶30，在供熱系統(tǒng)的作用下，玻璃磚內(nèi)的相變材料逐漸液化，在23∶30～00∶00，相變材料基本處于完全相變狀態(tài)，呈現(xiàn)為液體。在00∶00～10∶30，由于房間溫度受室外溫度的影響，溫度開始驟降，相變材料開始放熱，表現(xiàn)為逐漸凝固。可見，從房間21∶00最高溫度到相變材料00∶00最大液化狀態(tài)，傳熱過程有3h左右的延遲。

從圖9可以看出，兩房間的溫度變化存在明顯差異。b階段有相變材料作用的房間從20.7℃降到17.9℃，波動2.8℃；普通對照房間則從20.5℃降到14.1℃，波動6.4℃。第二天因室外降溫明顯，最低溫度接近2℃，室內(nèi)溫度波動也加大：d階段相變墻體房間從20.9℃降到16.0℃，波動4.9℃；普通對照房間更是從21.0℃降到13.2℃，波動7.8℃。相變材料有明顯穩(wěn)定室內(nèi)溫度的作用，且2d中，在相變墻體蓄熱作用下，房間溫度比普通房間溫度分別高3.8℃與2.8℃。e階段的結(jié)果表明，普通房間在關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)后溫度急劇降低，甚至低于沒有開啟空調(diào)系統(tǒng)的相變墻體房間，相變墻體的蓄熱效果持續(xù)體現(xiàn)。

圖10 相變材料的部分變化過程

6 結(jié)論與展望

以上實驗證明，利用相變材料可以獲得滿意的蓄熱效果。目前，相變材料在建筑中的應(yīng)用并不多見，原因是多方面的。對于材料本身的成本、相變溫度的穩(wěn)定性等問題，相信隨著材料技術(shù)的進(jìn)步會逐步得到解決；而如何讓相變材料與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，還需要持續(xù)研究。若要在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮相變材料的蓄熱作用，一種思路是直接利用室外溫度波動或太陽輻射，實現(xiàn)相變材料的蓄熱相變，此時需要有較大的日較差；若要獲得全年最佳的綜合蓄熱節(jié)能效果，還需考慮供熱和空調(diào)系統(tǒng)的使用時間，一般相變材料的溫度接近當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟葹橐?。另一種思路是利用供熱空調(diào)系統(tǒng)驅(qū)動相變材料相變蓄熱，如在夜間的用電低谷開啟供熱或空調(diào)系統(tǒng)，可以節(jié)省電費，減小設(shè)備容量降低初投資。

利用相變材料，還可以對傳統(tǒng)的蓄熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如相變玻璃磚集熱墻（圖1）。相變材料的蓄熱作用使相變玻璃磚墻可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的特朗勃集熱墻中的重質(zhì)墻體，同時也突破了重質(zhì)墻體在采光上的缺陷。相比傳統(tǒng)的特朗勃集熱墻，玻璃磚集熱墻極大地提高了蓄熱能力，減少了材料的使用，可適應(yīng)輕質(zhì)建筑的發(fā)展需求；同時，適當(dāng)結(jié)合建筑設(shè)計還可滿足采光或視線的需求，光影也會隨著相變過程呈現(xiàn)豐富的變化。

[1]程俊,葉海. 綠色建筑相變蓄熱應(yīng)用研究[D]．同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2016．

[2]程俊,葉海. 綠色建筑中的相變蓄能應(yīng)用研究[C]．2015國際綠色建筑與建筑節(jié)能論文集, 2015．

[3]松尾陽. 軀體蓄熱[M]. 東京:オーム社/出版局, 2007.

[4]張雄,張永娟. 建筑節(jié)能技術(shù)與節(jié)能材料[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

[5]周國兵. 自然能源·相變蓄能·建筑節(jié)能[M]. 中國建筑工業(yè)出版社, 2013.

[6]錢鋒. 文遠(yuǎn)樓建筑節(jié)能實驗室相變墻體應(yīng)用效果分析[J]. 建筑科學(xué). 2014, 30(8): 60-67.

Experiment and Research on Phase Change Heat Storage Enclosure Structure

This paper expounds several kinds of application of phase-change materials (PCM) in building enclosure structure, introduces PCM wall laboratory and tests the influence of the PCM on heat storage performance of the wall through comparative test. By analyzing the test data, it summarized the application result and some existing problems of the PCM, made qualitative determination on selection of phase-change temperature as well as predicted the application prospect of phase-change energy storage in building and the research direction.

PCM, enclosure structure, heat storage performance

2016-10-09）

本課題由高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室自主與開放課題資助。

葉海，工學(xué)博士，同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院副教授；程俊，同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院碩士研究生。