西安辦公建筑相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)的季節(jié)適宜性研究

劉江，楊柳，劉衍，侯立強(qiáng)，董宏，劉加平

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院；西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055; 2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

中國2017年施行的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)首次提出將相變材料復(fù)合在墻體內(nèi)側(cè)以增強(qiáng)墻體的熱穩(wěn)定性[1]。結(jié)合夜間自然通風(fēng)的相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)更能顯著改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境狀況，提高人體熱舒適度[2]。近年來,關(guān)于相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)的研究取得了顯著的成果。在理論研究方面，林坤平等[3]研究了結(jié)合夜間通風(fēng)的相變墻體熱設(shè)計(jì)方法，提出了夏季結(jié)合夜間通風(fēng)的相變墻房間熱性能的理論模型；孔祥飛等[4]利用熱焓法建立了相變蓄熱墻物理模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，從蓄熱量、延遲性和熔化過程三方面研究了相變墻體內(nèi)壁面與室內(nèi)空氣之間對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)的影響規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)研究方面，李百戰(zhàn)等[5]和白音夫等[6]建立建筑縮尺模型對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)的調(diào)溫效果進(jìn)行研究，獲得了相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)對(duì)輕質(zhì)建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律。在產(chǎn)品研發(fā)方面，馮國會(huì)等[7]研發(fā)了一種新型相變蓄熱墻，墻體上設(shè)有室外/室內(nèi)兩套通風(fēng)口，可分別滿足夜間/白天的通風(fēng)需求；謝靜超等[8]以石蠟為相變儲(chǔ)能材料，石膏為基礎(chǔ)材料，制備了一種新型石膏基儲(chǔ)能構(gòu)件并對(duì)其在北京地區(qū)過渡季節(jié)的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬研究。關(guān)于相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)本課題組也開展了相關(guān)研究：張璞等[9-10]利用固/液混合石蠟封裝在鋁罐中作為蓄熱體，放置于西安的一棟高層建筑中，對(duì)比研究了不同相變溫度的石蠟對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善情況；劉衍等[11-12]采用CFD方法研究了蓄熱通風(fēng)技術(shù)對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律，并通過EnergyPlus數(shù)值模擬軟件分析了相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在中國西部不同氣候區(qū)夏季使用的適宜性情況。

但目前關(guān)于相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)的研究主要以該技術(shù)在炎熱季節(jié)的應(yīng)用為前提，針對(duì)該技術(shù)在過渡季節(jié)應(yīng)用的研究還相對(duì)較少，而建筑實(shí)際運(yùn)行時(shí)都需同時(shí)考慮過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)房間的降溫問題，因此，相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮其在過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)的應(yīng)用。林坤平等[13]通過數(shù)值模擬分析了相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在中國不同氣候區(qū)夏季的應(yīng)用效果，說明了該技術(shù)在中國不同地區(qū)使用的優(yōu)點(diǎn)和局限性，但是沒有考慮該技術(shù)在過渡季節(jié)的應(yīng)用情況。本文以西安地區(qū)典型辦公建筑為例，研究分析相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)應(yīng)用效果的差異性。

1 相變材料的選擇

相變材料應(yīng)用在建筑中時(shí)，應(yīng)具有較大的相變潛熱、穩(wěn)定的化學(xué)性能以及適宜當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯南嘧儨囟?PCT)[14]，除此之外，還應(yīng)考慮其與建筑的結(jié)合方式、布置位置、相變材料用量、造價(jià)等因素，同時(shí)，應(yīng)盡量避免相變材料過冷現(xiàn)象對(duì)應(yīng)用效果的影響[15]。相變材料為建筑中應(yīng)用較為廣泛的脂肪酸類有機(jī)相變材料，該類相變材料具有儲(chǔ)能密度大、相變溫度范圍廣、不易發(fā)生相分離及過冷現(xiàn)象、價(jià)格低廉和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。為了選擇適宜過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)氣候特征的相變溫度，對(duì)西安地區(qū)過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)氣候特征進(jìn)行了分析。通常情況下西安地區(qū)11月15日至3月15日為采暖期，其前/后一段時(shí)間內(nèi)(3月16日至4月30日/11月1日至11月14日)室內(nèi)不存在降溫需求。因此，將5月1日至6月30日和9月1日至10月31日共計(jì)4個(gè)月定義為過渡季節(jié)，將7月1日至8月31日共計(jì)2個(gè)月定義為炎熱季節(jié)。圖1所示為西安地區(qū)過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)的室外空氣干球溫度分布情況，從圖1可以看出，室外空氣干球溫度月最高溫度平均值在20～32 ℃之間；月平均溫度值在15～27 ℃之間，月最低溫度平均值在11～23 ℃之間，室外空氣干球溫度波動(dòng)范圍主要集中在20～30 ℃之間，以月平均溫度以及兩個(gè)季節(jié)室外空氣干球溫度的主要波動(dòng)范圍為參考依據(jù)，初步挑選了相變潛熱相同、相變溫度呈階梯變化的6種脂肪酸類有機(jī)相變材料，相變溫度分別為21、23、25、27、29、31 ℃，相變潛熱值均為219 kJ/kg[16]，6種相變材料相變區(qū)間分別為19～23、21～25、23～27、25～29、27～31、29～33 ℃，焓溫曲線如圖2所示。

圖1 西安地區(qū)室外氣候分析Fig.1 Analysis of outdoor climate in

圖2 6種不同相變材料焓溫曲線圖Fig.2 Enthalpy-temperature graph of six different

2 數(shù)值模擬

2.1 建筑模型

選取西安地區(qū)1棟典型辦公建筑作為模擬對(duì)象，建筑模型和標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖3所示，該建筑層高3.6 m，建筑面積2 031 m2，相變材料布置于所有房間外墻、內(nèi)墻和天花板內(nèi)側(cè)，相變層厚度為20 mm，建筑材料熱物理性能計(jì)算參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造如表1和表2所示，分析對(duì)象為圖3虛線框所示房間。

表1 建筑材料熱物理性能計(jì)算參數(shù)Table 1 Thermophysical properties of building materials

續(xù)表1

表2 辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造Table 2 Construction of the office building

圖3 西安地區(qū)典型辦公建筑Fig.3 A typical office building model in

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

能耗模擬軟件EnergyPlus[17]由美國能源部和伯克利國家實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)，能夠用于相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算。數(shù)值模擬時(shí)間步長設(shè)置為3 min，空間離散常數(shù)設(shè)置為3，差分算法選擇全隱一階格式(Fully Implicit First Order)，外表面對(duì)流換熱采用DOE-2算法，內(nèi)表面對(duì)流換熱采用TARP算法[18]，計(jì)算模塊如圖4所示。由于EnergyPlus目前還不能對(duì)相變材料過冷現(xiàn)象進(jìn)行模擬，因此，模擬過程未考慮相變材料的過冷現(xiàn)象。

圖4 數(shù)值模擬求解模塊Fig.4 Numerical simulation solution

模擬時(shí)間為1月1日—12月31日，所用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)為EnergyPlus自帶的典型年氣象數(shù)據(jù)(CSWD氣象文件)[19]。夜間窗戶全部開啟進(jìn)行自然通風(fēng)，自然通風(fēng)時(shí)間為20:00—8:00，為了盡可能模擬真實(shí)條件下白天8:00—20:00時(shí)間段內(nèi)窗戶的開啟情況，白天通風(fēng)條件設(shè)置為室內(nèi)外溫差大于2 ℃，且室內(nèi)溫度高于18 ℃時(shí)開啟窗戶進(jìn)行自然通風(fēng)。室內(nèi)人員逐時(shí)在室率、照明功率密度情況和電器設(shè)備功率密度情況均按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)[20]進(jìn)行設(shè)置，如圖5所示。

圖5 人員、照明和設(shè)備情況時(shí)間表Fig.5 People, lighting and equipment running

2.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

對(duì)西安建筑科技大學(xué)1棟辦公建筑進(jìn)行了現(xiàn)場熱環(huán)境測試，并依據(jù)實(shí)際建筑建立了數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性和準(zhǔn)確性。為排除人員活動(dòng)等因素造成的誤差，該建筑測試是在無人員、照明和設(shè)備等內(nèi)熱源的條件下進(jìn)行的，模擬時(shí)同樣不考慮室內(nèi)熱擾的影響。

該建筑外立面和二層平面布置如圖6所示，測試房間如圖6(b)虛線框所示,測試分為室內(nèi)部分和室外部分，室內(nèi)測試參數(shù)為室內(nèi)空氣干球溫度、相對(duì)濕度，測試儀器為自記式溫度塊；室外測試參數(shù)為室外空氣干球溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射、風(fēng)速等，測試儀器為小型氣象站，測試儀器的布置依據(jù)《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 347—2014)[21]，儀器布置如圖7所示。測試時(shí)間為2017年7月15日至7月21日，測試儀器每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)。

圖6 現(xiàn)場測試建筑

圖7 現(xiàn)場測試儀器情況

模擬時(shí)將測試期間的室外空氣干球溫度和太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)替代原有氣象文件中的相應(yīng)數(shù)據(jù)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身具有一定的蓄熱能力，因此,當(dāng)天的室內(nèi)溫度同時(shí)受前幾日的影響，為了保證比較分析的準(zhǔn)確性，選取7月17日—21日的數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，室內(nèi)空氣干球溫度模擬值與實(shí)測值對(duì)比如圖8所示，從圖中可以看出：室內(nèi)空氣干球溫度模擬值與實(shí)測值變化趨勢基本一致，溫度最高值、最低值及其出現(xiàn)的時(shí)間十分吻合。為了更進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用相對(duì)誤差分析方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行定性分析。其中，最大相對(duì)誤差RME(見式(1))為2.95%，平均相對(duì)誤差RAE(見式(2))為0.96%。因此，綜合上述結(jié)果，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)測試值具有高度一致性，進(jìn)而驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖8 溫度實(shí)測值與模擬值對(duì)比Fig.8 The contrast of indoor air temperature between simulated results and experimental

(1)

(2)

式中:RME為最大相對(duì)誤差;xsim為數(shù)值模擬值;xexm為實(shí)驗(yàn)測試值;RAE為平均相對(duì)誤差。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)ΔT和J的定義

為了評(píng)價(jià)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)和夜間自然通風(fēng)技術(shù)在白天8:00—20:00人員在室內(nèi)期間的降溫效果，提出了室內(nèi)溫度“日累計(jì)降溫幅度”ΔT(見式(3))，作為上述兩種技術(shù)白天應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的指標(biāo)，并定義每個(gè)月日累計(jì)降溫幅度之和為∑ΔT月，整個(gè)過渡季節(jié)日累計(jì)降溫幅度之和為∑ΔT過渡，整個(gè)炎熱季節(jié)日累計(jì)降溫幅度之和為∑ΔT炎熱。

(3)

式中:tin為既未采用夜間自然通風(fēng)技術(shù)，也未采用相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)房間的室內(nèi)空氣溫度(參考組)，℃；tx為采用相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)或者夜間自然通風(fēng)技術(shù)時(shí)房間的室內(nèi)空氣溫度，℃。顯然，∑ΔT越大，相應(yīng)技術(shù)降溫效果越好。

同時(shí),為了評(píng)價(jià)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)與夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比所具有的降溫潛力，定義“降溫潛力百分比”J(見式(4))作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

降溫潛力百分比(J)=

(4)

式中:∑ΔT相為相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)取得的“日累計(jì)降溫幅度”ΔT之和；∑ΔT夜為夜間自然通風(fēng)技術(shù)取得的“日累計(jì)降溫幅度”ΔT之和。

4 相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)適宜性分析

采用EnergyPlus分別模擬了相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)、夜間自然通風(fēng)技術(shù)以及既無相變蓄熱通風(fēng)也無夜間自然通風(fēng)技術(shù)(參考組)情況下房間的空氣溫度和操作溫度。比較分析了6種潛熱相同，相變溫度不同的相變材料對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)降溫效果的影響，并對(duì)過渡季節(jié)該技術(shù)充分發(fā)揮相變潛能時(shí)的室外氣溫特征進(jìn)行了分析；同時(shí),以夜間自然通風(fēng)技術(shù)為參考，分別從降溫潛力和熱舒適評(píng)價(jià)兩方面，研究了相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在過渡季節(jié)(5月1日至6月30日和9月1日至10月31日)以及炎熱季節(jié)(7月1日至8月31日)的適宜性情況。

4.1 相變溫度對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)降溫效果的影響

圖9(a)、(b)分別為過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)典型周內(nèi)，分析房間南墻內(nèi)側(cè)布置6種不同相變材料時(shí)內(nèi)壁面溫度的對(duì)比。通過圖9(a)可發(fā)現(xiàn)：過渡季節(jié)典型周相變溫度為25 ℃的相變材料對(duì)墻體內(nèi)壁面溫度的調(diào)節(jié)效果較好，其內(nèi)壁面溫度波幅最??；當(dāng)布置其他5種相變材料時(shí)，其內(nèi)壁面溫度最大波幅達(dá)2.5 ℃，6月15日和16日內(nèi)壁面溫度明顯高于26 ℃，21、23、29、31 ℃這4種相變材料對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁面溫度在6月17日和18日甚至達(dá)到28 ℃，而相變溫度為25 ℃的相變材料對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁面溫度仍能維持在25 ℃左右。這意味著典型周內(nèi)相變溫度為25 ℃的相變材料對(duì)降低室內(nèi)空氣溫度的能力顯著優(yōu)于其他5種相變材料。通過圖9(b)炎熱季節(jié)典型周南墻內(nèi)壁面溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)：21 ℃、23 ℃、25 ℃和27 ℃這4種相變材料所對(duì)應(yīng)的南墻內(nèi)壁面溫度曲線幾乎重合，表明這4種相變溫度較低的相變材料對(duì)典型周南墻內(nèi)壁溫度的調(diào)節(jié)能力基本相同；相變溫度為29、31 ℃的相變材料對(duì)典型周南墻內(nèi)壁面溫度的調(diào)節(jié)能力均優(yōu)于前面4種相變材料，這表明炎熱季節(jié)典型周相變溫度較高的相變材料更能發(fā)揮相變蓄能作用，但相變溫度為29 ℃的相變材料較31 ℃的相變材料降溫效果更好，其南墻內(nèi)壁面溫度更低基本保持在29～30 ℃內(nèi)，溫度最大波幅僅有0.5 ℃。為了選擇最適宜的相變溫度，還需對(duì)整個(gè)過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)的降溫效果進(jìn)行定量分析。

圖9 典型周南墻內(nèi)壁面溫度Fig.9 Interior surface temperature of southwall in a typical

不同相變溫度對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)累計(jì)降溫幅度的影響如圖10所示。相變溫度對(duì)于過渡季節(jié)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)累計(jì)降溫幅度影響較為顯著，而對(duì)于炎熱季節(jié)，該技術(shù)累計(jì)降溫幅度影響較小。過渡季節(jié)累計(jì)降溫幅度∑ΔT過渡隨著相變溫度的增加呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，且在25 ℃時(shí)取得最大值。根據(jù)圖1室外氣候條件可知，過渡季節(jié)室外空氣干球溫度晝夜差大，且月平均溫度略低于25 ℃，因此，相變溫度為25 ℃的相變材料在夜間能夠很好地蓄冷。炎熱季節(jié)累計(jì)降溫幅度∑ΔT炎熱呈現(xiàn)出隨相變溫度的升高而增加的趨勢，但增幅不明顯。相變溫度為29 ℃時(shí)該技術(shù)取得最大值，當(dāng)相變溫度繼續(xù)增加到31 ℃時(shí)，∑ΔT炎熱保持不變。通過圖1室外氣候分析可知，炎熱季節(jié)月最高溫度平均值達(dá)32 ℃，月平均溫度高于26 ℃，月最低溫度平均值高于23 ℃，且大部分時(shí)間段全天溫度均在25 ℃以上，這說明炎熱季節(jié)夜間室外溫度大部分時(shí)間均處于較高溫度，所以，相變溫度較低的相變材料在夜間仍然為液態(tài)，無法凝固蓄冷，而相變溫度較高的相變材料在夜間雖能實(shí)現(xiàn)部分凝固，但由于炎熱季節(jié)晝夜溫差較小，即使全天溫度剛好處于相變溫度區(qū)間內(nèi)，相變材料仍將很難充分發(fā)揮相變蓄能作用。所以，炎熱季節(jié)隨著相變溫度的增加降溫幅度∑ΔT炎熱也相應(yīng)增加，但增幅較小。綜上可知，相變溫度對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用效果有較大影響，由于過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)室外氣候存在顯著的差異性，所以，導(dǎo)致該技術(shù)在過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)取得最大降溫幅度時(shí)的相變溫度不同。對(duì)于自由運(yùn)行建筑而言，過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)室內(nèi)均存在降溫需求，所以，相變溫度的選擇宜以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在兩個(gè)季節(jié)綜合降溫效果最好的原則進(jìn)行挑選。因此，以過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)該技術(shù)累計(jì)降溫幅度之和的最大值為依據(jù)對(duì)相變溫度進(jìn)行挑選，通過對(duì)6種不同相變溫度下兩個(gè)季節(jié)該技術(shù)累計(jì)降溫幅度之和的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)相變溫度為25 ℃時(shí)，過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)該技術(shù)累計(jì)降溫幅度之和最大(2 898 ℃·h)，因此，本文相變材料相變溫度選擇為25 ℃。

圖10 相變溫度對(duì)∑ΔT過渡和∑ΔT炎熱的影響Fig.10 Influence of PCT on ∑ΔT過渡 and

4.2 日氣溫特征對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)降溫效果的影響

圖11為相變溫度為25 ℃時(shí)，過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)日累計(jì)降溫幅度ΔT曲線圖。從圖中可以看出，過渡季節(jié)大部分天數(shù)該技術(shù)日累計(jì)降溫幅度高于炎熱季節(jié)，過渡季節(jié)其平均值達(dá)到18 ℃·h，最高值達(dá)到33.9 ℃·h；而炎熱季節(jié)其平均值僅為12 ℃·h，最大值也僅有20 ℃·h，這表明該技術(shù)應(yīng)用在過渡季節(jié)時(shí)具有更大的降溫優(yōu)勢。為了提煉出能夠準(zhǔn)確代表該技術(shù)充分發(fā)揮降溫潛能時(shí)室外日氣溫所具有的特征，對(duì)過渡季節(jié)日累計(jì)降溫幅度超過平均值18 ℃·h所對(duì)應(yīng)天數(shù)的室外日氣溫特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，符合要求的天數(shù)共計(jì)49 d，主要分析室外干球溫度的最大值、平均值、最低值以及晝夜溫差的分布情況。通過分析發(fā)現(xiàn)，每日室外干球溫度最大值高于27 ℃的天數(shù)占總天數(shù)的88%，超過30 ℃的天數(shù)占67%，每日室外干球溫度平均值處于相變區(qū)間的比例為61%，每日室外干球溫度最低值低于22 ℃的天數(shù)占86%，低于20 ℃的天數(shù)占71%，晝夜溫差高于10 ℃的天數(shù)占77%。通過以上數(shù)據(jù)可以得出較為保守的結(jié)論：當(dāng)室外干球溫度最高值大于相變區(qū)間上限值3 ℃，最低溫度低于相變區(qū)間下限值3 ℃，且日平均溫度處于相變區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，該技術(shù)能取得較好的應(yīng)用效果。為了驗(yàn)證該結(jié)論的可靠性，對(duì)5月5日和9月20日這2 d相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)取得較大“日累計(jì)降溫幅度”時(shí)相變蓄熱房間和參考組房間室內(nèi)空氣溫度以及室外干球溫度進(jìn)行了分析。

圖11 過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)日累計(jì)降溫幅度值Fig.11 The values of ΔT in transition and hot

從圖12可以發(fā)現(xiàn)，5月5日和9月20日相變蓄熱通風(fēng)房間室內(nèi)空氣溫度均低于參考組房間室內(nèi)空氣溫度，在8:00—20:00期間室內(nèi)空氣峰值溫度比參考房間約低3 ℃，這表明所選取的2 d內(nèi)，相變材料均很好地發(fā)揮了相變蓄能作用。通過觀察室外空氣溫度可以發(fā)現(xiàn)，這2天室外干球溫度波動(dòng)范圍均能夠覆蓋相變區(qū)間(23～27 ℃)，其平均值接近相變溫度(25 ℃)，最高值均比相變區(qū)間上限值(27 ℃)高7 ℃，最低值均比相變區(qū)間下限值(23 ℃)低4 ℃；另外，5月5日室外干球溫度晝夜溫差達(dá)到18.5 ℃，9月20日達(dá)到14.5 ℃；這些氣候特征均符合總結(jié)出的相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)充分發(fā)揮相變潛能時(shí)所具有的日氣溫特征。因此，實(shí)際應(yīng)用中可通過本文總結(jié)出的日氣溫特征對(duì)相變材料是否能夠充分發(fā)生相變進(jìn)行粗略地判斷。

圖12 室外日氣溫特征分析Fig.12 Analysis of the outdoor daily

4.3 相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)與夜間自然通風(fēng)技術(shù)降溫潛力對(duì)比

圖13(a)、(b)分別為相變溫度25 ℃下過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)典型周室內(nèi)空氣溫度。從圖13(a)可以看出：和夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比，過渡季節(jié)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)降溫優(yōu)勢明顯，最大可使白天室內(nèi)空氣溫度在夜間自然通風(fēng)技術(shù)基礎(chǔ)上下降2 ℃。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，兩種技術(shù)下室內(nèi)空氣溫度在夜間通風(fēng)時(shí)段基本相同，且與室外空氣干球溫度接近，這說明過渡季節(jié)夜間通風(fēng)效果較好，能夠及時(shí)降低室內(nèi)空氣溫度使相變材料凝固蓄冷，同時(shí)帶走凝固過程釋放的熱量；而炎熱季節(jié)，該技術(shù)的降溫優(yōu)勢顯著減弱，和夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比，該技術(shù)下白天室內(nèi)空氣溫度最大僅下降0.5 ℃。通過圖13(b)可以看出，兩種技術(shù)下夜間室內(nèi)空氣溫度基本相同，且高于相變區(qū)間下限值23 ℃，室外空氣干球溫度晝夜溫差相對(duì)較小，部分天數(shù)晝夜溫差僅有5 ℃，且最低溫度高于22 ℃，這種情況下相變材料在夜間將不能充分凝固蓄冷，所以，該技術(shù)在白天未能發(fā)揮相變蓄能的作用。這種情況在整個(gè)炎熱季節(jié)較為常見，炎熱季節(jié)通常晝夜溫差較小，全天室外空氣溫度均保持在較高水平，夜間室外空氣溫度甚至高于相變區(qū)間下限值，同時(shí)由于實(shí)際應(yīng)用中相變材料往往存在過冷現(xiàn)象，因此在這種氣候特征下相變材料在夜間將很難實(shí)現(xiàn)凝固蓄冷。此時(shí)，可考慮在夜間低溫時(shí)段采用機(jī)械通風(fēng)設(shè)備對(duì)相變材料進(jìn)行通風(fēng)降溫，使其充分凝固蓄冷。對(duì)于空調(diào)房間，則可以考慮在夜間低谷電價(jià)時(shí)段開啟空調(diào)對(duì)相變材料進(jìn)行降溫蓄冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減少白天空調(diào)使用的時(shí)間。但實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)這種方式的可行性進(jìn)行論證，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或者相變材料儲(chǔ)能效果差等問題，這種方式可能起不了節(jié)能的作用反而增加經(jīng)濟(jì)成本。

圖13 典型周室內(nèi)空氣溫度Fig.13 Indoor air temperature of a typical

圖14所示為相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)和夜間自然通風(fēng)技術(shù)5月份—10月份每月日累計(jì)降溫幅度之和∑ΔT月的對(duì)比。與夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比，采用相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)，5、6月份日累計(jì)降溫幅度之和∑ΔT月均有顯著提升，降溫潛力百分比J能夠達(dá)到20%左右，9月份降溫潛力百分比J達(dá)到14%，7、8月份∑ΔT月降溫潛力百分比J均只有5%左右，10月份兩種技術(shù)降溫效果一樣，降溫潛力百分比J為0，10月份室外月平均溫度為15 ℃，最高溫度平均值也只有20 ℃，因此，相變溫度為25 ℃的相變材料在10月份整個(gè)時(shí)間段內(nèi)幾乎完全處于凝固狀態(tài)。此時(shí)，相變材料等同于常規(guī)材料，已不能起到調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度的作用，但從人體熱舒適角度考慮，10月份已不存在降溫需求。圖15為整個(gè)過渡季節(jié)降溫幅度∑ΔT過渡和整個(gè)炎熱季節(jié)降溫幅度∑ΔT炎熱的對(duì)比。過渡季節(jié)采用相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)能夠取得較好的應(yīng)用效果，整個(gè)過渡季節(jié)降溫潛力百分比J能夠達(dá)到14%，而整個(gè)炎熱季節(jié)該技術(shù)降溫能力有限，降溫潛力百分比J僅有5.6%。

圖14 不同月份降溫幅度∑ΔT月對(duì)比Fig.14 Comparisons of ∑ΔT月 in different

圖15 過渡和炎熱季節(jié)∑ΔT對(duì)比Fig.15 Comparisons of ∑ΔT in transition and hot

4.4 相變蓄熱通風(fēng)房間室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)

通過降溫幅度對(duì)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，降溫幅度只是從降溫潛力的角度說明該技術(shù)的應(yīng)用效果，對(duì)于自由運(yùn)行房間，還應(yīng)根據(jù)人體熱舒適的需求分析該技術(shù)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善情況。因此，采用ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)熱舒適模型[22]對(duì)過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。

如圖16所示，參考組房間和夜間自然通風(fēng)房間相比，過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)采用相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)后，室內(nèi)操作溫度均有所下降，但過渡季節(jié)室內(nèi)操作溫度偏離熱舒適范圍較小，而炎熱季節(jié)室內(nèi)操作溫度偏離熱舒適范圍較遠(yuǎn)。圖17(a)、(b)分別為過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)室內(nèi)操作溫度不滿足人體熱舒適溫度范圍的小時(shí)數(shù)。與參考組比較，夜間自然通風(fēng)和相變蓄熱通風(fēng)兩種技術(shù)均能改善過渡季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，但相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)優(yōu)勢更為明顯，可使室內(nèi)操作溫度不滿足ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)的80%，可接受溫度范圍的時(shí)間在夜間自然通風(fēng)技術(shù)的基礎(chǔ)上降低8%，不滿足標(biāo)準(zhǔn)90%可接受溫度范圍的時(shí)間降低18%。而炎熱季節(jié)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)與夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比，室內(nèi)操作溫度不滿足ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)的80%和90%，可接受溫度范圍的時(shí)間僅降低1%，這主要由于炎熱季節(jié)室外溫度相對(duì)較高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人體熱舒適溫度范圍，采用該技術(shù)雖可使室內(nèi)操作溫度有所下降，但仍然無法達(dá)到人體熱舒適溫度范圍。

圖16 室內(nèi)熱舒適評(píng)價(jià)

圖17 室內(nèi)熱舒適不滿足小時(shí)數(shù)Fig.17 Number of hours not meet thermal comfort during the occupancy

5 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，比較分析了西安地區(qū)典型辦公建筑相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)在過渡季節(jié)和炎熱季節(jié)的應(yīng)用情況，得到以下結(jié)論：

1)與夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比，相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)可使過渡季節(jié)的降溫幅度∑ΔT過渡提高14%，炎熱季節(jié)的降溫幅度∑ΔT炎熱提高5.6%。

2)與夜間自然通風(fēng)技術(shù)相比，相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)能夠顯著改善過渡季節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境狀況，可使室內(nèi)操作溫度不滿足ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)的80%和90%，可接受溫度范圍的時(shí)間分別降低8%和18%，而炎熱季節(jié)室內(nèi)操作溫度不滿足ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)的80%和90%，可接受溫度范圍的時(shí)間均只能降低1%，因此，炎熱季節(jié)需考慮主動(dòng)式降溫技術(shù)。

3)當(dāng)室外干球溫度最大值高于相變區(qū)間上限值3 ℃，最低溫度低于相變區(qū)間下限值3 ℃，且日平均溫度處于相變區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)能取得較好的應(yīng)用效果。

4)相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)更適合應(yīng)用在過渡季節(jié)，炎熱季節(jié)較高的室外氣候條件不利于相變蓄熱通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用中相變溫度的選擇宜根據(jù)過渡季節(jié)室外氣候條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。