相變材料在夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的性能研究

孫小琴 樊思遠(yuǎn) 林逸安 涂 航 廖曙光

相變材料在夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的性能研究

孫小琴1樊思遠(yuǎn)1林逸安1涂 航1廖曙光2

（1.長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 長沙 410114 2.長沙麥融高科股份有限公司 長沙 410015）

相變材料（Phase change material, PCM）在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是一種改善室內(nèi)熱環(huán)境和居住舒適度的有效方法。為探索相變材料在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用的節(jié)能潛力，對比研究了不同相變材料應(yīng)用方法的節(jié)能效果，以能源使用強(qiáng)度（Energy use intensity, EUI）評價(jià)不同應(yīng)用方法的建筑性能，旨在找出最優(yōu)的應(yīng)用方法。所用的相變材料以高密度聚乙烯球封裝，并嵌入在XPS保溫板中，形成XPSPCM板。研究結(jié)果表明：在制冷季，將XPSPCM板安裝在建筑物墻體內(nèi)表面時(shí)的比其裝在建筑物墻體外表面時(shí)降低了0.27～0.66kWh/m2，采暖季的降低幅度為0.68～0.88kWh/m2。綜合考慮全年工況時(shí)，當(dāng)XPSPCM板安裝至建筑物墻體靠近內(nèi)表面時(shí)值最小。以雷達(dá)圖對比XPSPCM板集中于建筑不同朝向的應(yīng)用效果，結(jié)果顯示對于熔點(diǎn)為25℃的相變材料，相變材料集中布置于西向外墻時(shí)時(shí)建筑能耗最低。

相變材料；建筑墻體；建筑朝向；能源使用強(qiáng)度

0 引言

中國建筑能耗研究報(bào)告顯示2016年我國建筑能源消費(fèi)總量為8.99億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量的20.6%，其中電力和采暖能耗分別占比46%和25%[1]。在建筑能源消費(fèi)總量中25%的能源用于建筑室內(nèi)采暖與空調(diào)系統(tǒng)，該能耗高于同緯度甚至高緯度發(fā)達(dá)國家的一倍，對我國的能源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展造成不利影響。

相變材料（Phase change material，PCM）擁有良好的等溫蓄放熱特性，其在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的節(jié)能效果主要受室內(nèi)外環(huán)境和材料性能的影響，如其在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用可滿足夏季室內(nèi)舒適度要求，但未能有效提高冬季室溫[2]。為提高冬季建筑的性能，采用相變溫度為20℃的定形相變板可降低室內(nèi)溫度波動65%[3]。

目前相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的節(jié)能應(yīng)用研究主要集中于分析不同氣候類型和相變材料熔點(diǎn)等對建筑室內(nèi)溫度環(huán)境的影響，而相變材料在不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用對建筑的能源性能亦產(chǎn)生較大的影響[4-6]。各朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)接收的太陽輻射的差異導(dǎo)致其壁面溫度不同，從而影響外墻體中相變材料的蓄放熱過程，導(dǎo)致建筑的室內(nèi)環(huán)境以及能源性能變化。本文對比研究相變材料均勻布置于各朝向外墻與集中布置于南向外墻時(shí)的能源使用強(qiáng)度（Energy use intensity，EUI），并分析相變材料應(yīng)用于外墻中的不同位置及不同朝向?qū)ㄖ茉葱阅艿挠绊懀訣UI為指標(biāo)評價(jià)不同應(yīng)用方式的節(jié)能效果，最終獲得相變材料在夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的最優(yōu)方式。

1 研究方法

1.1 建筑模型

選取如圖1所示位于長沙的一座輕型建筑為研究對象，建筑占地面積6.25m2（2.5m×2.5m），層高2.4m，頂部為坡度為16.5°的雙坡頂，建筑的北向墻帶有尺寸為0.9m×2.0m的鋁合金門，東向有一扇0.76m×1.04m灰色鍍膜單層普通玻璃外窗。

為研究相變材料不同應(yīng)用方式對建筑性能的影響，建立如圖3所示的物理模型1～5，各模型所使用的外墻材料及參數(shù)見表1。材料3，4為自制的XPSPCM板，該材料由PCM球和XPS保溫板組成，PCM封裝在直徑為25mm的高密度聚乙烯球殼內(nèi)，所用的PCM為熔點(diǎn)25℃的石蠟，材料3和材料4中的PCM質(zhì)量百分比分別為40.3wt.%和66.9wt.%。模型1～3的外墻材料從外到內(nèi)分別為表1中的1225，1235和1325，模型4，5則是在模型1的基礎(chǔ)上，將其南向外墻的材料分別改為1245和1425。模型2～5所含相變材料的質(zhì)量均為4.56kg，相變材料在外墻中的位置各不相同，其中模型2和3的相變材料分別均勻布置于四個(gè)朝向外墻的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，模型4和5的相變材料分別集中布置于南外墻的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。

圖1 輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑

圖2 建筑物理模型

圖3 模型1～5的外墻結(jié)構(gòu)

表1 墻體材料及參數(shù)

1.2 模擬參數(shù)

采用Energyplus建筑能耗模擬軟件對五個(gè)模型進(jìn)行模擬，物理模型如圖2所示。模擬氣象參數(shù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)CSWD中的長沙氣象參數(shù)文件，長沙是典型的夏熱冬冷地區(qū)，全年溫度變化范圍為-3.2～38.2℃，夏季太陽輻射強(qiáng)度較大，其全年室外干球溫度與太陽輻射數(shù)據(jù)如圖4所示。各模型的全年制冷時(shí)段與采暖時(shí)段的室內(nèi)空調(diào)溫度分別設(shè)定為26℃和20℃，EER與COP分別設(shè)定為4.5和4.0[7]。相變材料的傳熱過程計(jì)算主要依賴于相變材料的焓值-溫度的函數(shù)關(guān)系[8]，該關(guān)系由DSC測試取得，所使用石蠟相變材料的焓值-溫度曲線坐標(biāo)點(diǎn)采用式（1）計(jì)算。

Δ=C×Δ（1）

其中，Δ是熱量，C是相變材料的比熱，Δ為溫差。

以模型2為研究對象，模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果如圖5和圖6所示，其中西向、南向和東向內(nèi)壁溫度模擬值和實(shí)測值的平均偏差分別為6.48%，4.05%和8.77%，模擬與實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)溫度偏差為5.02%。

圖4 長沙全年室外溫度與輻射強(qiáng)度

圖5 內(nèi)壁溫度校核結(jié)果

圖6 室溫校核結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 相變材料在外墻中的不同位置時(shí)的建筑性能

表2為各模型在采暖、制冷兩季與全年時(shí)段下的與節(jié)能率，節(jié)能率由式（1）計(jì)算。制冷時(shí)段時(shí)，模型4的節(jié)能率最高，其值為3.3%（2.79kWh/m2），模型3的節(jié)能率最低，約為1.85%（1.59kWh/m2）。模型4的節(jié)能率相對于模型2的節(jié)能率提高了0.66%，模型5的節(jié)能率相對于模型3的節(jié)能率提高了1.12%，說明將相變材料集中布置于南墻的使用效果優(yōu)于均勻分散布置于各朝向外墻。此外，模型2的節(jié)能率大于模型3，模型4的節(jié)能率大于模型5，說明將相變材料安裝于外墻內(nèi)側(cè)時(shí)建筑性能更優(yōu)。對于采暖季，各模型的節(jié)能率均低于制冷季，但模型4的節(jié)能率仍是模型2～5中最高的，其節(jié)能量為2.35kWh/m2。模型2～5制冷季與采暖季的節(jié)能量分別為1.59～2.79kWh/m2和1.88～2.35kWh/m2，制冷與采暖兩季的節(jié)能量近似。值得說明的是，采暖季所有模型的均遠(yuǎn)大于同模型下制冷時(shí)段的，這是由于幾乎整個(gè)采暖季室外氣溫（見圖1）均低于冬季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)定值20℃，且各模型外墻的保溫性較弱，故采暖季室內(nèi)熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于制冷季的冷負(fù)荷。

在全年工況中將相變材料集中布置于南向外墻內(nèi)側(cè)更有利于發(fā)揮相變材料對建筑性能的提升作用，且將相變材料集中布置于南墻始終比將等量的材料均勻分散于各面外墻的使用性能更好。

表2 各模型的節(jié)能率與EUI

2.2 相變材料在不同朝向外墻中的建筑性能

相變材料應(yīng)用于建筑中的性能受各種室外氣象條件的影響，除室外環(huán)境溫度的影響外，還受風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射、相對濕度等的影響[9,10]，其中太陽輻射對建筑中相變材料的應(yīng)用性能影響較大，尤其是在太陽輻射的熱量能充分傳遞至建筑中相變材料時(shí)，例如相變材料安裝于外墻或特朗勃墻等，長時(shí)段較低的太陽輻射與較低的白天室外氣溫可能導(dǎo)致建筑中的相變材料無法充分熔化蓄熱，較高的太陽輻射與較高的夜間室外氣溫可能導(dǎo)致建筑中的相變材料始終保持在液相而無法有效釋放熱量。為探究太陽輻射對應(yīng)用相變材料的建筑性能的影響，選取上述研究中全年節(jié)能率最高的模型4為研究對象，分析其在如圖7所示的16個(gè)朝向下的節(jié)能性能。此處建筑的朝向指模型4中帶有相變材料的外墻面對的方向。

圖7 建筑朝向變更示意圖

圖8為模型4在16個(gè)不同建筑朝向下的雷達(dá)圖。圖8（a）所示的模型4在制冷季不同朝向下的變化幅度Δ制冷=6.88kWh/m2，的最大值與最小值分別為東北向88.17kWh/m2和西向81.29kWh/m2。另外，東向的為81.3kWh/m2與西向81.29kWh/m2的差值僅為0.01kWh/m2，其他朝向下的均明顯大于此值。這是因?yàn)榻ㄖ虿煌芴栞椛涞挠绊懯覂?nèi)平均輻射溫度（Mean Radiant Temperature，MRT）隨之變化，制冷季較低的和采暖季較高的均有利于降低建筑能耗，其中是假設(shè)區(qū)域中心存在一人員的情況下按照式（2）計(jì)算得出[11]。如圖9所示，制冷季的最小值為西向的28.3℃，因此西向是制冷季最低的朝向。

圖8 不同朝向下的建筑EUI雷達(dá)圖

圖9 室內(nèi)平均輻射溫度

式中，T為平均輻射溫度，T為內(nèi)壁面溫度，F為壁面與人之間的角系數(shù)。

圖8（b）為采暖季雷達(dá)圖，當(dāng)相變材料安裝于南向外墻時(shí)最小，為675.06kWh/m2，西墻的675.12kWh/m2次之。在圖8（b）以東、西連線為界的上半部分7個(gè)朝向與下半部分7個(gè)朝向之間的平均差值為5.68kWh/m2，說明將相變材料集中于“南面外墻”或南向附近更有利于提升建筑性能，這是因?yàn)椴膳臼彝猸h(huán)境氣溫始終低于所使用的相變材料的熔點(diǎn)25℃，而將帶有相變材料的外墻調(diào)整至南向附近可以使墻體充分接收太陽輻射為相變材料蓄能，儲存的能量可向室內(nèi)傳遞，消除部分室內(nèi)熱負(fù)荷。

圖8（c）為建筑全年的分布，相變材料布置在不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的建筑性能存在明顯的差異，最大值為東北向的778.09kWh/m2，最小值為西向的756.41kWh/m2，兩者之間差值達(dá)到21.68kWh/m2。各朝向下的建筑性能具體表現(xiàn)為將帶有相變材料的墻體布置于建筑的正東正西正南（數(shù)值）三個(gè)方向的能耗顯著低于其他方向的能耗，以正西方向布置的建筑性能為最優(yōu)。

3 結(jié)論

相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用效果受其在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方式影響，同樣的相變材料在不同應(yīng)用方式中的節(jié)能效果存在較大差異。本文對比研究了相變材料布置于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面和內(nèi)表面時(shí)的建筑用能變化，結(jié)果表明不管是制冷季還是采暖季，將相變材料安裝于外墻內(nèi)表面時(shí)的建筑性能要優(yōu)于將相變材料安裝于外墻外表面。此外，將相變材料集中布置于南向外墻時(shí)，相對于將等量的相變材料均勻布置于各朝向外墻，單位面積建筑能耗可降低1kWh/m2。對比相變材料在不同朝向建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，夏季制冷工況時(shí)，當(dāng)相變材料集中布置于西向外墻時(shí)節(jié)能效果最顯著；冬季采暖工況時(shí)，當(dāng)相變材料集中布置于南向外墻時(shí)節(jié)能效果最顯著；全年工況時(shí)，將相變材料集中布置于西向外墻時(shí)最小，相對于將其布置于東北朝向時(shí)可降低21.68kWh/m2。

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Performance of the Building Envelopes Enhanced by Phase Change Materials in Hot Summer and Cold Winter Region

Sun Xiaoqin1Fan Siyuan1Lin Yian1Tu Hang1Liao Shuguang2

( 1.School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha, 410114;2.Changsha Maxxom Hi-Tech Co., Ltd, Changsha, 410015 )

The application of Phase Change Materials (PCMs) in building envelopes is an effective way to improve indoor thermal environment and residential comfort. To explore the energy saving potential of PCMs in hot summer and cold winter region, this paper compared the energy saving effects of different PCM application methods. The building performance with various PCM application methods was evaluated using energy use intensity (EUI). The PCM was encapsulated in a high density polyethylene sphere and embedded in an XPS thermal insulation panel, forming XPSPCM boards. The results show that thewas reduced by 0.27～0.66 kWh/m2when the XPSPCM board was installed near the inner surface of building walls during cooling season, compared to the case when XPSPCM board was installed near the outer surface of the building walls. Thereduction in heating season was 0.68～0.88 kWh/m2. For annual thermal performance, the lowestwas achieved when the XPSPCM board was installed to near the inner surface of building walls. In addition, the building performance was better with the PCM concentrated on the south-facing wall than the case with PCM distributed on each wall. For the PCM with a melting point of 25℃, the energy consumption was the lowest when the PCM concentrated on the west-facing walls.

Phase change material; Building wall; Building orientation; Energy use intensity

TU111.4

A

1671-6612（2020）02-191-06

國家自然科學(xué)基金（51308051）；湖南省自然科學(xué)基金（2019JJ30027）；湖南省湖湘青年英才項(xiàng)目（2017RS3036）；湖南省人才托舉工程項(xiàng)目（2017TJQ05）；長沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計(jì)劃（kq1802032）

孫小琴（1988.01-），女，博士，副教授，E-mail：xiaoqinsun@csust.edu.cn

2019-05-28