基于復(fù)合相變材料的梯級(jí)相變輻射末端實(shí)驗(yàn)研究

孔祥飛，姜麗娜，任鍵林

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

隨著工業(yè)發(fā)展社會(huì)進(jìn)步，世界人口急速膨脹，國(guó)際能源需求日益增加[1]。用以營(yíng)造室內(nèi)適宜冷熱環(huán)境的暖通設(shè)備建筑能耗在全球能源需求中一直占有極大的比重，所以亟需一種可以減少建筑能源消耗的高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)[2]。由于相變材料（PCM）儲(chǔ)能具有高熱量密度、可按需調(diào)控的相變儲(chǔ)能區(qū)間、近似等溫放熱等特性，所以PCM在建筑節(jié)能中的研究利用[3]是減少建筑能源消耗的高效、經(jīng)濟(jì)的手段。其與低品位且不穩(wěn)定的清潔能源耦合，可實(shí)現(xiàn)該類清潔能源的穩(wěn)定輸出和高效利用。在建筑中正確使用PCM符合推行凈零能耗建筑的國(guó)際趨勢(shì)[4]。因此，建筑相變蓄能技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

早期建筑用相變材料是采用將液體或固體粉末直接摻入[4]建筑材料當(dāng)中。其最大的缺陷是PCM在液態(tài)下容易發(fā)生泄漏。隨之出現(xiàn)了將成型的建筑材料如石膏和混凝土等浸入[5]到液體PCM中的方法。但是PCM的泄漏問(wèn)題依舊沒(méi)有得到解決。近幾十年來(lái)，相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展到新的階段，出現(xiàn)了復(fù)合相變材料（CPCM）的制備方法，包括：以微觀封裝為特征的微膠囊封裝法[6-7]和維持固-固相變形態(tài)的復(fù)合定形法[8-11]。微膠囊封裝法是指在微觀視角下用材料將微量級(jí)PCM 全封閉包裹從而形成相變微膠囊（MPCM）。外部囊壁材料保護(hù)PCM不發(fā)生泄露，不與外界發(fā)生質(zhì)量交換。復(fù)合定形法同樣可以防止PCM的泄露。它通過(guò)液體PCM 與支撐材料之間發(fā)生物理吸附從而形成固態(tài)穩(wěn)定的CPCM。將支撐材料的內(nèi)部孔隙空氣抽出，可以使得液態(tài)PCM吸附進(jìn)支撐材料的內(nèi)部微孔，利用毛細(xì)凝聚力與微孔張力對(duì)液體PCM進(jìn)行包覆，從而在宏觀角度展示出固-固相變的特征。

PCM的泄漏問(wèn)題可以通過(guò)合理的封裝方式進(jìn)行解決，但目前PCM在建筑應(yīng)用中還存在著導(dǎo)熱系數(shù)低的問(wèn)題。常用的有機(jī)PCM導(dǎo)熱系數(shù)很低，用于吸附的支撐材料一般為膨脹蛭石及膨脹珍珠巖等多孔建材，均體現(xiàn)出低導(dǎo)熱性。MPCM所采用的高分子壁材也一般是低導(dǎo)熱材料。這種導(dǎo)熱性差的缺陷會(huì)制約PCM的蓄放熱速率以及利用率。為解決這一難題，相關(guān)研究往往加入導(dǎo)熱性強(qiáng)的添加劑[12]例如膨脹石墨，碳納米管等。但隨著研究的深入，有學(xué)者指出這種方法會(huì)導(dǎo)致相變焓降低。Sar?等[13]報(bào)道添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的膨脹石墨可使PCM的蓄放熱時(shí)間縮短32%，但是相變焓值卻從195.6 kJ/kg下降至178.3 kJ/kg。Kong等[14]將鋁粉添加到石蠟/膨脹珍珠巖墻板中，也證實(shí)了添加劑的加入會(huì)導(dǎo)致相變焓降低。

從應(yīng)用效率角度出發(fā)，熱量被快速的從PCM中提取和儲(chǔ)存對(duì)能源的利用是有利的，強(qiáng)化在建筑中PCM的蓄放熱速率，對(duì)于室內(nèi)熱舒適性與能源利用效率的提高至為關(guān)鍵。在傳熱領(lǐng)域一般采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)配置的方法來(lái)強(qiáng)化傳熱，包括封裝優(yōu)化[15]，幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化[16]，分區(qū)梯級(jí)蓄熱[17]。目前，PCM儲(chǔ)能在建筑中應(yīng)用的主要方向?yàn)榻ㄖ覂?nèi)調(diào)溫?zé)彷椛淠┒耍ㄏ嘧兊匕錥17-21]，相變吊頂[22-25]）和建筑外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)（相變屋頂[26-27]，相變墻板[28-31]，相變混凝土[32-35]，相變窗[36-38]）。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身存在復(fù)雜功能，不適合以金屬肋片等結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱，而且依靠封裝優(yōu)化后的MPCM也很難在微觀上進(jìn)一步去改變結(jié)構(gòu)。所以，基于梯級(jí)蓄熱原理將不同相變點(diǎn)的PCM在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中梯級(jí)布置，是最易于實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)化建筑相變蓄放熱的方法。以建筑為出發(fā)點(diǎn)，將PCM 與圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成，被稱為被動(dòng)式相變蓄熱，用以提高建筑熱惰性。將太陽(yáng)能或熱泵與PCM結(jié)合供能，一般稱為主動(dòng)式相變蓄能。被動(dòng)式相變蓄能可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，降低環(huán)境對(duì)室內(nèi)溫度的影響。同時(shí)可蓄存室內(nèi)多余熱量平衡溫度波動(dòng)，一般用于夏季工況，蓄存夏季冷量。在極端天氣下PCM 的被動(dòng)式調(diào)溫效果不佳，進(jìn)而需要主動(dòng)式制冷手段來(lái)彌補(bǔ)尖峰熱負(fù)荷，來(lái)維持室內(nèi)熱舒適。在冬季工況下，被動(dòng)式應(yīng)用方式自身無(wú)法提供足夠的熱量來(lái)維持室內(nèi)的熱舒適性，因此，一般采用主動(dòng)式相變蓄熱系統(tǒng)來(lái)提高供能系統(tǒng)的效率和增強(qiáng)供需端協(xié)調(diào)性。主動(dòng)系統(tǒng)中單一布置相變輻射地板或者吊頂?shù)姆块g室內(nèi)垂直溫差大，換熱面小，換熱速率低，能源利用率不高；相變輻射墻板大都因承重能力不夠且存在相變物質(zhì)泄露而不能夠普遍應(yīng)用?？梢?jiàn)，對(duì)于冬夏兩季所需相變溫度不同的難題，可以另辟蹊徑的從主被動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用形式上解決。

針對(duì)以上文獻(xiàn)研究中基于PCM在建筑中應(yīng)用存在的問(wèn)題及其解決辦法，本研究提出：1）用膨脹石墨分別真空吸附23 ℃和28 ℃2種相變溫度的石蠟制備復(fù)合相變材料（CPCM），并用對(duì)應(yīng)溫度的相變微膠囊（MPCM）二次微觀表層吸附，形成高導(dǎo)熱高熱焓值的微型復(fù)合相變材料（M-CPCM）；2）將制成的2種相變點(diǎn)在熱舒適范圍內(nèi)的M-CPCM 采用定模壓制法分別制成相變蓄能磚，構(gòu)建建筑相變地板和相變頂板，內(nèi)嵌有冷熱媒盤(pán)管，形成可梯級(jí)蓄熱的輻射冷/熱末端；3）采用夏季“冷媒水-頂板-地板”和冬季“熱媒水-地板-頂板”的純主動(dòng)式梯級(jí)利用模式達(dá)到能源的梯級(jí)利用，采用模塊化縮小實(shí)驗(yàn)探究該供能系統(tǒng)的節(jié)能情況。

1 材料與方法

1.1 原材料的選擇

膨脹石墨呈0.3～0.5 mm 蠕蟲(chóng)狀，具有疏松結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、吸附力強(qiáng)、材料來(lái)源廣泛以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作定形復(fù)合相變材料的載體。選擇50 目的膨脹石墨作為吸附材料。由凱馬特（天津）化工科技有限公司提供?？紤]到安全無(wú)毒性和穩(wěn)定性，選擇2種不同相變點(diǎn)的石蠟作為相變材料，由湖北新能源有限公司提供，相變?nèi)埸c(diǎn)分別為23 ℃和28 ℃。選擇與石蠟相同相變點(diǎn)的2種相變微膠囊，由上海新?tīng)^商科技有限公司提供。詳細(xì)信息列于表1。該相變溫度材料的選擇是基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55-2013[39]。

表1 原材料信息Tab.1 Raw material information

1.2 相變地板-吊頂?shù)闹苽?/h3>

1.2.1 復(fù)合相變材料的制備

采用膨脹石墨按比例真空吸附相變溫度為23 ℃和28 ℃的2種石蠟，膨脹石墨與石蠟的質(zhì)量比范圍為1∶8～1∶10。

采用定模壓制法，將復(fù)合相變材料壓制成直徑為3 cm，厚度為1 cm，密度為0.78 g/cm3的圓柱體薄片。采用擴(kuò)散滲出圈法[31]，將不同比例的樣品放在50 ℃恒溫平板集熱器上進(jìn)行泄露率測(cè)試，為減小誤差的影響，每1個(gè)比例對(duì)應(yīng)取3組樣品，將3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最后的參考值。測(cè)試結(jié)果記錄于表2。表2中相變材料的滲出情況，表明當(dāng)膨脹石墨與相變材料的質(zhì)量比為1∶8.2 時(shí)，相變材料不再發(fā)生泄漏。吸附率為89.13%。

表2 擴(kuò)散滲出圈法測(cè)試結(jié)果Tab.2 Diffusion-oozing circle test

考慮到MPCM中相變材料的含量較高，焓值較大，采用對(duì)應(yīng)溫度的MPCM 對(duì)復(fù)合相變材料（CPCM）進(jìn)行二次吸附包裹，定義為M-CPCM1，M-CPCM2。一方面提升了CPCM的單位體積蓄熱量，另一方面可進(jìn)一步填堵膨脹石墨微介孔從而防止表層未被完全束縛的液態(tài)PCM泄露。

1.2.2 相變蓄能磚的制備

將制成的23 ℃和28 ℃2種微復(fù)合相變材料M-CPCM1和M-CPCM2分別放入定制的可拆卸鋼制模具中，分別在20 kPa壓力下定模壓制成相變蓄能磚1（密度ρ=0.78 kg/cm3）和相變蓄能磚2（密度ρ=0.85 kg/cm3）。外形如圖1所示。

圖1 相變蓄能磚示意圖Fig.1 Schematic diagram of phase change energy storage brick

1.2.3 相變蓄能吊頂-地板的安裝

將相變蓄能磚1（相變溫度23 ℃）兩兩相對(duì)放置，中間內(nèi)嵌冷熱媒盤(pán)管（管徑為1 cm），制成相變頂板。同理將相變蓄能磚2（相變溫度28 ℃）兩兩相對(duì)放置，內(nèi)嵌冷熱媒盤(pán)管，制成相變地板，具體安裝方式如圖2所示。

圖2 相變地板/吊頂安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase change floor/suspended ceiling installation

1.3 材料表征

1.3.1 掃描電鏡測(cè)試

利用掃描式電子顯微鏡（SEM S-4800）來(lái)觀察膨脹石墨、膨脹石墨吸附石蠟后形成的復(fù)合相變材料CPCM、表面二次包覆相變微膠囊MPCM后形成的M-CPCM的表面形態(tài)，判別液體PCM是否被完全包覆入膨脹石墨當(dāng)中。

如圖3a）所示，膨脹石墨為卷曲，鱗片層狀多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步放大，從圖3b）中可以清晰地看到它的片層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以為PCM 提供大量的吸附空間。圖3c）為膨脹石墨吸附石蠟后表面微觀形態(tài)?？梢钥吹?，鱗片層狀微孔已經(jīng)被液體石蠟填滿，吸附后石墨表面在溝壑處仍有些許吸附空間。用MPCM對(duì)吸附完成的CPCM進(jìn)行二次包覆，如圖3d）所示，膨脹石墨的鱗片層狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全包覆，表面清晰可見(jiàn)積聚的MPCM，這種微觀結(jié)構(gòu)的改變有力地避免了PCM泄露的可能。

圖3 SEM 測(cè)試結(jié)果Fig.3 SEM test results

1.3.2 DSC 測(cè)試

差示掃描量熱儀（TA DSC 25，精度：±0.1%）可以測(cè)量樣品的相變潛熱和相變溫度，在PCM 的研究中具有重要意義。用標(biāo)準(zhǔn)銦校準(zhǔn)儀器的熱量和溫度，以相同的空鋁坩堝為基線，在氮?dú)猸h(huán)境中，取樣品質(zhì)量為3～5 mg，以2 ℃/min 的速度在0～50 ℃范圍內(nèi)升溫和降溫。為減小誤差，每種待測(cè)樣品的取樣后將其質(zhì)量測(cè)量3 次，以3 次測(cè)量的數(shù)據(jù)平均值作為最后的錄入值。圖4所示為配制完成的23 ℃相變材料M-CPCM1與28 ℃相變材料M-CPCM2的原始DSC測(cè)試圖與進(jìn)行1 000 次熱循環(huán)（0～50 ℃）后所測(cè)DSC 測(cè)試圖。原始M-CPCM 與經(jīng)歷1 000 次熱循環(huán)測(cè)試后樣品的DSC 測(cè)試結(jié)果已經(jīng)記錄在表5中。從圖4a）可知，M-CPCM1有1個(gè)明顯的熔化峰和凝固峰，圖中開(kāi)口向上的峰為熔化峰，峰值溫度為23.99 ℃，熔化潛熱為183.34 J/g。開(kāi)口向下的峰為凝固峰，峰值溫度為為19.56 ℃，熔化潛熱為184.19 J/g。如圖4b）所示，經(jīng)歷1 000次熱循環(huán)之后，DSC曲線的趨勢(shì)和峰值大小均未發(fā)生明顯改變。從圖4c）可知，M-CPCM2有1 個(gè)明顯的熔化峰和凝固峰，圖中開(kāi)口向上的峰為熔化峰，峰值溫度為27.28 ℃，熔化潛熱為208.92 J/g。開(kāi)口向下的峰為凝固峰，峰值溫度為21.27 ℃，熔化潛熱為208.20 J/g。如圖4d）所示，M-CPCM2經(jīng)歷1 000次熱循環(huán)之后，DSC曲線的趨勢(shì)和峰值大小也同樣均未發(fā)生明顯改變。這表明相變材料M-CPCM能持續(xù)保持原有PCM的高相變潛熱特性，并且熱性能穩(wěn)定，可循環(huán)利用。

圖4 DSC 測(cè)試結(jié)果Fig.4 DSC test results

1.3.3 蓄放熱測(cè)試

以M-CPCM2為例，取10 g樣品放在玻璃試管中，中間插入熱電偶用于采集溫度數(shù)據(jù)。將玻璃試管分別放置在10 ℃和20 ℃恒溫水環(huán)境中，測(cè)試蓄放熱情況。

測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。從表中可以看出，M-CPCM2從20 ℃左右的室溫升至與環(huán)境溫度一致用時(shí)50 min。在20～28 ℃區(qū)間有明顯的相變發(fā)生。在250～2 600 s內(nèi)M-CPCM2的溫度基本維持不變，在3 500 s時(shí)仍維持20 ℃以上熱舒適溫度。有效放熱時(shí)長(zhǎng)約1 h。M-PCM1與其規(guī)律基本相同。

圖5 M-CPCM2 蓄放熱曲線圖Fig.5 Heat accumulation and release curve of M-CPCM2

1.3.4 FTIR 測(cè)試

采用VECTOR22 型傅里葉紅外光譜儀來(lái)分析石蠟、膨脹石墨、MPCM、CPCM、M-CPCM的分子結(jié)構(gòu)及不同元素間化學(xué)鍵的結(jié)合情況，從而判別各材料之間是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。石蠟主要是烷烴，從石蠟的紅外光譜圖中可以看出，峰值為2 917.21 cm-1、2 848.74 cm-1處分別是—CH3不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的吸收峰，峰值為1 462.98 cm-1、1 377.81 cm-1處是烷烴C—H 變形振動(dòng)引起的吸收峰，1 701 cm-1處的吸收峰是與C=O拉伸振動(dòng)有關(guān)。從CPCM的紅外光譜圖中可以看出出現(xiàn)了石蠟和膨脹石墨的所有吸收峰，但沒(méi)有出現(xiàn)新的吸收峰，峰的形狀僅僅是石蠟和膨脹石墨的紅外光譜曲線的疊加，出現(xiàn)峰時(shí)的波數(shù)也未發(fā)生明顯改變。這表明兩者的復(fù)合是單一的物理作用，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有新物質(zhì)生成。因此，吸附材料具有很好的化學(xué)相容性。將M-CPCM與MPCM和CPCM的傅里葉紅外光譜圖進(jìn)行比對(duì)，紅外光譜顯示沒(méi)有新的峰產(chǎn)生，峰的位置沒(méi)有明顯變化，表明相變蓄能磚具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。

圖6 傅里葉光譜圖Fig.6 Fourier spectrogram

1.4 熱性能實(shí)驗(yàn)研究

1.4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的小型模塊化測(cè)試模型，表3列出了熱性能實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備型號(hào)及其精度。設(shè)備本身存在一定測(cè)量誤差，這是避免不了的。圖7為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體示意圖。

表3 主要測(cè)試設(shè)備的精度Tab.3 Main test equipment precision

該測(cè)試裝置由1 個(gè)高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱控制環(huán)境溫度，模擬室外環(huán)境，試驗(yàn)箱內(nèi)部放置1 個(gè)外部尺寸為50 cm×50 cm×50 cm 的擠塑苯板箱體，設(shè)計(jì)原則遵循相似原理，擠塑苯板厚度根據(jù)普通墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱阻計(jì)算得來(lái)。箱體內(nèi)側(cè)頂部和底部分別安裝相變輻射地板和相變輻射頂板及內(nèi)嵌冷熱媒系統(tǒng)。室內(nèi)空間分層布置熱電偶，從下到上等距安裝1、2、3層溫度測(cè)點(diǎn)，同時(shí)分別在輻射頂板表面，輻射地板表面，水管進(jìn)出口處布置測(cè)點(diǎn)。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，每一測(cè)點(diǎn)處安裝3根熱電偶，以3根熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，作為最終計(jì)算溫度。如圖7所示，測(cè)試房間用外包3 cm 厚保溫棉的水管與自吸泵、恒溫水浴相連，用來(lái)給測(cè)試房間輸入冷、熱水。房間內(nèi)置1 個(gè)感溫器，監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，及時(shí)負(fù)反饋到感溫開(kāi)關(guān)，控制水泵啟停，進(jìn)而給房間通、斷水。通過(guò)調(diào)節(jié)換向閥，來(lái)控制冷熱水供應(yīng)方式：1）冷媒水先入輻射頂板后入輻射地板；2）熱媒水先入輻射地板后入輻射頂板。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.7 Experimental system diagram

1.4.2 天氣條件分析

室外氣溫?cái)?shù)據(jù)參考天津氣象臺(tái)（臺(tái)站號(hào)54527）發(fā)布的典型氣象年逐時(shí)參數(shù)報(bào)表、中國(guó)氣象局發(fā)布的數(shù)據(jù)資料[40]。從圖8 中可以看出夏季最高溫度最高不會(huì)超過(guò)32 ℃，最低氣溫為22 ℃，平均氣溫最高為27 ℃。冬季最高溫度為15 ℃，最低氣溫為-7.4 ℃，平均氣溫最高為6 ℃。

圖8 氣象統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Meteorological chart

當(dāng)相變蓄能材料處于低于相變凝固點(diǎn)溫度的環(huán)境中，PCM向外放熱。當(dāng)相變蓄能材料處于高于熔化點(diǎn)溫度的環(huán)境中，相變板材吸熱，進(jìn)而降低室溫波動(dòng)。選擇具有適宜相變點(diǎn)溫度的材料，才能在室內(nèi)調(diào)溫中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。分析最高、低溫度的目的在于，為高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱設(shè)置合適的環(huán)境溫度。

1.4.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行策略

夏季室溫舒適區(qū)間為24～28 ℃，冬季室溫舒適區(qū)間為18～24 ℃[41]。溫控室模擬室外溫度變化，實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)以相變輻射地板和吊頂為唯一供熱/制冷末端裝置。在滿足室內(nèi)熱舒適的同時(shí)，減少能端供應(yīng)時(shí)長(zhǎng)與供水溫度，實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足夏季制冷與冬季供暖的蓄/供能機(jī)制，從而提高建筑能量利用效率，促進(jìn)建筑節(jié)能。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種測(cè)試策略。用來(lái)確定最佳供水溫度，計(jì)算能耗情況。冬夏兩季進(jìn)水方式分為2種，如圖9所示。

圖9 冷熱媒供應(yīng)方式示意圖Fig.9 Schematic diagram of cold and hot media supply mode

1.4.3.1 夏季工況策略

1）恒溫。以縮小化模型房間為實(shí)驗(yàn)房間，以恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)作為溫控室。將溫控室設(shè)為33 ℃恒溫，待溫控室維持穩(wěn)定溫度33 ℃且實(shí)驗(yàn)房間室溫穩(wěn)定在29 ℃，開(kāi)始測(cè)試。開(kāi)啟水泵，給實(shí)驗(yàn)房間相變輻射頂板通以17 ℃冷水，如圖9a）所示，持續(xù)通水4.5 h，然后關(guān)閉水泵，停止向室內(nèi)供水，維持5.5 h。歷時(shí)10 h完成1組水溫的測(cè)試。

2）變溫。將恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)的溫度變化范圍改為22～40 ℃，具體為22 ℃-40 ℃-22 ℃，溫升速率為4 ℃/h，歷時(shí)9 h完成一組測(cè)試。首先將溫控室調(diào)至22 ℃恒溫環(huán)境，待溫控室溫度穩(wěn)定后，開(kāi)始測(cè)試。當(dāng)實(shí)驗(yàn)房間中獨(dú)立安裝的感溫探頭監(jiān)測(cè)到室溫高于28 ℃，溫控開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，水泵啟動(dòng)，給實(shí)驗(yàn)房間相變輻射頂板通以17 ℃冷水用以降溫，當(dāng)室溫低于24 ℃，感溫探頭負(fù)反饋給溫控開(kāi)關(guān)，水泵停止供水。數(shù)據(jù)采集儀記錄記錄相變地板和頂板表面溫度、實(shí)驗(yàn)房間垂直分層室溫、溫控室溫度，數(shù)據(jù)采集間隔為10 s。探究夏季工況實(shí)驗(yàn)房間中能耗情況。

1.4.3.2 冬季工況策略：

1）恒溫。以縮小化模型房間為實(shí)驗(yàn)房間，以恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)作為溫控室。將溫控室設(shè)為10℃恒溫，待溫控室維持穩(wěn)定溫度10 ℃且實(shí)驗(yàn)房間室溫穩(wěn)定在20 ℃，開(kāi)始測(cè)試。開(kāi)啟水泵，給實(shí)驗(yàn)房間相變輻射地板通以45 ℃熱水，如圖9b）所示，持續(xù)通水5 h，然后關(guān)閉水泵，停止向室內(nèi)供水，維持5 h。歷時(shí)10 h完成一組水溫的測(cè)試。

2）變溫。將恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)作為溫控室，模擬夏季室外溫度，變化范圍為-10～12 ℃，具體為-10 ℃-12 ℃--10 ℃，溫升速率為4 ℃/h，歷時(shí)11 h完成一組測(cè)試。首先將溫控室調(diào)至-10℃恒溫環(huán)境，待溫控室溫度穩(wěn)定后，開(kāi)始測(cè)試。當(dāng)實(shí)驗(yàn)房間中獨(dú)立安裝的感溫探頭監(jiān)測(cè)到室溫低于18 ℃，溫控開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，水泵啟動(dòng)，給實(shí)驗(yàn)房間相變輻射地板通以45 ℃熱水用以供暖，當(dāng)室溫高于24 ℃，感溫探頭負(fù)反饋給溫控開(kāi)關(guān)，水泵停止供水。熱電偶布置方式和數(shù)據(jù)采集間隔與策略一致。探究冬季工況下實(shí)驗(yàn)房間能耗情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 恒溫工況

在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行策略一中，夏季33 ℃恒溫工況，向?qū)嶒?yàn)房間通入17℃冷水，實(shí)驗(yàn)房間垂直方向每層室溫?cái)?shù)據(jù)整理于圖10b）中，不通水房間室溫?cái)?shù)據(jù)記錄于圖10a）中。從圖上可以分析出：在向?qū)嶒?yàn)房間相變頂板通入17 ℃冷水的過(guò)程中，與不通水房間相比，室內(nèi)溫度波動(dòng)較小，基本維持穩(wěn)定。室內(nèi)垂直方向溫度隨垂直高度遞減，房間底部空氣溫度高于頂部溫度。第1 層平均溫度為29.77 ℃，第2 層平均溫度為29.13 ℃，第3層為25.93 ℃。在停止供水后，垂直溫度差值逐漸縮小，但溫度高低排序不變，依舊是垂直溫度大小隨垂直高度遞減。向室內(nèi)通冷水可以有效延緩室溫升高，在停止通水后5 h，仍能在一定程度降低室內(nèi)溫度。室內(nèi)逐時(shí)垂直溫差情況整理于圖10c）。從圖中分析可知，室內(nèi)垂直溫差小于4 ℃；停止供水后，垂直溫差越來(lái)越小，室溫逐漸趨于不變。

圖10 夏季工況下室溫對(duì)比Fig.10 Comparison of room temperature in summer

冬季10 ℃恒溫工況下，向?qū)嶒?yàn)房間通入45 ℃熱水，實(shí)驗(yàn)房間垂直方向每層室溫?cái)?shù)據(jù)整理于圖11 b）中。不通水房間室溫?cái)?shù)據(jù)記錄于圖11a）中。從圖中可以分析出：在向?qū)嶒?yàn)房間相變地板通入45 ℃熱水的過(guò)程中室內(nèi)溫度波動(dòng)較小，基本維持穩(wěn)定。室內(nèi)平均垂直溫度隨垂直高度的升高遞減，第1層平均溫度為28.92 ℃，第2層平均溫度為27.82 ℃，第3層為26.57 ℃。地板溫度低于29 ℃，滿足熱舒適性要求[39]。房間底部空氣溫度高于頂部溫度，在供水結(jié)束后，每層室溫?cái)?shù)值的大小關(guān)系不變。通熱水時(shí)可以有效提高室溫，在停水后5 h，與不通水相比仍能在一定程度提高室內(nèi)溫度約2 ℃左右。室內(nèi)逐時(shí)垂直溫差情況整理于圖11c）。從圖中分析可知，室內(nèi)垂直溫差小于2 ℃；停止供水后，垂直溫差越來(lái)越小，室溫逐漸趨于一致。這與夏季工況下室內(nèi)垂直溫差規(guī)律保持一致。

圖11 冬季工況下室溫對(duì)比Fig.11 Comparison of room temperature in winner

2.2 變溫工況

夏季變溫工況下，控制環(huán)境溫度變化范圍22 ℃-40 ℃-22 ℃，溫升4 ℃/ h，根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50736[41]，控制實(shí)驗(yàn)房間的室溫處于舒適溫度區(qū)間24-28 ℃，當(dāng)室溫高于28 ℃時(shí)，向相變輻射頂板內(nèi)通以17 ℃冷水，當(dāng)室溫低于24 ℃時(shí)，停止供水。從圖12b）中觀察到：為了維持室內(nèi)溫度處于24～28 ℃，實(shí)驗(yàn)房間通入冷水總時(shí)長(zhǎng)為20.53 min，短暫的通水可以長(zhǎng)時(shí)間維持室內(nèi)熱舒適性。

在冬季變溫工況下，控制環(huán)境溫度變化范圍-10 ℃-12 ℃--10 ℃，溫升4 ℃/ h，根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50736[41]，控制實(shí)驗(yàn)房間的室溫處于舒適溫度區(qū)間18-24℃，當(dāng)室溫低于18℃時(shí)，向相變輻射地板內(nèi)通以45 ℃熱水，當(dāng)室溫高于24 ℃時(shí)，停止供水。從圖12a）中觀察到：為控制室溫處于18～24 ℃，實(shí)驗(yàn)房間通入熱水總時(shí)長(zhǎng)為36 min。

梯級(jí)相變輻射末端有效減少了供水時(shí)長(zhǎng)，提高了能源利用效率，節(jié)約能源消耗。從熱舒適性角度來(lái)說(shuō)，安裝梯級(jí)相變輻射末端的供能系統(tǒng)的房間可以保證平均室溫長(zhǎng)時(shí)間處于熱舒適溫度區(qū)間。詳見(jiàn)圖12。

圖12 冬夏季工況中實(shí)驗(yàn)房間在不同供水方式下室溫和能耗情況Fig.12 Room temperature and energy consumption of experimental room under different water supply modes in winter and summer

3 結(jié)論

本研究制備了高導(dǎo)熱高熱焓的二元微復(fù)合相變材料。用這2種材料定模壓制成相變蓄能磚，分別構(gòu)建相變頂板和相變地板，內(nèi)嵌冷熱媒盤(pán)管，形成了可以供熱制冷的梯級(jí)相變輻射末端。在實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)對(duì)梯級(jí)相變輻射末端進(jìn)行了熱性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1）用相變微膠囊對(duì)由膨脹石墨吸附石蠟制成的復(fù)合相變材料進(jìn)行二次表層吸附，制備了2種不同相變點(diǎn)的高導(dǎo)熱高焓值的微復(fù)合相變材料（M-CPCM）。M-CPCM1熔點(diǎn)23 ℃左右，焓值180 J/g 以上，M-CPCM2熔點(diǎn)28 ℃左右，焓值205 J/g以上。吸附率接近90%且均無(wú)泄露。

2）采用定模壓制法制備了2種相變蓄能磚，這種蓄能磚具有很好的熱穩(wěn)定性。將其分別構(gòu)建建筑集成吊板和地板，內(nèi)嵌冷熱媒盤(pán)管，形成了可梯級(jí)蓄/供熱的輻射末端。

3）在夏季工況下向相變輻射頂板供冷水過(guò)程中，室內(nèi)溫度是非對(duì)稱性分布的，垂直溫度隨垂直高度遞減，符合熱舒適性要求。在停止供水后，垂直溫度差值逐漸縮小，但溫度高低排序不變。冬季工況下室溫隨高度變化規(guī)律與夏季基本一致。

4）安裝梯級(jí)相變輻射末端的供能系統(tǒng)房間的平均室溫可以長(zhǎng)時(shí)間處于熱舒適溫度區(qū)間且節(jié)能效果顯著，具有巨大的應(yīng)用潛力。