夏熱冬冷地區(qū)相變屋面最佳相變溫度的實(shí)驗(yàn)研究

時雨，趙運(yùn)超，樊智軒，蔣達(dá)華

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

建筑能耗是全球能源消耗和二氧化碳排放的主要原因，占比較大。2018 年，建筑的能源消耗占總能源消耗的36%，二氧化碳排放占總排放的39%[1]，在中國南方夏季空調(diào)的需求量占建筑總能耗的50%～70%[2]。建筑能耗因此也受到廣泛的關(guān)注，如何提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能已經(jīng)成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

相變材料（phase change material，PCM）由于具有較低的熱導(dǎo)率和潛熱特性，在物態(tài)發(fā)生變化時會在近似于恒溫狀態(tài)下進(jìn)行“放熱”與“吸熱”，能夠解決時間和空間上的不匹配問題，將PCM 集成到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中可以降低室內(nèi)空氣溫度波動，降低能耗[3-4]，因此PCM 被廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。但是，通過屋頂?shù)奶栞椛湔枷募緹嵩鲆娴暮艽笠徊糠?，Vijaykumar 等[5]在對馬來西亞住宅建筑的研究中發(fā)現(xiàn)，建筑內(nèi)部承受熱量來自建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度熱傳導(dǎo)，其中屋頂?shù)膫鳠峒s占熱增量的70%。在我國夏熱冬冷地區(qū)的民用建筑大多是平屋頂，由于直接受到太陽輻射的影響導(dǎo)致由屋面引起的能耗較高，和普通屋面相比相變屋面內(nèi)表面溫度可以延遲3h以上[6]，隔熱效果顯著。

在選擇相變材料時需要選擇合適的相變溫度，相變溫度的大小影響著PCM吸熱或放熱的起始點(diǎn)，所以相變溫度的選擇至關(guān)重要。我國夏熱冬冷地區(qū)屋頂表面溫度在夏季可達(dá)到60℃左右，最低溫度也能達(dá)到30℃以上，如果PCM 的相變溫度選取不合理，可能導(dǎo)致PCM 不能有效地熔化或凝固，從而不能有效發(fā)揮PCM在屋面結(jié)構(gòu)中保溫隔熱的效果。關(guān)于相變溫度的選擇至今都還沒有一個統(tǒng)一確定的方法。Yu等[7]通過數(shù)值模擬分析研究了夏熱冬冷地區(qū)相變溫度對相變材料性能的影響，建議相變溫度的最佳溫度范圍為36～38℃。Yan[8]指出在大多數(shù)城市，最佳的相變溫度范圍取值為25～33℃。楊清晨等[9]分別以相變溫度半徑為1℃、2℃、3℃、4℃進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)適宜的相變溫度范圍為34～39℃。在現(xiàn)有的研究中相變屋面最佳相變溫度的取值還沒有形成統(tǒng)一的計算方法，大多都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值或估計值進(jìn)行選取，很少有研究是通過實(shí)驗(yàn)去探索適合夏熱冬冷地區(qū)相變屋頂?shù)淖罴严嘧儨囟热≈?，因此存在一定的局限性，可能?dǎo)致選取的溫度不合理而影響PCM的實(shí)際應(yīng)用效果。

我國夏熱冬冷地區(qū)在夏季對空調(diào)的使用所消耗的能量占據(jù)了總能耗的2/3 左右[2]，而冬季最低氣溫在0℃以下的時間非常少，一般對空調(diào)的需求沒有夏季高。所以本文以夏熱冬冷地區(qū)平屋頂?shù)南募竟r為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)測試確定達(dá)到最佳隔熱效果時PCM 相變溫度的取值范圍，為夏熱冬冷地區(qū)夏季隔熱PCM屋頂相變材料的選擇提供參考。

1 研究方法

1.1 PCM屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了延長相變材料的熔化時間，提高相變絕緣效果，可以在屋面外表面鋪設(shè)一層高反射率薄膜，也就是通常所說的“冷屋頂”，即在屋頂最外層涂一層薄薄的反射涂料。反射涂料層主要用于增大屋面的太陽輻射反射率，并在一定程度內(nèi)增加屋面的傳熱熱阻，最終減少屋面的熱量積累，降低屋面溫度[10-13]。

所以本文將反射隔熱涂料運(yùn)用到屋頂當(dāng)中，將相變材料和反射涂料兩種材料結(jié)合起來，不但可以彌補(bǔ)單一使用反射涂料時屋面降溫能力有限、不能滿足室外溫度較高、室內(nèi)溫度波動較大的缺點(diǎn)，還可以彌補(bǔ)單一使用相變材料時屋面相變材料用量較大、屋面容易老化的缺點(diǎn)。

Hasan 等[14]發(fā)現(xiàn)將PCM 層放置在中間隔熱效果最好。當(dāng)PCM直接放置在屋頂外部時，由于較高的太陽輻射，PCM層的表面溫度將會非常高，導(dǎo)致相變時間太短，所要求的相變溫度非常高，最終會導(dǎo)致更多的熱量進(jìn)入室內(nèi)。所以本次實(shí)驗(yàn)的屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計分別為3cm 結(jié)構(gòu)層、2cm 相變層、2cm 保護(hù)層和2mm反射涂料層，PCM屋面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PCM屋面結(jié)構(gòu)

1.2 PCM的選擇及封裝

脂肪酸、醇類、酯類等有機(jī)相變材料由于其性能穩(wěn)定、相變溫度適應(yīng)性好、無過冷及相分離現(xiàn)象而被廣泛應(yīng)用在建筑節(jié)能領(lǐng)域[15-16]。本文以4℃為一個溫度間隔對相變材料進(jìn)行選擇，選取了癸 酸（31℃）、 70% 月 桂 酸+30% 肉 豆 蔻（35℃）[17]、82%月桂酸+18%硬脂酸（39℃）[17]、月桂酸（43℃）、十六醇（48℃）五種相變材料來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

相變材料在熔化成液相時由于液體流動容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象，常用的封裝方式有宏觀和微觀兩種方法。如Al-yasiri 等[18]就將PCM 宏觀封裝在鋁框架中，直接用作屋頂。本次實(shí)驗(yàn)采用宏觀封裝方式對相變材料進(jìn)行封裝，即將PCM 封裝在鋁箔袋中，鋁箔袋的尺寸大小為28cm×38cm，為了防止相變材料在熔化凝固過程中的熱脹冷縮，在每個鋁箔袋里面放置240g 等量的相變材料，用封口機(jī)將PCM 密封。用PVC 膠將PVC 制作成一個80cm×80cm×2cm 的空腔板，為了便于對比分析每種相變材料對屋面的隔熱效果，將相變層用玻璃纖維隔熱板分隔成6 個大小一樣的小方格，每一個小格子放2袋封裝好的相變材料，圖2左上角為用2cm 厚XPS 板來代替PCM 進(jìn)行對比試驗(yàn)分析，最后將PVC 板蓋上去形成PCM 層。圖3 為相變層測點(diǎn)布置。

圖2 PCM層

圖3 相變層測點(diǎn)布置圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用對比分析的方法對屋頂6塊小格子的隔熱效果進(jìn)行測試，搭建了一個80cm×80cm×80cm 的實(shí)驗(yàn)小室。用鋁合金焊接制成該小室的外框架，為了控制房間的溫度保持恒定，墻體結(jié)構(gòu)采用5cm厚XPS保溫板進(jìn)行保溫處理[19]，在保溫板的最外層采用反光板將太陽光反射防止XPS板吸收太陽光而導(dǎo)致室內(nèi)溫度較高。小室四周是經(jīng)過嚴(yán)密粘連的，也沒有設(shè)置門窗，是一個密閉的空間，不會有氣體進(jìn)入，而且XPS 保溫板的保溫效果比較明顯，所以不會有熱對流形成的熱量傳遞而造成的誤差。屋頂結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分別由結(jié)構(gòu)層、相變層、保護(hù)層、反射涂料層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)層由2cm厚彩鋼板制成，相變層見1.2 節(jié)，保護(hù)層為2cm 鋁板制成，在鋁合金板的最外層刷2mm 厚的反射隔熱涂料，然后將反射涂料層晾干，所用相變材料的相變焓和相變溫度以及屋頂材料的熱性能參數(shù)見表1。

表1 屋頂材料的熱性能參數(shù)

將制作好的實(shí)驗(yàn)小室放置到空曠的位置布置測點(diǎn)，將T 型熱電偶和安捷倫數(shù)據(jù)采集器連接，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電腦上，實(shí)時觀測溫度的變化趨勢。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

癸酸（CA），分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，其含量大于98.5%。月桂酸（LA）、肉豆蔻（MA）、硬脂酸（SA）、十六醇（HD），分析純，山東優(yōu)索化工科技有限公司，其含量為99%。反射隔熱涂料，古秋防水有限公司。鋁合金板，規(guī)格80cm×80cm×2cm。保溫板，擠塑式聚苯乙烯，5mm厚，用作小室的墻體結(jié)構(gòu)。

2.2.2 儀器設(shè)備（表2）

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)采用T型熱電偶來進(jìn)行溫度的測試，在正式測試前將熱電偶用“冰浴法”進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定好之后將T 型熱電偶與安捷倫數(shù)據(jù)采集器連接起來，然后開始布置測點(diǎn)，在相變層的6個小方格下的中心位置分別布置了6個測點(diǎn)，如圖3所示。結(jié)構(gòu)層的上表面和下表面也分別布置6個位置相同的測點(diǎn)，在兩袋相變材料的中間各布置一個測點(diǎn)，用以觀測相變材料發(fā)現(xiàn)相變的過程，如圖4所示。此外，在小室的中心位置安裝一個熱電偶，以測量小室內(nèi)的空氣，在室外布置一個測點(diǎn)測試空氣干球溫度的變化情況。

圖4 實(shí)驗(yàn)小室

所有熱電偶都連接到安捷倫數(shù)據(jù)采集器上，設(shè)置每一分鐘測一次數(shù)據(jù)，將連接好的測試系統(tǒng)置于室外空曠無遮攔的地方，進(jìn)行連續(xù)三天不間斷的測試（測試時間為8 月16 日～8 月19 日，連續(xù)三天為晴朗天氣），然后在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時導(dǎo)出到電腦上。

3 結(jié)果和討論

3.1 室外天氣情況

實(shí)驗(yàn)三天所測得的室外環(huán)境溫度如圖5 所示。從圖5 中可知，室外環(huán)境溫度在下午16:00 左右最高溫度可以超過46℃，在夜間和凌晨時間段室外溫度也能超過30℃，表明在夏熱冬冷地區(qū)夏季全天需要空調(diào)系統(tǒng)以保持居民適當(dāng)?shù)臒崾孢m，因此選擇將相變材料運(yùn)用到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中可以有效降低能耗。

圖5 實(shí)測室外環(huán)境和內(nèi)部空間溫度

3.2 不同PCM內(nèi)外表面溫度對比分析

經(jīng)過連續(xù)三天的實(shí)測，得到了室外空氣干球溫度、實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)外的逐時溫度、相變層PCM熔化、凝固的溫度變化曲線以及隔熱涂料層外表面的逐時溫度變化曲線，為了方便記相變層的XPS隔熱板為1 號（空白對照組，作為對比分析的基層）、癸酸為2號、70%月桂酸+30%肉豆蔻為3號、82%月桂酸+18%硬脂酸為4號、月桂酸為5號、十六醇為6號。其中外表面溫度是指屋頂?shù)淖钔鈱蛹捶瓷渫苛蠈拥耐獗砻娌贾玫臏y點(diǎn)所測得的溫度，內(nèi)表面溫度是指3cm結(jié)構(gòu)層的內(nèi)表面布置的測點(diǎn)所測得的溫度（和室內(nèi)空氣直接接觸的面），1～6號的內(nèi)外表面的逐時溫度分布曲線如圖6～圖11所示。

圖8 內(nèi)外表面溫度變化曲線（3號）

圖9 內(nèi)外表面溫度變化曲線（4號）

圖10 內(nèi)外表面溫度變化曲線（5號）

圖11 內(nèi)外表面溫度變化曲線（6號）

由圖6～圖11 可以看出，1～6 號材料外表面峰值溫度在12:23 分別為55.54℃、53.12℃、52.47℃、55.21℃、53.73℃和53.06℃。6 種材料的內(nèi)表面峰值溫度出現(xiàn)的時間各不相同，1號材料內(nèi)表面的峰值溫度在14:49 時達(dá)到43.14℃，2 號內(nèi)表面峰值溫度在16:33 時達(dá)到42.28℃，3 號材料內(nèi)表面峰值溫度在16:26 達(dá)到36.85℃，4 號材料內(nèi)表面的峰值溫度在18:00 可以達(dá)到37.57℃，5 號材料內(nèi)表面的峰值溫度在16:29 時達(dá)到43.41℃，6 號材料內(nèi)表面的峰值溫度在16:15可達(dá)46.67℃。

1 號材料在8:30～16:30 時間段內(nèi)外表面溫度均高于內(nèi)表面溫度，在16:30～8:30時間段（傍晚和凌晨）內(nèi)表面溫度高于外表面溫度；2 號材料在8:30～17:30 時間段內(nèi)小室內(nèi)的環(huán)境溫度低于室外溫度，在17:30～8:30時間段內(nèi)小室內(nèi)的環(huán)境溫度高于室外溫度；3 號材料在8:30～18:10 時段內(nèi)室外環(huán)境溫度高于測試小室內(nèi)的溫度，在18:10～8:30時段內(nèi)室外環(huán)境溫度低于測試小室內(nèi)的溫度；4號材料在8:15～18:00時段內(nèi)室外環(huán)境溫度高于測試小室內(nèi)的溫度，18:00～8:15時段內(nèi)室外環(huán)境溫度低于測試小室內(nèi)的溫度；5 號材料在8:15～16:30 時段內(nèi)室外溫度高于室內(nèi)溫度，在16:30～8:15時段內(nèi)室外溫度低于室內(nèi)溫度；6 號材料在8:30～16:00 時段內(nèi)室外溫度高于室內(nèi)溫度，在16:00～8:30時段內(nèi)室外溫度低于室內(nèi)溫度。主要是因?yàn)樘柭渖胶筇栞椛鋸?qiáng)度為零，導(dǎo)致相變材料層溫度外表面溫度隨之下降。但是由于實(shí)驗(yàn)小室四周墻壁用的是保溫板，在夜間小室內(nèi)熱量不能及時排出，進(jìn)而外表面溫度會比內(nèi)表面溫度低，內(nèi)外表面的溫度對比如表3 和表4所示。

表3 外表面溫度對比 單位：℃

表4 內(nèi)表面溫度對比 單位：℃

1～6 號材料最高降溫在12:23 時可分別達(dá)到16.19℃、21.19℃、17.58℃、21.2℃、18.44℃、16.74℃，在室外溫度高于測試小室內(nèi)溫度這段時間內(nèi)的平均溫降分別為5.58℃、10.10℃、7.86℃、10.01℃、7.66℃、6.45℃，如表5所示。

表5 降溫幅度 單位：℃

本研究采用了幾種能量指標(biāo)來對比分析不同相變材料的隔熱效果，如最大減溫率、衰減系數(shù)和時滯系數(shù)這三個指標(biāo)。

3.2.1 最大減溫率

最大減溫率（MTR）是指與參考溫度相比，室內(nèi)和室外表面溫度的減溫率有多高，屋頂?shù)腗TR可以根據(jù)式(1)計算[20]。

式中，TR,max和Tr,max分別表示屋頂外表面和內(nèi)表面的最高溫度。

此外還可以計算1號對照組與不同PCM之間的MTR 差，以顯示PCM 對屋頂?shù)母魺嵝Ч?，如圖12所示。

圖12 不同PCM和對照組的MTR比較

由式(1)可以算出1～6 號的MTR 分別為12.4℃、10.83℃、15.62℃、17.64℃、10.32℃、6.39℃，分別和1號對照組進(jìn)行對比，由圖12可知，5種不同相變材料的誤差分別為-1.6℃、3.2℃、5.2℃、-2.1℃、-6℃。由此可見，3號和4號的隔熱效果最好，之所以會出現(xiàn)負(fù)值是因?yàn)?號癸酸的熱導(dǎo)率較大且相變潛熱值較小，導(dǎo)致熔化時間太短。因?yàn)?號和6號相變溫度太高，室外環(huán)境溫度很難長時間達(dá)到，所以這兩種PCM 沒有發(fā)生相變或者相變不完全，導(dǎo)致鋁箔袋中一直是固液混合的狀態(tài)，熱量也很難散出去，所以會比1號XPS隔熱板的隔熱效果差。

3.2.2 衰減系數(shù)

衰減系數(shù)（DF）表示具有較低的DF的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外溫度波動具有較高的熱阻。該特性對于熱舒適性評估至關(guān)重要，因?yàn)樗c平均輻射溫度和工作溫度相關(guān)，DF根據(jù)式(2)進(jìn)行計算[21]。

式中，Tr,max、Tr,min、TR,max和TR,min分別表示內(nèi)表面溫度的最大值、最小值和屋頂外表面溫度的最大值、最小值。1 號對照組和不同PCM 的DF 如圖13所示。

圖13 不同PCM和對照組的DF比較

由式(2)可知1～6 號的DF 分別為0.505、0.502、0.341、0.341、0.561、0.63，與1 號對照組相比，DF 分 別 降 低0.3%、 16.4%、 16.4%、 -5.6%、-18.8%，DF 為負(fù)值意味著與1 號對照組相比該P(yáng)CM 的加入對實(shí)驗(yàn)小室的隔熱效果還沒有XPS 隔熱板好，因此該相變溫度不適合夏熱冬冷地區(qū)屋頂?shù)膽?yīng)用，從圖13中可以看出3號和4號的隔熱效果最好。

3.2.3 時滯系數(shù)

時滯系數(shù)（TL）表示屋頂內(nèi)表面的最高溫度和外表面的最高溫度下的時間差，這是PCM 在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中所特有的優(yōu)勢，TL 可以根據(jù)式(3)進(jìn)行計算[22]。

式中，τTr,max和τTR,max分別表示內(nèi)表面最高溫度下的時間和外表面最高溫度下的時間，min。

如圖14 所示，1～6 號的時間滯后分別為143min、 300min、 287min、 310min、 190min、176min，與空白對照組1 號相比時間分別滯后了157min、144min、167min、47min 和33min，PCM的加入會使最高溫度出現(xiàn)的時間往后延遲，這對夏季高溫來說是有利的。外表面最高溫度出現(xiàn)的時間基本上都是13:00左右，而內(nèi)表面最高溫度1號、5號和6 號是在16:00 附近，而2 號、3 號、4 號的內(nèi)表面最高溫度出現(xiàn)的時間是在18:00 左右。從圖中可以看出4號（82%LA+18%SA）的TL最大，所以隔熱效果最為理想。

圖14 不同PCM和對照組的TL比較

3.3 PCM層溫度變化

為了實(shí)時監(jiān)測相變材料的相變過程，在相變層的中間各布置一個測點(diǎn)，隨時觀察到相變材料在溫度變化時熔化和凝固溫度的變化曲線如圖15所示。

圖15 PCM層溫度變化曲線

從圖15可以看出5號和6號相變材料由于相變溫度較高而外界溫度沒有達(dá)到相應(yīng)的相變溫度，也并未出現(xiàn)平臺，所以月桂酸和十六醇沒有發(fā)生相變。癸酸在1:30～11:30這段時間出現(xiàn)了兩個明顯的平臺，說明在這段時間內(nèi)癸酸在發(fā)生相變，在這之前癸酸的溫度都要高于它的相變溫度處于液相，所以癸酸處于平臺時由液態(tài)凝固成固態(tài)放出熱量。從圖15 可以看出3 號（70%月桂酸+30%肉豆蔻）當(dāng)達(dá)到相變溫度35℃時之后的溫度就一直保持平緩狀態(tài)，說明該相變材料一直處于液態(tài)，當(dāng)外界溫度下降到低于該P(yáng)CM 的相變溫度時也未凝固，因此在夜間不能凝固放熱帶走室內(nèi)的熱量，所以該相變材料不可取。綜上，從相變材料相變的曲線來看4號（82%月桂酸+18%硬脂酸）熔化凝固的效果最好。

從實(shí)驗(yàn)房間外表面溫度分布曲線分布來看，6個放置不同材料的小方格的室外溫度呈現(xiàn)出周期性規(guī)律的變化且基本重合，但是峰值溫度存在1～3℃的差異且未加相變材料的對照組室外峰值溫度最高，主要是因?yàn)橄嘧儾牧显谙嘧兊倪^程中會對最外層反射涂料層產(chǎn)生反作用，會使相對應(yīng)的小格子外表面溫度稍有下降。

從實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)表面溫度曲線分布來看，6個小方格的內(nèi)表面溫度也呈現(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律，且2號、3號、4號的內(nèi)表面的峰值溫度都要比1號對比組的峰值溫度低，而5號、6號的內(nèi)表面峰值溫度要比1 號高，主要原因是5 號、6 號的相變材料沒有發(fā)生相變，導(dǎo)致相變層一直處于一種高溫的固態(tài)。

綜合相變材料的隔熱效果和PCM 熔化、凝固時間的快慢，夏熱冬冷地區(qū)相變屋面最佳相變溫度的取值范圍為35～39℃。

4 結(jié)論

本文針對PCM 用于夏熱冬冷地區(qū)夏季屋面隔熱的問題，采用對比實(shí)驗(yàn)的方法，以4℃為溫度間隔將5種不同相變溫度的PCM放置在搭建的建筑屋面結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)測，通過對PCM 內(nèi)外表面溫度、最大減溫率、衰減系數(shù)、時滯系數(shù)等指標(biāo)參數(shù)的分析，得到以下結(jié)論。

（1）建筑屋面結(jié)構(gòu)中加入相變材料層，可以提高夏熱冬冷地區(qū)夏季建筑屋面的隔熱效果，通過對比試驗(yàn)可知：適用于夏熱冬冷地區(qū)夏季建筑屋面隔熱的PCM的相變溫度范圍為35～39℃，最大MTR為17.64℃，最大DF 下降率為16.4%，最大TL 為167min。

（2）建筑屋面中的PCM 層在白天可以有效地吸熱，起到較好的隔熱效果，但是夏熱冬冷地區(qū)晝夜溫差較小，PCM 層會出現(xiàn)夜間不能有效散熱的問題，影響PCM 的下一個相變循環(huán)，甚至可能導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高。

因此，如何優(yōu)化相變屋面PCM 層的結(jié)構(gòu)、提高PCM 在夏熱冬冷地區(qū)夏季夜間有效散熱等問題還需要做進(jìn)一步的深入研究。