相變蓄熱活動遮陽在高校宿舍建筑中的應用研究★

李春瑩 趙 帆 唐海達

(1.深圳大學建筑與城市規(guī)劃學院/本原設計研究中心，廣東 深圳 518000；2.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設廳科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210036)

1 概述

近年來，高等教育事業(yè)發(fā)展迅速，全國高校數(shù)量和在校學生人數(shù)逐年增長。在快速發(fā)展的同時，高校的能源和資源消耗量顯著增長[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國大學數(shù)量已達2 000余所，在校學生人數(shù)達2 300多萬，大約消費社會總能耗的8%。數(shù)據(jù)顯示，我國大學生生均能耗、水耗分別是居民人均能耗的4倍和2倍。校園人口密集，建筑數(shù)量龐大，用能相對集中，具有巨大的節(jié)能潛力[2]。本文探討一種基于相變蓄熱技術的活動遮陽，可廣泛用于高校既有宿舍建筑的節(jié)能改造。

2 相變材料在建筑節(jié)能領域的應用

相變蓄熱技術主要是利用相變材料(PCMs)進行能量的儲存與釋放，是一種高效、綠色、節(jié)能的能量利用技術。相變材料具有儲能密度大、溫度恒定、過程易控制、可以多次重復使用等優(yōu)點，在太陽能、電力、余熱利用等領域有廣闊的應用前景。近年來，國內(nèi)外學者將相變材料用于建筑節(jié)能領域，利用相變材料的相變潛熱來貯存熱量，從而提高建筑圍護結構熱容，改善室內(nèi)熱環(huán)境，能夠有效降低建筑能耗并提高舒適度。

王昭俊[3]和李元昊等[4]將相變材料用于建筑墻體，對其傳熱理論與保溫性能進行了理論研究和實驗驗證，并基于研究結果進行性能分析和結構優(yōu)化。張存寶[5]和石峰等[6]學者研究了相變材料在建筑屋面中的應用，通過計算機輔助模擬技術，證實將相變材料應用于屋面可降低建筑的制冷負荷，同時改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境。孫高峰[7]和張國君等[8]研究了雙層及三層玻璃的空腔中添加相變材料的相變窗的傳熱特性，證實其可起到遮陽隔熱作用，從而有效降低室內(nèi)溫度，減少空調系統(tǒng)能耗，節(jié)約建筑運行成本。劉昌宇[9]將相變材料用于玻璃屋頂，并針對其光熱傳輸特性進行分析。

建筑節(jié)能相關研究表明窗戶是建筑圍護結構熱量交換最為顯著的部位，其引起的采暖和制冷能量損失往往占到建筑圍護結構能耗的一半以上。因此，窗體節(jié)能是建筑節(jié)能的重要組成部分，其設計應綜合考慮室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適與空調、照明系統(tǒng)能耗等因素。合理設置建筑遮陽構件可阻隔或降低太陽輻射熱量進入室內(nèi)，提高制冷季節(jié)的室內(nèi)熱舒適度，減少空調使用，從而有效降低建筑能耗;遮陽構件亦可避免室內(nèi)眩光問題，使光照分布更加均勻，提高室內(nèi)光環(huán)境舒適度，并減少人工照明的使用，進一步降低建筑能耗。

值得注意的是，前述將相變材料用于窗體的隔熱遮陽技術，雖然節(jié)能效果較好，但由于相變材料在固體狀態(tài)時的不透光特性，可能遮擋視野，不利于室內(nèi)人員觀賞室外景觀，并影響建筑物的美觀性。基于此，本文提出將相變材料用于可調節(jié)角度的遮陽構件，安裝于新建或既有建筑的窗口上方，從而達到建筑節(jié)能目的。相變蓄熱活動遮陽板不會影響窗口視野，可廣泛用于多氣候區(qū)高校既有宿舍建筑的節(jié)能改造。

3 相變蓄熱活動遮陽的工作原理

相變蓄熱活動遮陽的提出是基于建筑能耗水平過高等問題提出的：

1)過量的太陽輻射進入室內(nèi)，可能會引起眩光和窗邊人員的不舒適；同時，帶來夏季空調制冷負荷的升高，從而消耗大量電能；

2)廣泛使用于建筑物外立面的固定和可調節(jié)遮陽系統(tǒng)只是將太陽輻射反射和少量吸收，無法有效利用太陽能量；

3)既有研究中所涉及的相變材料窗體在非蓄熱狀態(tài)時多為不透明或者半透明，會遮擋室內(nèi)人員的視線，且影響建筑物的美觀性。

因而，本文提出一種基于相變蓄熱的活動遮陽技術，將相變材料用于遮陽板內(nèi)部夾層，在遮陽的同時，可以有效吸收儲存太陽輻射能。在寒冷的冬季夜間，可以利用這部分儲存的熱能用于室內(nèi)保溫。從而在提高室內(nèi)環(huán)境舒適度的同時，減少采暖能耗。其系統(tǒng)結構與工作原理如圖1所示。

白天，當太陽輻射猛烈，此遮陽板與窗口成垂直角度，或者根據(jù)需要調整至適當夾角，既可以有效避免眩光，又不會遮擋窗外景觀；遮陽板可大幅減少通過窗口進入室內(nèi)的熱量，從而提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適，降低空調制冷負荷，有助于節(jié)能減排和降低電費開支。同時，遮陽板吸收太陽輻射而溫度升高，位于上、下層遮陽面板之間的相變材料夾層發(fā)生相變，將多余熱量儲存起來，并逐漸由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。

夜晚，遮陽板的溫度高于環(huán)境溫度，將緩慢向外界放熱。在冬季夜間，可利用鉸聯(lián)構件調整遮陽板角度，使其貼近窗玻璃，相變材料夾層將部分儲存的熱量以對流傳熱的形式傳入室內(nèi)，起到保溫、供暖作用。而夏季夜間周圍環(huán)境溫度較高，可只利用遮陽板的遮陽功能，而不使用保溫功能。由以上工作原理可知，這種相變蓄熱活動遮陽特別適合用于住宅、宿舍和酒店等全天使用的場所。

4 相變蓄熱活動遮陽在高校宿舍建筑的應用

高等學校的宿舍建筑是大學生學習、休閑和休息的重要場所，其室內(nèi)環(huán)境品質直接影響學生們的身心健康，宿舍的照明、采暖和空調制冷能耗也是高等學校能耗的重要組成。近年來，全國多個高校開展針對既有建筑的節(jié)能改造工作，所采用的技術手段主要是外墻、屋面、外門窗等圍護結構的保溫隔熱改造等。比較而言，相變蓄熱活動遮陽的節(jié)能效果顯著，施工周期短，材料成本不高，特別適用于針對既有宿舍建筑的節(jié)能改造。

相變蓄熱活動遮陽板的結構和參數(shù)設計，應當綜合考慮美觀性，窗體高度，當?shù)貧夂颍杀驹靸r等方面。考慮到大學生的身體健康和遮陽構件的使用壽命，相變蓄熱活動遮陽板內(nèi)的相變材料選擇至關重要。相變材料應當無毒、無腐蝕性、成本低廉且制造方便，同時，應當具備合適的相變溫度，能夠滿足其功能需要，且具有相對較高的熔化潛熱值，從而在相變過程中貯藏或放出較多的熱量。

碳原子個數(shù)為22、相變溫度點為44.4 ℃的石蠟材料可作為活動遮陽內(nèi)部蓄熱材料使用。當遮陽板在日間吸收太陽輻射，溫度逐漸升高并達到石蠟材料的相變溫度點。此后，石蠟逐漸由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，并將大量熱量以潛能的形式儲存起來。在冬季夜間，可放下遮陽板并貼近窗玻璃，相當于有一層溫度約為44.4 ℃的保溫板持續(xù)不斷向室內(nèi)傳遞熱量，大幅減少室內(nèi)空氣向外界環(huán)境散失熱量，很好的起到供暖保溫的作用。

以尺寸為1.5 m(高)×1.5 m(寬)的典型宿舍窗口為例，設計相變活動遮陽寬度為1.5 m，長度為1.0 m(挑出距離)，其中相變材料層的厚度設計為0.02 m，總體積為0.03 m3。而碳原子個數(shù)為22的石蠟材料密度780 kg/m3，熔化潛熱為249 kJ/kg。因此，本案例中的相變活動遮陽的相變蓄熱量為5 826.6 kJ。在實際工程項目中，可以根據(jù)當?shù)氐奶栞椛鋸姸群褪覂?nèi)熱環(huán)境調節(jié)需要，靈活設計相變材料的夾層厚度，從而獲得最為適宜的相變蓄熱量。

5 未來研究方向

為更好的發(fā)揮相變蓄熱活動遮陽的節(jié)能與室內(nèi)環(huán)境調節(jié)效果，實現(xiàn)其在高校宿舍建筑，以及其他類型建筑中的大規(guī)模應用，應當從以下方面展開深入研究：

開展相變蓄熱活動遮陽的實驗研究，通過對太陽輻射強度、溫度、風速、風向等室外氣象參數(shù)和室內(nèi)溫度、照度分布的現(xiàn)場實測，確定這種新型遮陽的外形、尺寸、外層材料性能、相變材料特性、相變材料夾層厚度等設計參數(shù)與室內(nèi)光、熱環(huán)境的耦合機理，并進行物理建模。結合不同氣候區(qū)域的全年氣象參數(shù)，進行室內(nèi)空調、照明能耗模擬，并預測室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適性，進行設計參數(shù)的綜合優(yōu)化。

開展不同類型的相變材料遮陽設施研究，將不同特性的相變材料與水平遮陽、豎向遮陽、百葉遮陽、擋板遮陽、綜合式遮陽結合起來，研究其遮陽隔熱的性能及優(yōu)化策略。同時，結合建筑物的使用規(guī)律，可以考慮將相變材料與中間遮陽(夾在雙層玻璃之間的遮陽設施)和內(nèi)遮陽(位于室內(nèi)一側的遮陽設施)相結合，探究其可能的建筑節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境調節(jié)效果，并進行優(yōu)化。

針對相變蓄熱活動遮陽設施的外觀優(yōu)化設計，從而實現(xiàn)與建筑外立面的有機結合，有助實現(xiàn)建筑協(xié)調、美觀的造型效果。優(yōu)化設計應從遮陽的形狀，表面凸凹、顏色和質地等多個方面入手，結合光、熱性能計算和建筑物理環(huán)境模擬，遴選兼顧節(jié)能和美觀的最優(yōu)設計。繼而，開展這種新型遮陽設施的全壽命周期經(jīng)濟效益和環(huán)保效益研究，并采取合理措施降低其投資回收期。

6 結論

基于高等學校能源消耗量大，節(jié)能任務艱巨的背景，本文創(chuàng)新性的提出相變材料在遮陽裝置中的節(jié)能應用。其優(yōu)點主要有：遮陽裝置與墻面夾角可調，可根據(jù)實時的太陽高度角提供最佳的遮陽效果，同時不影響窗外視野；在冬季的夜晚可根據(jù)實際需求減小遮陽構件與墻面之間的夾角，利用白天存儲的熱量向室內(nèi)供暖。

相變蓄熱活動遮陽的材料成本不高，施工周期短，節(jié)能效果顯著，且有利于室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適，特別適用于針對高校既有宿舍建筑的節(jié)能改造。在未來，可針對其設計優(yōu)化、外觀設計和經(jīng)濟效益開展深入研究，為其大規(guī)模應用提供基礎信息和理論支撐。