應用于太陽能相變蓄熱PC構件升溫養護建筑的復合相變材料熱物性

于楠，陳超，藺潔，韓楓濤，鄒平，賀祎鵬，胡慶玲

（1 北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室，北京100124；2 華北科技學院建筑工程學院,河北廊坊065201；3新疆農業科學院農業機械化研究所,新疆烏魯木齊830091）

太陽能光熱利用技術、被動房建筑技術、相變貯能技術的發展[1]，為傳統PC 構件的蒸汽養護工藝走低碳環保的發展之路提供了技術與方法參考。云南、江蘇、山東、遼寧、陜西、黑龍江和福建等省的部分混凝土預制廠已開始采用太陽能養護工藝，據統計，每年養護構件達數萬立方米[2]，該舉措不但為國家節約了大量能源，而且也降低了碳排放。

孫婉純等[3]認為相變儲熱單元能夠有效地降低室內的溫度波動，提高室內環境的熱舒適性，減少建筑能耗。Peippo 等[4]研究了美國不同地區被動式太陽房應用相變材料后熱性能得出，相變溫度應比室內平均溫度高1～3℃，且最優相變層厚度為10～15mm。Zhou 等[5]對北京一座被動式太陽能建筑中的PCM 石膏板的熱性能進行了數值評估，分析了熔融溫度和相變溫度區間對相變材料性能的影響。結果表明，最佳熔化溫度為21℃左右，相變溫度區間較窄的PCM具有較好的熱性能。陳超等[6]介紹了一種新型相變儲能墻板，結果表明，在普通房間北墻內表面采用PCM 不僅可以顯著提高室內熱舒適性，還可以提高太陽輻射的利用率。如果選用適宜的PCM，供暖季節的節能率可達到17%甚至更高。王慧儒等[7]通過變分原理，獲得了組合式相變最佳融化溫度的表達式，進一步研究相變材料對耗散熱阻和蓄熱性能的影響，為組合式相變材料的遴選以及流動和結構參數的設計提供了理論指導。

應用于裝配式建筑中的預制混凝土（PC）構件多是采用蒸汽養護工廠化生產。蒸汽養護通過靜停、升溫、恒溫、降溫4 個工藝過程對PC 構件進行養護，在8～10h內達到其抗壓強度和抗折強度的70%左右。其中，升溫養護工藝過程為了避免PC構件表面與內部之間產生過大溫差而導致裂縫產生，同時也為了避免由于混凝土毛細管內的水分和濕空氣的熱膨脹而引起混凝土內部組織破壞，通常養護建筑溫濕度環境為35℃和90%左右，升溫持續時間為2～3h，升溫梯度≤25℃/h。這種養護工藝溫度條件，為太陽能光熱能在升溫養護工藝過程的高效利用提供了條件。

為此，本研究結合PC 構件蒸汽養護工藝特點以及本文作者課題組研制的復合相變材料熱特性，提出了被動式太陽能相變蓄熱PC 構件升溫養護建筑一體化設計理念；重點以升溫養護建筑為研究對象，結合Energy Plus能耗模擬軟件以及實驗研究方法，研究不同熱物性復合相變材料對新型升溫養護建筑熱負荷特性、主朝陽墻體內表面溫度及其內部溫度場、墻體蓄（放）熱量對建筑熱性能的影響規律，以獲得最適宜的復合相變墻體材料，為PC 構件養護工藝可再生能源利用、低碳環保生產提供一種新的途徑和方法參考。

1 被動式太陽能相變蓄熱PC 構件升溫養護建筑

1.1 新型升溫養護建筑構筑理念

結合本文作者研究團隊[8?9]關于太陽能相變蓄熱日光溫室建筑的設計思想，提出被動式太陽能相變蓄熱PC構件升溫養護建筑設計理念（圖1）。其基本設計原理為：升溫養護建筑坐南朝北；采用透光屋面，屋面外加保溫覆蓋物；主朝陽墻體采用復合相變墻體，以充分利用相變材料可以在近似恒溫條件下蓄存或釋放大量熱量的特點，提高墻體被動式太陽能集蓄熱能力；其他墻體為一般保溫墻體。如圖1(c)所示，主朝陽墻體的外側采用熱阻大、保溫性能好的擠塑聚苯板保溫材料，盡可能減少熱量的流失；中間層采用承重好且顯熱蓄熱系數高的混凝土層，以發揮墻體中間層的顯熱蓄熱能力；主朝陽墻體內表面層采用本文作者課題組研發的復合相變蓄熱墻體材料，利用相變潛熱，充分發揮相變材料可在近似恒溫條件下蓄存和釋放大量熱量的特性，提高太陽能的利用率。

圖1 被動式太陽能相變蓄熱PC構件蒸汽養護室構筑原理示意圖

圖2 復合相變材料

1.2 復合相變材料及其應用原理

相變材料（PCM）作為一種儲能技術被廣泛地應用到了建筑中[10?15]。本文作者課題組研制的GH系列復合相變材料主要由石蠟類物質作為主貯熱劑，高密度聚乙烯（HDPE）、苯乙烯?丁二烯?苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）、膨脹石墨作包封支撐體構成的復合定形相變材料（圖2）。采用自適應封裝方法，使固?液相變的材料具有固?固相變特點，解決了傳統制備方法混合材料間物理作用力較小的缺陷。經過多次循環利用后，相變材料與支撐體仍不易脫附或滲漏。石蠟含量達78%，長期泄漏量仍然低于5%。GH系列相變材料主要是以相變溫度命名的，如GH?33 表示相變溫度是為33℃左右的GH系列復合相變材料。將復合相變材料與水泥材料混合制成一種水泥基復合定形相變材料抹灰（或現澆）砂漿，通過抹灰工藝或預制板粘貼工藝，使水泥基復合定形相變材料處于建筑物圍護的表面，如墻面、地面等。本文作者課題組[16?18]已將該種相變材料應用到了民用建筑及日光溫室中，取得了很好的節能效果。

2 復合相變材料熱性能比選

2.1 研究對象概況

本研究將以新型升溫養護建筑為研究對象，以主朝陽復合相變蓄熱墻體內表面溫度、墻體內部溫度、相變材料層蓄（放）熱量等參數作為確定可適應復合相變材料物性參數（相變溫度、相變潛熱量）的評價指標，結合Energy Plus能耗模擬軟件比選可適宜的復合相變材料。

新型升溫養護建筑位于石家莊地區，坐北朝南，東西向長度為30m，南北向進深12m。主朝陽復合相變蓄熱墻體（內墻）高度3.1m，南外墻高度2.1m，屋面為透光屋面；用于放置PC 構件的模臺尺寸為9.0m×4.0m×0.2m（厚度），距地面高度為0.55m。每塊PC 構件尺寸為4.0m×3.0m×0.25m（厚度）。主朝陽墻體采用復合相變材料+加氣混凝土+保溫板的構筑方式，其他墻體為加氣混凝土+保溫板的構造方式。各圍護結構主要建筑材料及模臺、PC構件物性參數如表1。

表1 圍護結構、PC構件及模臺主要熱工性能參數

2.2 計算軟件及驗證

本研究主要采用由美國能源部（Department of Energy, DOE） 和勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL）共同開發的Energy Plus能耗模擬軟件進行分析。該軟件采用CTF（conduction transfer function）計算墻體傳熱，采用熱平衡法計算建筑熱負荷；采用傳熱傳質模型對墻體的熱濕傳遞進行模擬；采用天空各向異性的天空模型以改進傾斜面的天空散射強度；在每個時間步長，程序自建筑內表面開始計算熱流、輻射和傳濕[19?22]。

圖3為實驗對象2017年12月19日—12月21日主朝陽墻體內表面溫度計算值與實測值的比較結果。根據誤差分析方法[式(1)][23]可評估兩者的比較誤差，IA值的范圍為0～1。當IA=1時，說明計算值與實測值完全吻合；當IA=0時，說明計算值與實測值完全不吻合。根據式(1)，可得到計算值與實測值的誤差IA值為0.99（圖3），由此說明了應用Energy Plus模擬計算墻體表面溫度動態特性的有效性。

式中，Xpi為計算值；Xmi為實測值；Xp,ave為計算值各個時刻的平均值；Xm,ave為實測值各個時刻的平均值。

圖3 升溫養護建筑主朝陽墻體內表面溫度計算值與實測值對比

2.3 計算結果

2.3.1 新型升溫養護建筑熱負荷特性

如何根據養護工藝條件要求，結合當地太陽輻射強度、室外空氣溫度的雙周期性變化規律，基于建筑熱工理論，選擇具有合適相變溫度與相變潛熱量的復合相變蓄熱墻體材料，對利用復合相變蓄熱墻體提高養護建筑太陽能利用率具有很重要的意義，也是被動式太陽能相變蓄熱PC 構件蒸汽養護建筑設計的關鍵所在。根據Energy Plus能耗模擬軟件，可計算得到升溫養護建筑室內溫度35℃條件下，養護建筑供熱負荷及其主朝陽墻體（無相變材料情況）內表面月平均溫度隨季節變化規律。

為了達到使主朝陽墻體充分向室內環境、PC構件放熱的目的，大量實驗結果表明，墻體內表面溫度至少比室內空氣溫度、PC構件高2～3℃，因此主朝陽墻體表面溫度宜在37℃以上。

由圖4可以看出，主朝陽墻體內表面月平均溫度≥37℃的月份主要在5月—9月；另外，根據計算結果，一年中，冬季（12 月1 日—次年2 月28 日）所需供熱負荷最大，占全年供熱負荷的52.3%，春、秋季（3 月1 日—5 月31 日、9 月1 日—1 月30日）次之，占全年供熱負荷的43.4%，夏季（6 月1 日—8 月31 日）最小，約占全年供熱負荷的4.3%。由于在北方地區，冬季太陽輻射較弱且冬季為北方地區施工、生產淡季，因此應將春、秋季作為升溫養護建筑主朝陽墻體應用相變材料降低養護工藝能耗的關鍵季節，同時盡量兼顧冬季。為此，本研究將以春、秋季節升溫養護建筑主朝陽墻體內表面溫度月平均溫度變化特性作為選擇復合相變蓄熱墻體材料熱物性參數的重要判定依據之一。

圖4 養護建筑供熱負荷及其主朝陽墻體內表面月平均溫度變化特性

2.3.2 主朝陽墻體內表面溫度

根據Energy Plus能耗模擬計算軟件，可計算得到升溫養護建筑主朝陽墻體內表面溫度隨季節動態變化規律。考慮到養護工藝要求升溫養護建筑環境溫度維持在35℃左右，當室內溫度低于35℃時需要蒸汽加熱，本文的主旨在于選擇最佳的相變材料以最大化地減少蒸汽能耗。

計算結果圖5表明，春、秋季（3月1日—5月31日、9月1日—11月30日）期間主朝陽墻體內表面溫度分布頻率，37～43℃溫度區間出現的頻率最高，均為3%以上，累積頻率為22.8%；冬季（12月1日—次年2月28日）、夏季（6月1日—8月31日）分別有11.1%、8.9%的時間，主朝陽墻體內表面溫度分布在37～43℃。為此，本研究以37～43℃作為主朝陽墻體內表面相變材料篩選的主要考察溫度區間。

圖5 四季主朝陽墻體內表面溫度頻率

根據上述分析以及本研究團隊研發的復合相變材料的性能，初步選擇GH?33、GH?37 兩種相變材料。圖6為GH?33、GH?37的DSC曲線。它們的熱物性參數詳見表2。哪種相變材料最適宜，需要結合下面的評價指標確定。

圖6 DSC曲線

2.3.3 主朝陽墻體內部溫度場

由于養護室內環境溫度一般情況下大于室外空氣溫度，因此沿墻體厚度方向由室內到室外溫度逐漸降低。當相變材料層內表面溫度為37℃，達到相變溫度時，由室內沿相變材料厚度方向溫度場低于37℃。對于相變材料吸熱溶解過程，相變材料表面發生相變，但相變材料內部不處于相變溶解溫度區間，相變不徹底?？梢姡瑧韵嘧儾牧吓c混凝土交界面上溫度作為判斷相變材料是否發生徹底相變的依據。

圖7 反映了主朝陽墻體內表面分別應用50mm厚的GH?33、GH?37 相變材料，相變材料與混凝土交界面上溫度全年分布比例。當墻體溫度低于37℃時，墻體不能向室內環境及PC 構件放熱；當墻體溫度高于相變溫度時，相變材料不能發生相變；相變材料大于37℃且處于相變區間內時，既能使墻體向室內環境及PC 構件放熱，又能使相變材料發生相變，將太陽能以潛熱的形式儲存或釋放出來。因此，設定相變材料層與混凝土交界面上的溫度大于37℃且又處于相變溫度區間為確定最佳相變材料的約束條件。

圖7 相變材料層最外層發生相變比例

2.3.4 主朝陽墻體蓄（放）熱量

圖8 反映了50mm 厚的GH?33、GH?37 兩種相變材料層全年累計蓄、放熱量比較。計算結果表明，無論是蓄熱量還是放熱量，最大蓄（放）熱量均是GH?37。因此，相變材料GH?37 對減小為維持室內的高溫環境及PC 構件升溫養護所需的蒸汽負荷的貢獻率最大，GH?37為最佳相變材料。

3 比選結果實驗驗證

3.1 實驗臺搭建

圖8 相變材料層累計蓄、放熱量比較

在天津薊縣（40.05°N，117.40°E）搭建了兩個升溫養護建筑1∶3 縮尺模型實驗臺（圖9）。天津薊縣氣候條件與計算案例的石家莊地區類同。兩個實驗養護室坐北朝南，建筑空間尺寸完全相同：長5m，跨度2m，北墻高1.03m，南墻高0.7m。兩個實驗養護建筑的圍護結構主材料相同：北側墻體均采用240mm 厚的砌塊磚，并在北墻外表面加貼50mm 厚聚苯乙烯泡沫板；東、西墻和后墻為50mm 厚聚苯乙烯泡沫板，屋面采用12mm 厚的EVA薄膜和40mm厚的棉氈保溫被。兩個實驗養護建筑唯一不同的是：西側實驗養護建筑主朝陽墻體（北墻體）內表面貼附的是GH?33相變材料板，東側實驗養護建筑主朝陽墻體（北墻體）內表面貼附的是GH?37 相變材料板。相變材料的DSC 測試曲線詳見圖6。屋面保溫被每天開閉時間為：10:00開啟，17:00關閉。

3.2 數據采集方法

室外太陽輻射和室外空氣溫度由PC?3 可移動式氣象站（JT Technology, China）進行測量并記錄，其測量精度為±10W/m2和±0.4℃。墻體內外表面溫度、PC構件表面溫度測點的位置如圖9所示，溫度測點均采用T 型熱電偶（測量精度為±0.5℃）進行測量，數據處理系統由數據采集儀（Agilent 34972A,美國）、電腦和處理軟件構成。上述所有參數測試間隔均為10min。測試周期為2019年9月16日—10月3日，共18天。

圖9 實驗測試臺

3.3 實測結果及分析

3.3.1 主朝陽墻體內表面溫度

圖10 反映了測試期間，分別貼有GH?33、GH?37 相變材料的東、西兩個養護建筑主朝陽墻體內表面逐時溫度變化?？梢钥闯?，貼有GH?37相變材料的東側養護建筑較貼有GH?33 相變材料的西側養護建筑主朝陽墻體內表面溫度白天最高溫度有所降低，但夜間隨著室外溫度降低，東側養護建筑較西側養護建筑的主朝陽墻體內表面溫度平均提高3.4℃。這主要是因為GH?37較GH?33相變材料層白天能夠蓄存更多的太陽能，到夜間能夠釋放出更多的熱能，使得主朝陽墻體表面在夜間維持一個較高的溫度。

圖10 陽墻體內表面溫度對比

3.3.2 PC構件上表面溫度

圖11 反映了測試期間兩個實驗養護建筑內PC構件上表面溫度隨時間的變化規律?？梢钥闯?，在一天中養護溫度最不利的夜間，應用了GH?37 相變材料的東側養護建筑較西側養護建筑PC 構件上表面溫度平均提高1.4℃。由3.3.1 節分析可知，GH?37 相變材料使得主朝陽墻體內表面在夜間維持一個較高的溫度，隨著主朝陽墻體與室內空氣的對流換熱、與PC 構件之間的輻射傳熱作用，貼有GH?37 相變材料的主朝陽墻體會有更多的熱量釋放給室內環境和PC 構件，因此東側養護建筑中的PC構件在夜間會維持一個較高的溫度。

3.3.3 主朝陽墻體蓄放熱速率

圖11 PC構件上表面溫度對比

圖12 為實驗期間兩個實驗養護建筑主朝陽墻體蓄放熱速率實驗結果。研究結果表明，主朝陽墻體采用GH?37 相變材料較GH?33 相變材料可以提高主朝陽墻體的蓄放熱性能，GH?37 復合相變墻體較GH?33 復合相變墻體蓄放熱速率平均提高62%；且貼有GH?37 相變材料的主朝陽墻體內表面在夜間維持一個較高的溫度，同時也使PC 構件在夜間維持在一個較高的溫度。實驗結果驗證了第2節關于復合相變墻體材料熱性能評價指標以及比選方法的正確性。

圖12 主朝陽墻體蓄放熱速率比較

4 結論

本研究結合PC 構件蒸汽養護工藝特點以及所提出的被動式太陽能相變蓄熱PC 構件蒸汽養護建筑設計理念，結合Energy Plus能耗模擬軟件及實驗研究的方法，開展了復合相變墻體材料熱性能比選研究，形成以下結論。

（1）構建了關于復合相變材料熱性能評價指標，包括新型PC 構件升溫養護建筑熱負荷特性、主朝陽墻體內表面溫度及其內部溫度場、墻體蓄（放）熱量等參數。

（2）基于所提出的復合相變材料熱性能評價指標以及Energy Plus能耗模擬軟件，給出了可適于新型升溫養護建筑主朝陽墻體內表面應用的復合相變材料熱性能參數計算結果，實測結果驗證了計算結果的有效性。

（3）石家莊地區新型PC 構件升溫養護建筑主朝陽復合相變蓄熱墻體內表面，建議采用相變溫度為37℃、相變潛熱量為227.5kJ/kg、厚度為50mm的GH?37復合相變材料。

（4）后續研究將該計算方法應用到更多地區的PC 構件升溫養護建筑中，進一步驗證該計算方法的合理性。