昆明地區蓄能墻體內相變材料的適應性研究

陳美含，姜莉，米士剛，沈顯明

（國家檔案局檔案科學技術研究所，北京100050）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對建筑內環境的舒適度要求也不斷增加。建筑行業的快速發展造成能源消耗過快，調整、優化現有能源結構，提高建筑中主動式技術使用效率，并且針對某些地區的氣候特點采用不同的被動式技術進行節能，對于建筑節能具有深遠意義[1]。

通常的墻體熱能存儲方式有顯熱存儲和潛熱存儲2種，顯熱存儲是利用物質在儲存能量和釋放能量過程中比熱容和溫度的變化來進行的，物質的比熱容在溫差不大的系統中通常為恒定值[2]；而潛熱存儲是當物質內部有熱流通過且溫度達到相變溫度時，利用潛熱吸收或釋放能量，其蓄熱能力主要取決于物質的相變潛熱值，因此相變蓄能的蓄能密度比顯熱蓄能高幾十倍或近百倍[3]。

相變材料（Phase Change Material，PCM）是指隨溫度變化而改變物質狀態并能提供潛熱的物質[3]。轉變物理性質的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。相變蓄能材料具有存儲熱的能力，相變材料在溫度高于相變溫度時熔化，吸收環境中的顯熱轉變為潛熱存儲起來，從而減少室內得熱量，在溫度低于相變溫度時，相變材料將潛熱轉變為顯熱釋放到環境中，因此相變材料能實現能量的合理儲存和釋放，縮短建筑供暖或空調的使用時間，減少空調制冷和供暖系統使用、運行時產生的費用，大大降低能耗[4]。與其他蓄能材料相比，相變蓄能材料具有非常多的優點，比如傳熱性能好、節能效果明顯、相變溫度區間供選擇的幅度大、且容易調控等。

國外以相變儲能前提的研究可以分為4種類型：研究相變材料本身的制作方法及特性；研究相變材料與墻體的結合方式；以單純實驗或模擬的方法研究影響相變材料蓄能墻體節能效果的因素；運用實驗和模擬結合的方法，研究典型氣候條件下，相變材料的適宜溫度以及相變材料蓄能墻體的節能情況。Shapiro[5]針對美國Florida的氣候條件，將乙酸棕櫚酯、乙酸酯、乙酸硬脂酸鹽混合物和十二烷酸、山羊烷酸和短環酸作為復合相變材料注入石膏板作為建筑墻體的儲熱應用；德國BASF公司采用微膠囊技術將石蠟封裝在直徑約20 μm的膠囊中，然后再與灰泥混合制備出一種用于內墻的相變儲能砂漿，這種砂漿作為室內冬季保溫和夏季制冷的材料，能減少室內溫度波動[6]。Kuznik等[7－8]以實驗驗證方式，研究在輕質建筑中應用相變材料，并分析其在全年工況下的應用效果，表明相變材料能減緩室內溫度波動，強化空氣對流，提高舒適度的效果。Chandra[9]針對相變儲能墻板的厚度對室內溫化影響以及房屋（如南墻、北和西等）各處熱流量的變化進行了模擬，結果表明，5 cm厚的相變儲能混凝土墻板的阻熱效果相當于23 cm厚的普通混凝土墻板；相變儲能墻板用在南墻的效果最好。Darkwa[10]通過詳細的模擬及實驗研究，分析了不同熔點的PCM模塊應用于屋頂的實際效果，結果表明：將較高熔點的相變材料放于天花板內側，可實現全年自動降溫，達到冬暖夏涼的效果。

國內關于相變材料在建筑節能中的應用，在近10年有了較快的發展。張東等[11]采用“兩步法”制備相變儲能混凝土，可以在混凝土中儲存足夠的相變材料，滿足應用的要求。李百戰、羅慶等[12－13]使用自制的有機相變材料與EPS板復合進行實驗，使用相變材料的房間室內溫度較不使用相變材料的房間溫度下降了11℃，具有非常明顯的節能效果。Meng等[14]搭建了1 m×1 m×1 m的房間模型，比較定型相變材料不同朝向的布置方式對降低室內溫度波動的影響，結果表明：與將相變材料放置于一面墻上的方式比較，使2種具有不同溫度并合理布置于圍護結構的不同朝向上，可實現在全年工況下改善室內熱工性能。林坤平等[15]利用實驗與模擬結合的方法，根據不同地區的氣候特點，提出了如果在新疆等晝夜溫差較大的地區使用相變墻體，效果會更加明顯。

相變材料的選取重要的影響因素是相變溫度，但根據氣候特點的不同，所選用的相變材料相變溫度也應不同，目前對溫和地區相變材料的適用性研究還較少。本文初步選取昆明這一氣象區作為研究目標，通過EnergyPlus軟件模擬驗證了選取合理的相變材料能夠減小該地區建筑的能耗以及提高室內舒適性。

1 建筑模型建立與評價指標

1.1 建筑模型建立

本模擬以2.6 m×2.6 m×2.6 m的房間模型為研究對象，其建筑總面積為6.76 m2，南側墻面有1.5 m×1.5 m的開窗，如圖1所示。

圖1 房間模型示意

為了研究相變材料對建筑能耗的影響，模擬設計3種不同圍護結構模型。各模型中墻體及屋頂的截面結構如圖2所示，各模型的地板都只采用1層混凝土；各材料物理性質如表1[16]所示。其中，模型1#為基本對照組，模型2#為添加普通材料（Solid PCM），模型3#為添加相變材料（PCM），對比研究相變材料潛熱特性對建筑能耗的影響。

圖2 3種房間模型的圍護結構截面示意

表1 幾種材料的物理性質

從表1可以發現，本文定義的普通材料（Solid PCM）的導熱系數、密度、比熱容等主要物理性質與相變材料（PCM）相同，但是其在相變溫度點不發生相變。為了使相變材料能夠充分發生相變特性，根據昆明室外的平均溫度，本文初步設定相變材料的相變溫度為25℃，普通材料（Solid PCM）和相變材料（PCM）的焓－溫度曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，相變材料在25.0～25.1℃范圍內吸收或釋放大量熱量；普通材料的焓值隨溫度升高呈直線增大，即在25℃無相變現象發生。

圖3 相變材料和普通材料的焓－溫度曲線

1.2 室內外參數設置

1.2.1 室內參數設置

房間的地板外表面保持18℃恒溫，屋頂和四面墻都暴露在室外環境中。在能耗研究中，房間采用理想空調系統；即當室內溫度高于25℃時空調啟動制冷，室內溫度低于18℃時空調啟動供熱，從而維持室溫為18～25℃，當溫度在18～25℃時則空調不啟動。在房間自適應舒適區研究中，房間內不設置機械冷卻和供熱系統，房間溫度為自然室溫。

1.2.2 室外參數設置

昆明市的年溫度及太陽輻射量變化如圖4、圖5所示。

圖4 昆明市日平均干球溫度變化

圖5 昆明市日平均太陽輻射量變化

由圖4、圖5可見，昆明屬于亞熱帶高原季風氣候，具有年溫差小的氣候特征，適于相變材料作用的發揮。昆明室外的日總輻射量變化很大，因此圍護結構外表面的溫度也會有較大波動，促使相變材料完成吸放熱過程，使相變材料充分發揮作用。

昆明市夏季和冬季典型日室外氣象參數如圖6所示。

圖6 昆明市夏冬季典型日室外氣象參數

由圖6（a）可見，夏季典型日室外干球溫度為16.5～18.5℃，最高溫度出現在下午14：00左右，輻射量的最大值約為200 W/m2，出現在下午17：00左右。由圖6（b）可見，冬季典型日室外干球溫度為0～8℃，最高溫度出現在下午18：00左右，輻射量最大值約為750 W/m2，出現在下午16：00左右。

1.3 評價指標

針對昆明地區蓄能墻體應用相變材料的節能性和舒適性進行模擬評價，其具體的評價指標分別如下：

（1）在節能性方面，以房間全年總能耗E和能耗降低率η作為評價指標。

首先，為了分析相變材料不同相變溫度對室內能耗的影響，本研究依據昆明市全年平均溫度并考慮到太陽輻射的影響，選取相變材料相變溫度為10～30℃，每隔5℃為一工況（見表2），并利用EnergyPlus模擬5種相變溫度下房間能耗E，比較相變材料不同相變溫度下全年總能耗E總，最終得出全年最佳相變材料的相變溫度。

表2 相變材料的相變溫度

其次，利用式（1）計算模型2#與模型3#相對于模型1#的節能效率η。

（2）在熱舒適度方面，根據美國ASHRAE 55—92標準[17]，自適應熱舒適區是指在不開啟任何空調系統的情況下，能表征房間舒適度的溫度區間。其集中在最佳舒適溫度（Tcomf）附近，如式（2）所給出，接受率為80%時其寬度為5℃，接受率為90%時寬度為7℃。

自適應熱舒適區小時數即滿足自適應熱舒適區溫度范圍的小時點數，用其評價昆明地區添加相變材料后的室內熱舒適性，室內工作溫度處于熱舒適區范圍內的點越多越舒適。

2 相變材料節能性結果分析

2.1 能耗模擬分析

圖7為模型3#分別采用不同相變溫度的相變材料時，全

圖7 相變材料不同相變溫度全年制冷能耗、供熱能耗及總能耗

年制冷能耗、供熱能耗及總能耗。

由圖7可見：（1）對于制冷來說，全年最佳的相變溫度為25℃，此時全年最低制冷能耗為95.31 MJ/m2；而對于供熱來說，最佳的相變溫度為15℃，此時全年最低供熱能耗為332.66 MJ/m2。（2）全年總能耗最低值時對應的最佳相變溫度是25℃，全年最低總能耗為455.37 MJ/m2。綜上所述，昆明全年的最佳相變溫度為25℃。

3種模型在昆明的全年能耗如表3所示。

表3 全年建筑總能耗

由表3可見，模型2#（添加普通材料）的房間單位面積能耗比模型1#（混凝土）房間低102.54 MJ/m2；而模型3#（添加相變材料PCM）建筑的單位面積能耗比添加普通材料建筑低44.91 MJ/m2；節能率達24.46%，較添加普通材料的房間增大了7.45個百分點。可見相變材料的潛熱在昆明能夠明顯發揮降低能耗的作用。

圖8為3種模型的逐月能耗，圖9為模型2#和模型3#的逐月能耗減少率。

圖8 3種模型的逐月能耗

圖9 模型2#和模型3#的逐月能耗減少率

由圖8、圖9可見，模型3#的月能耗均低于模型2#，表明在昆明各月份相變材料都能夠發揮其潛熱作用，實現建筑節能。3～10月期間，模型3#和模型2#的能耗減少率差值更大，平均達到13.96%，說明相變作用（潛熱作用）在該時間段內作用效果更明顯。

2.2 典型日能耗模擬分析

圖10為夏季典型日（6月21日）模型1#和模型3#墻內、外表面溫度和供熱能耗隨時間的變化情況。

圖10 模型1#、3#夏季典型日墻內外表面溫度和供熱能耗

由圖10（a）可見，模型1#、3#墻內、外壁面溫度的變化趨勢相同，都是單峰型。首先，因為圍護結構的熱惰性，內壁峰值溫度比外壁出現晚。模型3#墻外壁溫度在19：00～20：00時刻出現了溫度平臺區，即相變材料相變溫度為25℃左右時發生相變。同時，由于添加相變材料增加了圍護結構的熱惰性，墻內壁溫度峰值再次延遲。模型1#和模型3#在00：00～10：00以及20：00～24：00墻內壁溫度高于外壁，熱傳導方向從內到外，其余時間熱傳導方向從室外到室內。

昆明夏季典型日溫度適宜，模擬房間模型內無輻射得熱、人員、燈光及設備散熱等造成的負荷。由圖10可見，昆明夏季典型日不需制冷，為達到模擬設定的舒適溫度，模型1#需要在00：00～14：00供暖；與模型1#相比，模型3#僅需在05：00～14：00這段時間供暖。且在該時間段內，模型3#墻內壁溫度升高，降低供熱能耗。因此在設備選型時可以選擇更小功率的設備，制熱能效比（COP）增加，節能效果更顯著。根據模擬結果，在昆明地區夏季添加相變溫度為25℃左右的相變材料可以起到較好的節能作用。

圖11為冬季典型日模型1#和模型3#墻內、外表面溫度和供熱能耗隨時間的變化情況。

圖11 模型1#、3#冬季典型日墻內外壁溫度和供熱能耗

由圖11（a）可見，模型1#和模型3#，在冬季典型日墻內、外表面溫度變化趨勢與夏季典型日基本相同。由圖11（a）和（b）可見，14：00～20：00這段時間室外向室內傳熱，而其它時間室內向室外散熱。在房間向室外散熱時添加相變材料能夠有效阻止室內熱量向室外散發，從而降低供熱能耗。與此同時，添加相變材料會阻礙室外向室內傳熱，所以14：00～20：00期間供熱能耗有略微增加。理想供熱空調系統開啟時功率的最大值出現在11：00左右，正好墻內壁溫度最低時，墻內壁溫度越低，其與房間之間的換熱量越大，為了彌補熱量損失，空調需要增加功率。

根據模擬結果，在昆明地區冬季添加相變溫度為25℃的相變材料也可以起到節能的作用。

3 相變材料室內舒適性分析

昆明地區模型1#和模型3#全年自適應熱舒適區見圖12，全年自適應熱舒適區點數比較見表4。

圖12 模型1#、模型3#全年自適應熱舒適區

表4 模型1#、模型3#全年自適應熱舒適區點數的比較

由圖12、表4可知，在不添加任何機械系統制冷、供熱情況下，模型3#在自適應熱舒適區的小時數比模型1#多570 h，小時數增加了6.51個百分點，表明相變材料的添加可以提高室內舒適性。該舒適性的提高是因為添加相變材料后，增加了圍護結構的熱惰性，能夠有效降低建筑室內溫度的波動，增強房間的熱穩定性。對于制冷需求較少，供熱需求較大的昆明地區，在夜間對于室內空氣溫度將有較大的提高。

總結可知，昆明地區全年添加相變材料可以有效提高室內環境熱舒適性。

4 結語

（1）昆明地區在房間中添加普通材料和相變材料全年均有節能效果，能耗分別為500.28、455.37 MJ/m2，與普通房間相比，添加相變材料的房間節能效果更顯著，節能率為24.46%。

（2）昆明地區房間添加相變材料后，全年在自適應熱舒適區的小時數比模型1#多570 h，小時數增加了6.51個百分點。由此可知，在昆明地區添加相變材料可以提高室內環境熱舒適性。

（3）昆明地區房間墻外壁添加相變材料后更節能，且室內舒適度更高。通過簡單模型的模擬可知不同地區相變材料的最佳相變溫度，可此作為參考依據推廣到各地區的建筑模擬中。