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建筑节能

在中国典型气候区，一种新型相变材料墙板的节能潜力

Na Zhu*, Fuli Liu, Pengpeng Liu, Pingfang Hu, Mengdu Wu

华中科技大学环境学院建筑环境与设备工程系，武汉，湖北430074

文章历史：收到时间：2016年4月15日 修订版：2016年6月8日

接收时间：2016年6月30日 在线提供：2016年7月1日

关键词：夹层型、稳定相变材料、节能潜力、典型气候区

摘要

本文提出了一种用于全年能源管理的双层稳型的相变材料墙板(SSPCMs)。它的节能潜力在我国被五个典型气候区域研究。采用双层SSPCMs墙板组合的办公室模拟平台。另一间普通的办公室，同样的围护结构，只是没有双层SSPCMs使用墙板作为参考室。研究了我国五个典型气候区的五个城市双层SSPCMs墙板的节能潜力，包括严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。在节能潜力达到最大值的情况下，给出了五个典型城市SSPCMs墙板的最佳熔化温度和相应厚度。结果表明，室内空气温度影响内部SSPCM层的最佳熔化温度，室外空气温度影响外部SSPCM层的最佳熔化温度。本文给出了五个典型城市的最优值特征，供参考。

1.引言

相变材料(PCMs)在建筑围护结构中的应用越来越受到人们的关注。适用于建筑应用的现有PCM在轻型建筑中具有很大的蓄热能力。在建筑中使用PCM可以改善室内热环境，降低室内温度用于空间加热和冷却的能源消耗。形状稳定相变材料(SSPCM)引起了研究者们的兴趣^[1-4]。它降低了液体PCM泄漏的危险，可用于建筑物的无封装蓄热。

Zhou等人^[5-8]研究了夏季和冬季SSPCM墙体和地板的室内热特性和能量性能。对SSPCM在建筑围护结构中的优化利用进行了数值和实验研究。结果表明，与不使用SSPCM的情况相比，SSPCM能提高室内热舒适水平，节约建筑运行能耗。

Ahmad等人^[9]研究了在不同气候条件下与PCMs集成的轻质墙板的热性能。在新的结构和没有PCMs的测试单元内进行比较。真空绝缘板与PCM面板相关联，以提高墙板效率。实验结果表明，室内温度幅值约降低20^oC。随着外界温度的变化，PCM结构表现出明显的蓄热和释放能力。

Kong等人^[10]提出了两种新的PCM系统：PCMOW(安装在建筑外墙的面板中所含的碳酸)和PCMIW(安装在建筑物内表面的面板中所含的碳酸和1-十二醇)。本文从理论上研究了一维瞬态数学模型及其实验验证。在自然通风的情况下，PCMIW的性能优于PCMOW，但在现有建筑中，PCMIW的应用需要室内围护结构的改造。

Meng等人^[11]通过模拟和实验研究了复合PCM结构的热特性。两种不同的PCM以不同的方向放置在墙上。结果表明，这种新型室内空气温度的变化，夏季可降低4.3^oC，冬季可降低14.2^oC。室内空气温差在夏季为6.9^oC，冬季为2.7^oC。此外，我们发现熔化温度和厚度的选择对熔化速度和速率有一定的影响。

大多数研究人员对单层SSPCM单元进行了研究。用于改善室内热舒适性，减少冷热负荷。但它不可能实现一年左右的能源管理，因为它只在夏季或冬季活跃。这有一些研究集中在建筑中使用的双层SSPCMs墙板上。

Diaconua等人^[12]提出了一种由绝缘板(100 mm)和外部/内层由PCM墙板(50 mm)组成的中间层的PCM墙。在大陆温度气候条件下，对其全年冷却/供热节能潜力进行了评估。结果表明，采用新型墙体系统，每年可节省1%的夏季冷却能耗和12.8%的冬季采暖能耗，降低了冷热负荷的峰值(24.3%和35.4%)。但作者指出，墙体系统的特点并没有得到优化。采用保温板作为墙体的主体结构，在实际建筑中并不是常用的围护结构，因此节能的实际价值不大。

Jin等人^[13]提出了双层PCM地板。两层PCM具有不同的熔化温度。该系统用于在非高峰期储存能量，并在加热或冷却过程中在高峰时期释放能量。结果表明，PCM的最佳熔化温度是存在的。经过长时间关闭供暖或冷却系统后，冬季和夏季室内热舒适性都得到了改善。与不含PCM的地板相比，在加热和冷却期间，PCM地板释放的能量峰值分别增加了41.1%和37.9%。

Pasupathy等人^[14]研究了一种基于蓄热系统的无机共晶PCM在住宅建筑热管理中的热性能。对该系统进行了数值和实验分析。提出并研究了双层PCM的概念，以实现全年的被动热管理。两层PCM相互粘着，并被视为一个完整的面板。研究发现，PCM可以降低冬季内的气温波动，但在夏季不适宜，因为PCM在这几个月中一直处于液态状态，因此系统无法发挥潜热效应。然而，PCM的熔化温度是影响建筑冷、热负荷的重要因素。

本研究旨在确定外部/内部SSPCM的最佳熔化温度，使其在夏季达到最小的冷却负荷/热收益，冬季达到最大热负荷/热损失。这一温度也已由不同的研究人员^[15-20]进行了研究。

Fiorito^[15]选择了澳大利亚五个不同气候区的城市，并在收集-储存墙中模拟PCMs(n-石蜡和蜡)集成效果。模拟结果表明，PCM改善了轻质结构的热惰性，需要根据不同的气候条件对其位置和熔化温度进行优化。

Peippo等人^[16]认为相变温度应比室内温度高出1~3^o，才能最大限度地吸收白天的热量。Neeper^[17]分析了室内温度日变化但没有直接太阳辐射的PCM墙板。指出PCM的最佳过渡温度应接近室内温度，以尽量减少建筑物的热负荷。Heim和Clarke^[18]选择的相变温度为22^oC，比室内舒适温度高2^oC。

Izquierdo-Barrientors等人^[19]利用有限差分法建立了一维瞬态传热模型。分析了典型建筑墙体在不同的PCM层位置、墙体的取向、环境条件和相变温度下的不同外墙配置。没有确定的最佳温度来最小化建筑墙体的冷热负荷。在本工作所用的条件下，最佳熔化温度为5^oC~35^oC，取决于季节、墙的方向和PCM层的位置。

Zhang等人^[20]评估了熔化温度的最佳值取决于平均室温，平均室温因建筑物和季节而异。这给出了PCM在建筑围护结构中最佳熔化温度的一般结论。

本文对我国典型气候区五个具有代表性的城市采用双层SSPCMs墙板的办公楼外墙瞬态传热进行了数值模拟。本文研究了办公楼内外SSPCM层的可靠熔化温度。本文研究了我国典型气候区办公楼外层最佳熔化温度与室外空气温度的相关性。也研究了我国典型气候区办公楼内层最佳熔化温度与室内空气温度的相关性。在每一种情况下，双层SSPCMs墙板的厚度都会发生变化，以找到最佳的熔化温度，以尽量减少建筑物通过墙体传热所产生的能量需求。本文旨在评价双层SSPCMs墙板在不同气候地区办公建筑中的节能潜力。根据模拟结果，还可以得到10种情况下的最佳熔点，包括熔化温度和厚度。

在接下来的章节中，介绍了在模拟中使用的测试平台和天气概况。接下来是传热模型描述。然后，对不同案例的研究结果进行了介绍和讨论，并对主要的研究结论进行了总结。

2.测试平台和天气概况

本文提出了一种适用于全年应用的新型SSPCMs墙板。本研究采用石蜡为主体，高密度聚乙烯/膨胀石墨为添加剂组成的SSPCM。复合石蜡的质量分数为80%。复合石蜡由固体石蜡和液体石蜡组成的。通过改变固体石蜡和液体石蜡的比例来获得所需的熔点。高密度聚乙烯的质量分数为15%，熔化时可保持固态，无泄漏。膨胀石墨的质量分数为5%，可提高石蜡的热导率。

在武汉某空调办公楼(北纬30.52^o，东经114.32^o)，将两种不同热物理性能的SSPCM集成到普通混凝土墙体中。在这两个模拟房间里，假设一个恒定的COP，分体式恒温空调机被放置以供冷/供暖。通过对TRNSYS 16型空调系统的数值研究，分析了两个房间在空调系统下的建筑运行能量性能。本研究探讨了双层SSPCMs墙板在带有空调系统的办公楼中的合理利用方法。它目的是降低空调系统的建筑运行能耗，并在夏热冬冷的建筑中保持室内的热舒适性。

图1.中国五个代表性的城市

如图1所示，选取了五个具有代表性的城市作为中国的典型气候区，包括严寒地区(I区：哈尔滨，45.75^oN，126.63^oE)，寒冷地区(区域II：北京，39.92^oN，116.42^oE)，夏热冬冷地区(地区III：武汉，30.52^oN，114.32^oE)，夏热冬暖地区(Ⅳ区：广州，23.17^oN，113.23^oE)和温和地区(V区：昆明，25.05^oN，102.73^oE)。模拟天气剖面数据是基于Meteonorm软件的TM2文件。五大城市夏季和冬季南墙的室外温度和太阳辐射从图2-11中显示出来。空调运行周期因气候地区不同而变化。时间表被列于表1中。

图2.哈尔滨夏季天气概况

表1 典型城市空调运行时间表

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