相變材料對(duì)輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的改善論文
引言
將相變及化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能應(yīng)用在建筑領(lǐng)域（包括建筑空調(diào)和供暖）已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向[1].國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在這方面也做了大量的研究。
Feustel H E 等人[2]用基于有限差分逼近的熱建筑模擬程序數(shù)值評(píng)價(jià)了 PCM 墻板在建筑環(huán)境中儲(chǔ)存潛熱的性能；即利用雙重 PCM 墻板來(lái)提高建筑物的儲(chǔ)熱能力，讓房間溫度在不使用機(jī)械冷卻條件下也可 保 持 在 接 近 舒 適 溫 度 的 上 限 值 . 日 本KANAGAWA 大學(xué)的 Takeshi Kondo 和 TokyoDenki 大學(xué)的 Tadahiko Ibamoto 等人[3]用 95%的十八烷和 5%的十六烷作相變材料，將裝有相變材料的交鍵聚乙烯小球加到石膏板中制備相變墻板，并對(duì)其儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了研究。肖偉等人[4]采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的程序模擬分析了相變板熱物性、表面換熱系數(shù)和用量對(duì)冬季室內(nèi)溫度波動(dòng)的影響，并給出了北京地區(qū)相變內(nèi)隔墻房間的設(shè)計(jì)原則。楊晟等人[5]制備了一種泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，研究了將該復(fù)合材料用作墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的隔熱和調(diào)溫性能。擰∧等人[6]研究了成都地區(qū)相變墻體夏季工況的參數(shù)優(yōu)化及效果分析。
從上述的研究中不難發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者都是將相變材料應(yīng)用于常規(guī)的建筑中，而很少研究相變材料對(duì)輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的改善研究。但隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)如砌塊、混凝土等已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代建筑業(yè)的多樣化和個(gè)性化需求，輕質(zhì)建筑廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)、車站、貨場(chǎng)、裝配式房屋、工地建筑等場(chǎng)合[7,8].因此，對(duì)于相變材料對(duì)輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究具有重要的實(shí)用意義，并為后續(xù)研究提供重要的實(shí)驗(yàn)支撐。
1 相變材料
本實(shí)驗(yàn)采用的相變材料是一種易于與墻體復(fù)合的新型復(fù)合相變材料，它將相變材料永久地封裝于鋁復(fù)合隔膜管中。通常一支管的重量為100~120克，長(zhǎng)約為175mm,寬約為45mm,厚為20~25mm.封裝在管內(nèi)的相變材料無(wú)毒、不可燃，相變潛熱178.5kJ/kg,相變溫度范圍為 18~26℃，密度為1300 ~ 1380kg/m3, 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 相 變 區(qū) 為0.25W/（m·K），固態(tài)液態(tài)區(qū)為 0.5W/（m·K），使用溫度為 0~60℃。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法
為了研究相變材料在輕質(zhì)建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境的應(yīng)用效果，對(duì)兩個(gè)尺寸完全相同的實(shí)驗(yàn)箱體房進(jìn)行了測(cè)試分析，其尺寸均為 800mm（長(zhǎng)）×1000mm（寬）×1300mm（高），其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 0.8mm 厚不銹鋼鋼板+40mm 厚輕質(zhì)聚苯乙烯（EPS）泡沫板+0.8mm 厚的不銹鋼鋼板+8mm 石膏板，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。其中一個(gè)箱體房?jī)?nèi)部復(fù)合管狀相變材料，先將管狀相變材料與箱體房各內(nèi)表面尺寸匹配的石膏板排列固定（如圖 2），然后再安裝固定在箱體房的各內(nèi)表面，使相變材料位于石膏板和內(nèi)表面之間，構(gòu)成復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試地點(diǎn)位于某大樓屋頂完全無(wú)遮擋位置，測(cè)試對(duì)象為兩個(gè)尺寸完全相同的實(shí)驗(yàn)箱體房，如圖 3 所示。箱體房按一致的方向擺放，正門朝東。分別在兩個(gè)箱體房?jī)?nèi)、外壁（頂面在內(nèi)的 5 個(gè)面）中心相同位置和房間中心布置熱電偶，共 22 個(gè)；在南墻內(nèi)壁中心相同位置布置熱流片。所得數(shù)據(jù)通過(guò)巡回檢測(cè)儀自動(dòng)采集，并通過(guò) RS232 接口與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄與輸出。室外溫度通過(guò)JTR13C 室外氣象觀察站進(jìn)行采集。所有測(cè)試時(shí)間間隔設(shè)定為 30min.通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到房間內(nèi)外空氣溫度、熱流量和墻體內(nèi)外表面溫度等數(shù)據(jù)。
其中實(shí)驗(yàn)所用巡回檢測(cè)設(shè)備為北京某公司的JTRG-II 建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)測(cè)試儀。該設(shè)備可以同步實(shí)時(shí)測(cè)量90路T型熱電偶溫度和30路熱流密度，并能根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間間隔自動(dòng)存儲(chǔ)溫度和熱流密度。它的溫度測(cè)量范圍為-20℃~100℃，溫度測(cè)量精度為±0.5℃，溫度分辨率為 0.1℃。測(cè)試所采用的熱電偶為 T 型熱電偶，測(cè)量精度為±0.5℃，測(cè)試前對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。室外溫度采用北京某公司的JTR13C 室外氣象觀察站測(cè)試，溫度測(cè)量范圍-30℃~70℃，溫度測(cè)量精度為±0.5℃。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為了防止外界對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的`干擾，本實(shí)驗(yàn)是在兩箱體房封閉工況下進(jìn)行的測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為2012年 12 月 4 日~2012 年 12 月 13 日。為了更清楚的反應(yīng)冬季不同天氣狀況下相變材料對(duì)輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響，分別從測(cè)試結(jié)果中選擇晴天與陰天進(jìn)行分析。
3.1 晴天結(jié)果分析
2012 年 12 月 5 日是典型的晴朗多云天氣，選用該天分別從室內(nèi)空氣溫度、墻體熱量密度和墻體內(nèi)表面溫度等方面對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。
3.1.1 室內(nèi)空氣溫度變化特點(diǎn)圖 4 為普通箱體和相變箱體在冬季晴朗多云天氣室內(nèi)空氣溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，室外溫度在 2.4~14.8℃之間波動(dòng)，平均溫度為8.3℃，在中午 14:00 達(dá)到最大值；普通箱體室內(nèi)空氣溫度在 1.9~24.5℃之間波動(dòng)，平均溫度為11.5℃，在中午 15:00 達(dá)到最大值；相變箱體室內(nèi)空氣溫度在 4.6~18.3℃之間波動(dòng)，平均溫度為11.3℃，在中午 16:00 達(dá)到最大值。同時(shí)可以看出，在白天相變材料能夠較好的將白天的熱量吸收，以降低室內(nèi)的空氣溫度，而且具有明顯的熱量衰減和溫升延遲效應(yīng)；在夜間相變材料能夠白天吸收的太陽(yáng)輻射熱量進(jìn)行釋放，以提高室內(nèi)的空氣溫度。經(jīng)計(jì)算，相變箱體和普通箱體溫度延遲時(shí)間分別為1h 和 2h,白天相變箱體室內(nèi)空氣溫度比普通箱體室內(nèi)空氣溫度最大低 7.6℃，夜間相變箱體室內(nèi)空氣溫度比普通箱體室內(nèi)空氣溫度最大高 4℃。這說(shuō)明冬季晴朗天氣將相變材料應(yīng)用在板房中能夠明顯維持室內(nèi)空氣溫度的穩(wěn)定性和改善室內(nèi)的熱環(huán)境。
3.1.2 墻體內(nèi)表面溫度變化特點(diǎn)對(duì)于墻體的分析，主要選擇具有典型性的南墻內(nèi)表面。圖 5 為相變箱體和普通箱體南墻內(nèi)表面溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，由于相變材料能夠在白天吸收儲(chǔ)存太陽(yáng)房輻射量，夜間釋放白天吸收的熱量，所以相變箱體南墻內(nèi)表面溫度要低于普通箱體南墻內(nèi)表面溫度，而夜間恰恰相反。經(jīng)計(jì)算，夜間相變箱體南墻內(nèi)表面溫度比普通箱體南墻內(nèi)表面溫度最大高 4.4℃，白天相變箱體南墻內(nèi)表面溫度比普通箱體南墻內(nèi)表面溫度最大低 9℃。
3.1.3 通過(guò)墻體熱流密度變化特點(diǎn)圖 6 為相變箱體和普通箱體南墻的熱流變化曲線圖。從圖中可以看出，通過(guò)普通箱體南墻的熱流密度在 0.2~28.1W/m2之間內(nèi)波動(dòng)，平均值為7.6W/m2;相變墻體南墻的熱流密度在 1.1~12.4W/m2之間內(nèi)波動(dòng)，平均值為 5.4W/m2.在相同的室外環(huán)境下，白天通過(guò)相變箱體墻體的熱流量要明顯的低于普通箱體墻體的熱流量，最大相差19.7W/m2;而夜間通過(guò)相變箱體墻體的熱流量要高于普通箱體墻體的熱流量，最大相差 2.9W/m2.這主要是由于相變材料白天吸收存儲(chǔ)太陽(yáng)輻射熱量，夜間進(jìn)行釋放，同時(shí)說(shuō)明冬季晴朗的天氣下相變材料能夠在白天很好的吸收儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射熱量，夜間進(jìn)行釋放，以防止白天室內(nèi)空氣溫度過(guò)高，夜間室內(nèi)空氣溫度過(guò)低的現(xiàn)象。
3.2 陰天結(jié)果分析
由于陰天太陽(yáng)輻射熱量很低，相變材料基本發(fā)揮不了任何儲(chǔ)熱放熱的功能，只起到增加墻體厚度和單存的保溫性能，這里主要分析其對(duì)板房冬季室內(nèi)空氣溫度的影響。選用 2012 年 12 月 8 日作為陰天分析。
圖 7 為普通箱體和相變箱體在冬季陰天室內(nèi)空氣溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，由于陰天太陽(yáng)輻射量很小，使得普通箱體室內(nèi)空氣溫度、相變箱體室內(nèi)空氣溫度和室外空氣溫度基本上是一致的，特別是普通箱體室內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度，三者的平均值分別為 9.6℃、10.1℃和 9.7℃。
相變箱體室內(nèi)空氣溫度稍微平穩(wěn)和滯后一些，這主要是相變材料增加了墻體的厚度造成的。這說(shuō)明冬季陰天將相變材料應(yīng)用在板房中基本上只能是增加墻體厚度的作用，不能起到調(diào)節(jié)板房室內(nèi)熱環(huán)境的作用。
4 結(jié)論
通過(guò)冬季不同天氣狀況下相變材料對(duì)輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的對(duì)比測(cè)試分析，得到以下結(jié)論：
（1）晴天，相變材料能夠明顯的降低輕質(zhì)建筑室內(nèi)溫度的波動(dòng)，增強(qiáng)房間的熱穩(wěn)定性，特別是在夜間對(duì)于室內(nèi)空氣溫度將有較大的提高，最大達(dá)4℃；同時(shí)，對(duì)于通過(guò)墻體的熱量來(lái)說(shuō)，相變材料能在白天吸收存儲(chǔ)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量，而在夜間能將這部分熱量很好的釋放到房間內(nèi)。
（2）陰天，將相變材料應(yīng)用在輕質(zhì)建筑中的作用不是很大，只是相當(dāng)于增加墻體的厚度，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善意義不大。
�。�3）對(duì)于相變材料來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量在多云晴朗太陽(yáng)輻射量大的地區(qū)使用，充分發(fā)揮其儲(chǔ)熱和放熱的功能。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張寅平，相變貯能-理論和應(yīng)用[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1996.
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