相變材料對輕質建筑室內熱環境的改善論文
引言
將相變及化學反應儲能應用在建筑領域（包括建筑空調和供暖）已經成為一個研究的熱點和重點方向[1].國內外很多學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值評價了 PCM 墻板在建筑環境中儲存潛熱的性能；即利用雙重 PCM 墻板來提高建筑物的儲熱能力，讓房間溫度在不使用機械冷卻條件下也可 保 持 在 接 近 舒 適 溫 度 的 上 限 值 . 日 本KANAGAWA 大學的 Takeshi Kondo 和 TokyoDenki 大學的 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，并對其儲熱性能進行了研究。肖偉等人[4]采用經實驗驗證的程序模擬分析了相變板熱物性、表面換熱系數和用量對冬季室內溫度波動的影響，并給出了北京地區相變內隔墻房間的設計原則。楊晟等人[5]制備了一種泡沫石墨/石蠟復合相變儲熱材料，研究了將該復合材料用作墻體圍護結構時的隔熱和調溫性能。擰∧等人[6]研究了成都地區相變墻體夏季工況的參數優化及效果分析。
從上述的研究中不難發現，大多數學者都是將相變材料應用于常規的建筑中，而很少研究相變材料對輕質建筑室內熱環境的改善研究。但隨著建筑行業的迅猛發展，傳統的重質圍護結構如砌塊、混凝土等已經不能滿足現代建筑業的多樣化和個性化需求，輕質建筑廣泛應用于體育場、車站、貨場、裝配式房屋、工地建筑等場合[7,8].因此，對于相變材料對輕質建筑室內熱環境的研究具有重要的實用意義，并為后續研究提供重要的實驗支撐。
1 相變材料
本實驗采用的相變材料是一種易于與墻體復合的新型復合相變材料，它將相變材料永久地封裝于鋁復合隔膜管中。通常一支管的重量為100~120克，長約為175mm,寬約為45mm,厚為20~25mm.封裝在管內的相變材料無毒、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 熱 系 數 相 變 區 為0.25W/（m·K），固態液態區為 0.5W/（m·K），使用溫度為 0~60℃。
2 實驗系統與方法
為了研究相變材料在輕質建筑冬季室內熱環境的應用效果，對兩個尺寸完全相同的實驗箱體房進行了測試分析，其尺寸均為 800mm（長）×1000mm（寬）×1300mm（高），其外圍護結構采用 0.8mm 厚不銹鋼鋼板+40mm 厚輕質聚苯乙烯（EPS）泡沫板+0.8mm 厚的不銹鋼鋼板+8mm 石膏板，結構如圖 1 所示。其中一個箱體房內部復合管狀相變材料，先將管狀相變材料與箱體房各內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表面，使相變材料位于石膏板和內表面之間，構成復合圍護結構。實驗測試地點位于某大樓屋頂完全無遮擋位置，測試對象為兩個尺寸完全相同的實驗箱體房，如圖 3 所示。箱體房按一致的方向擺放，正門朝東。分別在兩個箱體房內、外壁（頂面在內的 5 個面）中心相同位置和房間中心布置熱電偶，共 22 個；在南墻內壁中心相同位置布置熱流片。所得數據通過巡回檢測儀自動采集，并通過 RS232 接口與計算機相連，實現數據的實時記錄與輸出。室外溫度通過JTR13C 室外氣象觀察站進行采集。所有測試時間間隔設定為 30min.通過實驗測試得到房間內外空氣溫度、熱流量和墻體內外表面溫度等數據。
其中實驗所用巡回檢測設備為北京某公司的JTRG-II 建筑熱工溫度與熱流自動測試儀。該設備可以同步實時測量90路T型熱電偶溫度和30路熱流密度，并能根據存儲時間間隔自動存儲溫度和熱流密度。它的溫度測量范圍為-20℃~100℃，溫度測量精度為±0.5℃，溫度分辨率為 0.1℃。測試所采用的熱電偶為 T 型熱電偶，測量精度為±0.5℃，測試前對其進行校準。室外溫度采用北京某公司的JTR13C 室外氣象觀察站測試，溫度測量范圍-30℃~70℃，溫度測量精度為±0.5℃。
3 實驗結果與分析
為了防止外界對實驗結果的干擾，本實驗是在兩箱體房封閉工況下進行的測試，測試時間為2012年 12 月 4 日~2012 年 12 月 13 日。為了更清楚的反應冬季不同天氣狀況下相變材料對輕質建筑室內熱環境的影響，分別從測試結果中選擇晴天與陰天進行分析。
3.1 晴天結果分析
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空氣溫度、墻體熱量密度和墻體內表面溫度等方面對測試結果進行分析。
3.1.1 室內空氣溫度變化特點圖 4 為普通箱體和相變箱體在冬季晴朗多云天氣室內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，平均溫度為8.3℃，在中午 14:00 達到最大值；普通箱體室內空氣溫度在 1.9~24.5℃之間波動，平均溫度為11.5℃，在中午 15:00 達到最大值；相變箱體室內空氣溫度在 4.6~18.3℃之間波動，平均溫度為11.3℃，在中午 16:00 達到最大值。同時可以看出，在白天相變材料能夠較好的將白天的熱量吸收，以降低室內的空氣溫度，而且具有明顯的熱量衰減和溫升延遲效應；在夜間相變材料能夠白天吸收的太陽輻射熱量進行釋放，以提高室內的空氣溫度。經計算，相變箱體和普通箱體溫度延遲時間分別為1h 和 2h,白天相變箱體室內空氣溫度比普通箱體室內空氣溫度最大低 7.6℃，夜間相變箱體室內空氣溫度比普通箱體室內空氣溫度最大高 4℃。這說明冬季晴朗天氣將相變材料應用在板房中能夠明顯維持室內空氣溫度的穩定性和改善室內的熱環境。
3.1.2 墻體內表面溫度變化特點對于墻體的分析，主要選擇具有典型性的南墻內表面。圖 5 為相變箱體和普通箱體南墻內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存太陽房輻射量，夜間釋放白天吸收的熱量，所以相變箱體南墻內表面溫度要低于普通箱體南墻內表面溫度，而夜間恰恰相反。經計算，夜間相變箱體南墻內表面溫度比普通箱體南墻內表面溫度最大高 4.4℃，白天相變箱體南墻內表面溫度比普通箱體南墻內表面溫度最大低 9℃。
3.1.3 通過墻體熱流密度變化特點圖 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，通過普通箱體南墻的熱流密度在 0.2~28.1W/m2之間內波動，平均值為7.6W/m2;相變墻體南墻的熱流密度在 1.1~12.4W/m2之間內波動，平均值為 5.4W/m2.在相同的室外環境下，白天通過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太陽輻射熱量，夜間進行釋放，同時說明冬季晴朗的天氣下相變材料能夠在白天很好的吸收儲存太陽輻射熱量，夜間進行釋放，以防止白天室內空氣溫度過高，夜間室內空氣溫度過低的現象。
3.2 陰天結果分析
由于陰天太陽輻射熱量很低，相變材料基本發揮不了任何儲熱放熱的功能，只起到增加墻體厚度和單存的保溫性能，這里主要分析其對板房冬季室內空氣溫度的影響。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空氣溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，由于陰天太陽輻射量很小，使得普通箱體室內空氣溫度、相變箱體室內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℃。
相變箱體室內空氣溫度稍微平穩和滯后一些，這主要是相變材料增加了墻體的厚度造成的。這說明冬季陰天將相變材料應用在板房中基本上只能是增加墻體厚度的作用，不能起到調節板房室內熱環境的作用。
4 結論
通過冬季不同天氣狀況下相變材料對輕質建筑室內熱環境的對比測試分析，得到以下結論：
（1）晴天，相變材料能夠明顯的降低輕質建筑室內溫度的波動，增強房間的熱穩定性，特別是在夜間對于室內空氣溫度將有較大的提高，最大達4℃；同時，對于通過墻體的熱量來說，相變材料能在白天吸收存儲進入室內的太陽輻射量，而在夜間能將這部分熱量很好的釋放到房間內。
（2）陰天，將相變材料應用在輕質建筑中的作用不是很大，只是相當于增加墻體的厚度，對室內熱環境的改善意義不大。
（3）對于相變材料來說，應盡量在多云晴朗太陽輻射量大的地區使用，充分發揮其儲熱和放熱的功能。
參考文獻：
[1] 張寅平，相變貯能-理論和應用[M].北京：中國科學技術大學出版社，1996.
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