相变蓄热围护结构实验研究

■ 叶 海 Ye Hai 程 俊 Cheng Jun

相变蓄热围护结构实验研究

■ 叶 海 Ye Hai 程 俊 Cheng Jun

文章阐述相变材料在建筑围护结构中的几种应用，介绍相变材料墙体实验室，通过对比实验，测试相变材料对墙体蓄热性能的影响。经过实验数据分析，总结相变材料的应用效果及存在的一些问题，对相变温度的选择做出定性判断，对相变蓄能在建筑中的应用前景和研究方向进行预测。

相变材料；围护结构；蓄热性能

1 建筑蓄热的概念

建筑蓄热是指建筑自身吸收、存储和释放热量的性能，既包括蓄热能力也包括蓄冷能力。建筑蓄热必须采用蓄热体，即热容量较大的材料，如石块、混凝土、土坯等。建筑蓄热体对室内环境温度可以起到一定的调节作用，在环境温度较高时，蓄热体暂时性吸收和储存热量，然后在环境温度降低的时候逐渐释放出来。这样不仅减小了室内环境温度的波动，也延缓了室内温度的峰值时间。利用建筑自身的蓄热蓄冷能力，可以避免室内温度波动过于剧烈，提高室内热舒适性，降低空调能源消耗，是被动式节能技术的重要手段之一[1]。

2 建筑蓄热的几种方法

集热墙蓄热是目前采用比较多的典型建筑蓄热应用方式，其核心是集热蓄热墙体，即特朗勃墙（Trombe Wall）。它一般以南向重质墙体作为集热蓄热墙，厚度300mm左右，多采用混凝土、砖、夯土等，墙体外表面外涂或外贴一层黑色或深色的高吸收且低反射率材料，以提高集热能力。墙体外罩一层玻璃板，并与墙体之间留有100mm空隙，形成空气夹层。墙体和玻璃板的上、下部设置风口。根据需要控制风口的开启或关闭，达到控制热量进入室内或者排出室外的目的（图1(1)）。特朗勃墙相对来说蓄热稳定，易于控制，温度波动小，室内热舒适性高，但也存在着在阴天不利、夏天容易过热的情况。

卵石床蓄热是以卵石为蓄热材料，以对流环路的方式实现室内冷暖空气的流动，从而改善室内温度。与位于南墙下方的建筑一体化空气集热器不同，卵石床蓄热一般置于地下室。白天的太阳辐射能经空气集热器吸收后全部贮存在卵石床中，由于卵石的高蓄热能力，这些能量可在夜间温度降低时候释放出来，加热空气。与此同时，房间内的冷空气在热压的作用下流经卵石床，再被其加热，形成一个室内微循环，从而使房间升温（图2）。为加快空气循环流动和能量传递，该系统运行要使用一定量的设备，如小功率的风机等[2]。

特朗勃墙与卵石床的使用都受到建筑结构的较大限制，主要用于住宅。公共建筑的蓄热蓄冷可以结合空调系统的运行达到较好的效果[3]。图3左侧是传统空调运行模式，右侧则是蓄热蓄冷运行模式。建筑物采用重质混凝土结构，在夏季夜间用电低谷开启空调系统，通过冷空气对混凝土结构进行冷却。这样白天在工作时间，空调系统与建筑结构蓄冷共同作用，可维持舒适的室内温度。利用结构蓄冷，不仅可以利用夜间的廉价电力，避免白天用电高峰的电力紧张状况，也可以减少空调设备的容量，降低初投资。

图1 相变特朗勃集热墙

图2 卵石床蓄热

图3 结构蓄热节省空调能耗

3 相变材料蓄热

蓄热材料因受热发生温度变化，从而将热量存储起来称为显热蓄热。显热蓄热以其简单的原理、丰富的材料来源、低廉的成本和成熟的技术，被最早提出并在建筑节能及其他领域得到普遍运用和推广。但是在蓄热和释能时，材料的温度变化比较大，热流也比较不稳定。一般地，显热蓄热材料的密度都比较大，若要保证存储相当数量的热量，所需要蓄热材料的质量就比较大。目前，大部分建筑的蓄热方式还是以此类为主。常用的显热蓄热材料主要有水、岩石、土壤、陶瓷、混凝土等。一般建筑为保证足够的蓄热能力，则要求蓄热材料有足够大的比热容和密度。

相变蓄热，也就是潜热蓄热。有些物质在吸热或放热的过程中，伴随着物理状态的变化，这一变化过程称之为相变，对应的材料称之为相变材料(PCM)。相变蓄热就是利用这一原理，依靠相变材料的相变过程来实现能量的存储和释放的。相变材料在发生物理状态变化的过程中，材料本身的温度基本保持在一定的范围内，且吸收和释放的热量要比显热蓄热材料要大得多，有较高的能量密度。正是基于此，相变蓄热方式在建筑节能上才有较大的价值[4]（图4）。

为了提高建筑围护结构的蓄热能力，可在建筑围护结构中设置相变材料，形成相变蓄热式建筑围护结构（图5），使用少量的相变材料就可以大大增加围护结构的蓄热能力[5]。相变材料的种类虽然很多，但是能够应用到建筑中的相变材料需要满足以下要求：①相变温度接近人体舒适温度；②具有足够大的相变潜热；③相变的可逆性好，使用寿命长；④相变时膨胀或收缩性要小；⑤无毒、无腐蚀性、不燃、不污染环境；⑥制作原料价廉易得；⑦易与建筑材料相容，不影响建筑材料的机械性和强度。

但事实上，几乎没有哪种相变材料能够满足以上所有要求。在实际应用中，选择相变材料主要是看其相变温度和相变潜热是否合适，然后再采用相应的技术手段去克服其不足之处。总体来说，目前常用在建筑中的相变材料主要有结晶水合盐类、石蜡、多元醇、羧酸、酯、高分子聚合物等。我国地域辽阔，各地气候也大不相同，因此，在选择时要根据当地气候对空调和采暖能耗的要求来确定合适的相变材料。

图4 相变材料与显热蓄热储能密度对比

图5 相变蓄热建筑围护结构的几种应用形式

图6 相变玻璃砖加工

4 相变墙体实验室简介[6]

相变材料如何与建筑材料相结合是一个较大的难题，目前主要有浸渍法、直接混合法和微封装法三种方法，但都存在着一定问题。

本文采用了一种新方法，以玻璃砖作为相变材料的容器，既可以直接利用现有的建材而不需要做太大的改变，又可以直观看到相变材料的变化过程。中空玻璃砖尺寸为190mm×190mm×50mm，在玻璃砖上方钻开一个直径2cm的圆孔，将相变材料加热成液体后充入（图6）。考虑到材料相变的体积变化，上方保留一定的空隙，然后再将圆孔封闭。玻璃砖空腔厚度约30mm，每片玻璃砖净容积约1L。

填充到玻璃砖中的相变材料分两种，一种代号MG19，主要成分是脂肪酸有机化合物，相变温度为19℃，相变潜热值140kJ/kg，密度为900kg/m3；另一种代号CT26,主要成分为无机氯化钙水溶液，相变温度为26℃，潜热值180kJ/kg，密度为1 500kg/m3。用填充有相变材料的玻璃砖在实验室内砌筑了一面内墙，将实验室分隔为2个独立的空间，整体墙体效果如图7。玻璃砖横向28列，竖向14层，墙体尺寸5 480mm×2 730mm。中间嵌有55块未填充的空心玻璃砖，构成“C”“A”“U”“P”4个字母。其中，装有19℃相变材料的玻璃砖置于上7层，共166块；装有26℃相变材料的玻璃砖置于下7层，共171块。

相变玻璃砖墙体安装在文远楼底层实验室的南侧，墙体两侧各有一扇玻璃门，玻璃门上下方均有可开启的小窗。墙体隔开的2个室内空间有独立的空调系统，可以根据实验需要分别控制温度。

图7 相变材料墙体

图8 测点布置图

图9 温度变化对比图

5 相变蓄热实验

为了测试相变围护结构的蓄热效果，选取了本实验室和同层的一房间进行对比测试。利用温湿度自记仪，每隔5min自动记录温度的变化，测点布置见图8。各区域垂直方向均布置3个测试点，取各测点温度平均值代表该区域温度，避免温度梯度带来的影响。测试过程中，房间均为无人使用状态。

数据记录的时间为2014年12月20日至23日。由于气温低于材料的相变温度，相变墙体无法发生相变，需要开启空调系统供热，主动使墙体发生相变。两房间的空调系统末端（立式风机盘管）均位于窗台下方。实验大致可区分为a、b、c、d、e五个阶段。其中，a、c阶段为早上9∶00左右开启空调系统，房间温度逐渐升高，同时相变墙体也缓慢液化贮存热量；b、d阶段为晚上21∶00左右关闭空调系统，房间温度逐渐降低，相变墙体开始释放热量；e阶段对比房间开启过1次空调系统，相变墙体房间未再开启空调。对实验过程自动按照一定时间间隔拍照，仅相变温度19℃的材料发生了相变（图9、10）。从15∶30～23∶30，在供热系统的作用下，玻璃砖内的相变材料逐渐液化，在23∶30～00∶00，相变材料基本处于完全相变状态，呈现为液体。在00∶00～10∶30，由于房间温度受室外温度的影响，温度开始骤降，相变材料开始放热，表现为逐渐凝固。可见，从房间21∶00最高温度到相变材料00∶00最大液化状态，传热过程有3h左右的延迟。

从图9可以看出，两房间的温度变化存在明显差异。b阶段有相变材料作用的房间从20.7℃降到17.9℃，波动2.8℃；普通对照房间则从20.5℃降到14.1℃，波动6.4℃。第二天因室外降温明显，最低温度接近2℃，室内温度波动也加大：d阶段相变墙体房间从20.9℃降到16.0℃，波动4.9℃；普通对照房间更是从21.0℃降到13.2℃，波动7.8℃。相变材料有明显稳定室内温度的作用，且2d中，在相变墙体蓄热作用下，房间温度比普通房间温度分别高3.8℃与2.8℃。e阶段的结果表明，普通房间在关闭空调系统后温度急剧降低，甚至低于没有开启空调系统的相变墙体房间，相变墙体的蓄热效果持续体现。

图10 相变材料的部分变化过程

6 结论与展望

以上实验证明，利用相变材料可以获得满意的蓄热效果。目前，相变材料在建筑中的应用并不多见，原因是多方面的。对于材料本身的成本、相变温度的稳定性等问题，相信随着材料技术的进步会逐步得到解决；而如何让相变材料与建筑结构相结合，还需要持续研究。若要在建筑围护结构中发挥相变材料的蓄热作用，一种思路是直接利用室外温度波动或太阳辐射，实现相变材料的蓄热相变，此时需要有较大的日较差；若要获得全年最佳的综合蓄热节能效果，还需考虑供热和空调系统的使用时间，一般相变材料的温度接近当地的年平均温度为宜。另一种思路是利用供热空调系统驱动相变材料相变蓄热，如在夜间的用电低谷开启供热或空调系统，可以节省电费，减小设备容量降低初投资。

利用相变材料，还可以对传统的蓄热结构进行改进，如相变玻璃砖集热墙（图1）。相变材料的蓄热作用使相变玻璃砖墙可代替传统的特朗勃集热墙中的重质墙体，同时也突破了重质墙体在采光上的缺陷。相比传统的特朗勃集热墙，玻璃砖集热墙极大地提高了蓄热能力，减少了材料的使用，可适应轻质建筑的发展需求；同时，适当结合建筑设计还可满足采光或视线的需求，光影也会随着相变过程呈现丰富的变化。

[1]程俊,叶海. 绿色建筑相变蓄热应用研究[D]．同济大学硕士学位论文, 2016．

[2]程俊,叶海. 绿色建筑中的相变蓄能应用研究[C]．2015国际绿色建筑与建筑节能论文集, 2015．

[3]松尾阳. 躯体蓄热[M]. 东京:オーム社/出版局, 2007.

[4]张雄,张永娟. 建筑节能技术与节能材料[M]. 北京:化学工业出版社, 2009.

[5]周国兵. 自然能源·相变蓄能·建筑节能[M]. 中国建筑工业出版社, 2013.

[6]钱锋. 文远楼建筑节能实验室相变墙体应用效果分析[J]. 建筑科学. 2014, 30(8): 60-67.

Experiment and Research on Phase Change Heat Storage Enclosure Structure

This paper expounds several kinds of application of phase-change materials (PCM) in building enclosure structure, introduces PCM wall laboratory and tests the influence of the PCM on heat storage performance of the wall through comparative test. By analyzing the test data, it summarized the application result and some existing problems of the PCM, made qualitative determination on selection of phase-change temperature as well as predicted the application prospect of phase-change energy storage in building and the research direction.

PCM, enclosure structure, heat storage performance

2016-10-09）

本课题由高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室自主与开放课题资助。

叶海，工学博士，同济大学建筑与城市规划学院副教授；程俊，同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生。