相变蓄热活动遮阳在高校宿舍建筑中的应用研究★

李春莹 赵 帆 唐海达

(1.深圳大学建筑与城市规划学院/本原设计研究中心，广东 深圳 518000；2.江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心，江苏 南京 210036)

1 概述

近年来，高等教育事业发展迅速，全国高校数量和在校学生人数逐年增长。在快速发展的同时，高校的能源和资源消耗量显著增长[1]。据统计，我国大学数量已达2 000余所，在校学生人数达2 300多万，大约消费社会总能耗的8%。数据显示，我国大学生生均能耗、水耗分别是居民人均能耗的4倍和2倍。校园人口密集，建筑数量庞大，用能相对集中，具有巨大的节能潜力[2]。本文探讨一种基于相变蓄热技术的活动遮阳，可广泛用于高校既有宿舍建筑的节能改造。

2 相变材料在建筑节能领域的应用

相变蓄热技术主要是利用相变材料(PCMs)进行能量的储存与释放，是一种高效、绿色、节能的能量利用技术。相变材料具有储能密度大、温度恒定、过程易控制、可以多次重复使用等优点，在太阳能、电力、余热利用等领域有广阔的应用前景。近年来，国内外学者将相变材料用于建筑节能领域，利用相变材料的相变潜热来贮存热量，从而提高建筑围护结构热容，改善室内热环境，能够有效降低建筑能耗并提高舒适度。

王昭俊[3]和李元昊等[4]将相变材料用于建筑墙体，对其传热理论与保温性能进行了理论研究和实验验证，并基于研究结果进行性能分析和结构优化。张存宝[5]和石峰等[6]学者研究了相变材料在建筑屋面中的应用，通过计算机辅助模拟技术，证实将相变材料应用于屋面可降低建筑的制冷负荷，同时改善建筑室内热环境。孙高峰[7]和张国君等[8]研究了双层及三层玻璃的空腔中添加相变材料的相变窗的传热特性，证实其可起到遮阳隔热作用，从而有效降低室内温度，减少空调系统能耗，节约建筑运行成本。刘昌宇[9]将相变材料用于玻璃屋顶，并针对其光热传输特性进行分析。

建筑节能相关研究表明窗户是建筑围护结构热量交换最为显著的部位，其引起的采暖和制冷能量损失往往占到建筑围护结构能耗的一半以上。因此，窗体节能是建筑节能的重要组成部分，其设计应综合考虑室内光、热环境舒适与空调、照明系统能耗等因素。合理设置建筑遮阳构件可阻隔或降低太阳辐射热量进入室内，提高制冷季节的室内热舒适度，减少空调使用，从而有效降低建筑能耗;遮阳构件亦可避免室内眩光问题，使光照分布更加均匀，提高室内光环境舒适度，并减少人工照明的使用，进一步降低建筑能耗。

值得注意的是，前述将相变材料用于窗体的隔热遮阳技术，虽然节能效果较好，但由于相变材料在固体状态时的不透光特性，可能遮挡视野，不利于室内人员观赏室外景观，并影响建筑物的美观性。基于此，本文提出将相变材料用于可调节角度的遮阳构件，安装于新建或既有建筑的窗口上方，从而达到建筑节能目的。相变蓄热活动遮阳板不会影响窗口视野，可广泛用于多气候区高校既有宿舍建筑的节能改造。

3 相变蓄热活动遮阳的工作原理

相变蓄热活动遮阳的提出是基于建筑能耗水平过高等问题提出的：

1)过量的太阳辐射进入室内，可能会引起眩光和窗边人员的不舒适；同时，带来夏季空调制冷负荷的升高，从而消耗大量电能；

2)广泛使用于建筑物外立面的固定和可调节遮阳系统只是将太阳辐射反射和少量吸收，无法有效利用太阳能量；

3)既有研究中所涉及的相变材料窗体在非蓄热状态时多为不透明或者半透明，会遮挡室内人员的视线，且影响建筑物的美观性。

因而，本文提出一种基于相变蓄热的活动遮阳技术，将相变材料用于遮阳板内部夹层，在遮阳的同时，可以有效吸收储存太阳辐射能。在寒冷的冬季夜间，可以利用这部分储存的热能用于室内保温。从而在提高室内环境舒适度的同时，减少采暖能耗。其系统结构与工作原理如图1所示。

白天，当太阳辐射猛烈，此遮阳板与窗口成垂直角度，或者根据需要调整至适当夹角，既可以有效避免眩光，又不会遮挡窗外景观；遮阳板可大幅减少通过窗口进入室内的热量，从而提高室内环境的热舒适，降低空调制冷负荷，有助于节能减排和降低电费开支。同时，遮阳板吸收太阳辐射而温度升高，位于上、下层遮阳面板之间的相变材料夹层发生相变，将多余热量储存起来，并逐渐由固态变为液态。

夜晚，遮阳板的温度高于环境温度，将缓慢向外界放热。在冬季夜间，可利用铰联构件调整遮阳板角度，使其贴近窗玻璃，相变材料夹层将部分储存的热量以对流传热的形式传入室内，起到保温、供暖作用。而夏季夜间周围环境温度较高，可只利用遮阳板的遮阳功能，而不使用保温功能。由以上工作原理可知，这种相变蓄热活动遮阳特别适合用于住宅、宿舍和酒店等全天使用的场所。

4 相变蓄热活动遮阳在高校宿舍建筑的应用

高等学校的宿舍建筑是大学生学习、休闲和休息的重要场所，其室内环境品质直接影响学生们的身心健康，宿舍的照明、采暖和空调制冷能耗也是高等学校能耗的重要组成。近年来，全国多个高校开展针对既有建筑的节能改造工作，所采用的技术手段主要是外墙、屋面、外门窗等围护结构的保温隔热改造等。比较而言，相变蓄热活动遮阳的节能效果显著，施工周期短，材料成本不高，特别适用于针对既有宿舍建筑的节能改造。

相变蓄热活动遮阳板的结构和参数设计，应当综合考虑美观性，窗体高度，当地气候，成本造价等方面。考虑到大学生的身体健康和遮阳构件的使用寿命，相变蓄热活动遮阳板内的相变材料选择至关重要。相变材料应当无毒、无腐蚀性、成本低廉且制造方便，同时，应当具备合适的相变温度，能够满足其功能需要，且具有相对较高的熔化潜热值，从而在相变过程中贮藏或放出较多的热量。

碳原子个数为22、相变温度点为44.4 ℃的石蜡材料可作为活动遮阳内部蓄热材料使用。当遮阳板在日间吸收太阳辐射，温度逐渐升高并达到石蜡材料的相变温度点。此后，石蜡逐渐由固态变为液态，并将大量热量以潜能的形式储存起来。在冬季夜间，可放下遮阳板并贴近窗玻璃，相当于有一层温度约为44.4 ℃的保温板持续不断向室内传递热量，大幅减少室内空气向外界环境散失热量，很好的起到供暖保温的作用。

以尺寸为1.5 m(高)×1.5 m(宽)的典型宿舍窗口为例，设计相变活动遮阳宽度为1.5 m，长度为1.0 m(挑出距离)，其中相变材料层的厚度设计为0.02 m，总体积为0.03 m3。而碳原子个数为22的石蜡材料密度780 kg/m3，熔化潜热为249 kJ/kg。因此，本案例中的相变活动遮阳的相变蓄热量为5 826.6 kJ。在实际工程项目中，可以根据当地的太阳辐射强度和室内热环境调节需要，灵活设计相变材料的夹层厚度，从而获得最为适宜的相变蓄热量。

5 未来研究方向

为更好的发挥相变蓄热活动遮阳的节能与室内环境调节效果，实现其在高校宿舍建筑，以及其他类型建筑中的大规模应用，应当从以下方面展开深入研究：

开展相变蓄热活动遮阳的实验研究，通过对太阳辐射强度、温度、风速、风向等室外气象参数和室内温度、照度分布的现场实测，确定这种新型遮阳的外形、尺寸、外层材料性能、相变材料特性、相变材料夹层厚度等设计参数与室内光、热环境的耦合机理，并进行物理建模。结合不同气候区域的全年气象参数，进行室内空调、照明能耗模拟，并预测室内光、热环境舒适性，进行设计参数的综合优化。

开展不同类型的相变材料遮阳设施研究，将不同特性的相变材料与水平遮阳、竖向遮阳、百叶遮阳、挡板遮阳、综合式遮阳结合起来，研究其遮阳隔热的性能及优化策略。同时，结合建筑物的使用规律，可以考虑将相变材料与中间遮阳(夹在双层玻璃之间的遮阳设施)和内遮阳(位于室内一侧的遮阳设施)相结合，探究其可能的建筑节能和室内环境调节效果，并进行优化。

针对相变蓄热活动遮阳设施的外观优化设计，从而实现与建筑外立面的有机结合，有助实现建筑协调、美观的造型效果。优化设计应从遮阳的形状，表面凸凹、颜色和质地等多个方面入手，结合光、热性能计算和建筑物理环境模拟，遴选兼顾节能和美观的最优设计。继而，开展这种新型遮阳设施的全寿命周期经济效益和环保效益研究，并采取合理措施降低其投资回收期。

6 结论

基于高等学校能源消耗量大，节能任务艰巨的背景，本文创新性的提出相变材料在遮阳装置中的节能应用。其优点主要有：遮阳装置与墙面夹角可调，可根据实时的太阳高度角提供最佳的遮阳效果，同时不影响窗外视野；在冬季的夜晚可根据实际需求减小遮阳构件与墙面之间的夹角，利用白天存储的热量向室内供暖。

相变蓄热活动遮阳的材料成本不高，施工周期短，节能效果显著，且有利于室内光、热环境舒适，特别适用于针对高校既有宿舍建筑的节能改造。在未来，可针对其设计优化、外观设计和经济效益开展深入研究，为其大规模应用提供基础信息和理论支撑。