相变材料在夏热冬冷地区建筑围护结构中应用的性能研究

孙小琴 樊思远 林逸安 涂 航 廖曙光

相变材料在夏热冬冷地区建筑围护结构中应用的性能研究

孙小琴1樊思远1林逸安1涂 航1廖曙光2

（1.长沙理工大学能源与动力工程学院 长沙 410114 2.长沙麦融高科股份有限公司 长沙 410015）

相变材料（Phase change material, PCM）在建筑围护结构中的应用是一种改善室内热环境和居住舒适度的有效方法。为探索相变材料在夏热冬冷地区应用的节能潜力，对比研究了不同相变材料应用方法的节能效果，以能源使用强度（Energy use intensity, EUI）评价不同应用方法的建筑性能，旨在找出最优的应用方法。所用的相变材料以高密度聚乙烯球封装，并嵌入在XPS保温板中，形成XPSPCM板。研究结果表明：在制冷季，将XPSPCM板安装在建筑物墙体内表面时的比其装在建筑物墙体外表面时降低了0.27～0.66kWh/m2，采暖季的降低幅度为0.68～0.88kWh/m2。综合考虑全年工况时，当XPSPCM板安装至建筑物墙体靠近内表面时值最小。以雷达图对比XPSPCM板集中于建筑不同朝向的应用效果，结果显示对于熔点为25℃的相变材料，相变材料集中布置于西向外墙时时建筑能耗最低。

相变材料；建筑墙体；建筑朝向；能源使用强度

0 引言

中国建筑能耗研究报告显示2016年我国建筑能源消费总量为8.99亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20.6%，其中电力和采暖能耗分别占比46%和25%[1]。在建筑能源消费总量中25%的能源用于建筑室内采暖与空调系统，该能耗高于同纬度甚至高纬度发达国家的一倍，对我国的能源节约和可持续发展造成不利影响。

相变材料（Phase change material，PCM）拥有良好的等温蓄放热特性，其在建筑节能领域中的应用已成为国内外学者的研究热点。相变材料在建筑围护结构中应用的节能效果主要受室内外环境和材料性能的影响，如其在夏热冬冷地区的应用可满足夏季室内舒适度要求，但未能有效提高冬季室温[2]。为提高冬季建筑的性能，采用相变温度为20℃的定形相变板可降低室内温度波动65%[3]。

目前相变材料在建筑围护结构中的节能应用研究主要集中于分析不同气候类型和相变材料熔点等对建筑室内温度环境的影响，而相变材料在不同朝向围护结构中的应用对建筑的能源性能亦产生较大的影响[4-6]。各朝向围护结构接收的太阳辐射的差异导致其壁面温度不同，从而影响外墙体中相变材料的蓄放热过程，导致建筑的室内环境以及能源性能变化。本文对比研究相变材料均匀布置于各朝向外墙与集中布置于南向外墙时的能源使用强度（Energy use intensity，EUI），并分析相变材料应用于外墙中的不同位置及不同朝向对建筑能源性能的影响，以EUI为指标评价不同应用方式的节能效果，最终获得相变材料在夏热冬冷地区建筑围护结构中应用的最优方式。

1 研究方法

1.1 建筑模型

选取如图1所示位于长沙的一座轻型建筑为研究对象，建筑占地面积6.25m2（2.5m×2.5m），层高2.4m，顶部为坡度为16.5°的双坡顶，建筑的北向墙带有尺寸为0.9m×2.0m的铝合金门，东向有一扇0.76m×1.04m灰色镀膜单层普通玻璃外窗。

为研究相变材料不同应用方式对建筑性能的影响，建立如图3所示的物理模型1～5，各模型所使用的外墙材料及参数见表1。材料3，4为自制的XPSPCM板，该材料由PCM球和XPS保温板组成，PCM封装在直径为25mm的高密度聚乙烯球壳内，所用的PCM为熔点25℃的石蜡，材料3和材料4中的PCM质量百分比分别为40.3wt.%和66.9wt.%。模型1～3的外墙材料从外到内分别为表1中的1225，1235和1325，模型4，5则是在模型1的基础上，将其南向外墙的材料分别改为1245和1425。模型2～5所含相变材料的质量均为4.56kg，相变材料在外墙中的位置各不相同，其中模型2和3的相变材料分别均匀布置于四个朝向外墙的内侧和外侧，模型4和5的相变材料分别集中布置于南外墙的内侧和外侧。

图1 轻型围护结构建筑

图2 建筑物理模型

图3 模型1～5的外墙结构

表1 墙体材料及参数

1.2 模拟参数

采用Energyplus建筑能耗模拟软件对五个模型进行模拟，物理模型如图2所示。模拟气象参数来源于中国气象数据CSWD中的长沙气象参数文件，长沙是典型的夏热冬冷地区，全年温度变化范围为-3.2～38.2℃，夏季太阳辐射强度较大，其全年室外干球温度与太阳辐射数据如图4所示。各模型的全年制冷时段与采暖时段的室内空调温度分别设定为26℃和20℃，EER与COP分别设定为4.5和4.0[7]。相变材料的传热过程计算主要依赖于相变材料的焓值-温度的函数关系[8]，该关系由DSC测试取得，所使用石蜡相变材料的焓值-温度曲线坐标点采用式（1）计算。

Δ=C×Δ（1）

其中，Δ是热量，C是相变材料的比热，Δ为温差。

以模型2为研究对象，模拟结果和实测结果如图5和图6所示，其中西向、南向和东向内壁温度模拟值和实测值的平均偏差分别为6.48%，4.05%和8.77%，模拟与实验的室内温度偏差为5.02%。

图4 长沙全年室外温度与辐射强度

图5 内壁温度校核结果

图6 室温校核结果

2 结果与讨论

2.1 相变材料在外墙中的不同位置时的建筑性能

表2为各模型在采暖、制冷两季与全年时段下的与节能率，节能率由式（1）计算。制冷时段时，模型4的节能率最高，其值为3.3%（2.79kWh/m2），模型3的节能率最低，约为1.85%（1.59kWh/m2）。模型4的节能率相对于模型2的节能率提高了0.66%，模型5的节能率相对于模型3的节能率提高了1.12%，说明将相变材料集中布置于南墙的使用效果优于均匀分散布置于各朝向外墙。此外，模型2的节能率大于模型3，模型4的节能率大于模型5，说明将相变材料安装于外墙内侧时建筑性能更优。对于采暖季，各模型的节能率均低于制冷季，但模型4的节能率仍是模型2～5中最高的，其节能量为2.35kWh/m2。模型2～5制冷季与采暖季的节能量分别为1.59～2.79kWh/m2和1.88～2.35kWh/m2，制冷与采暖两季的节能量近似。值得说明的是，采暖季所有模型的均远大于同模型下制冷时段的，这是由于几乎整个采暖季室外气温（见图1）均低于冬季室内空调温度设定值20℃，且各模型外墙的保温性较弱，故采暖季室内热负荷远大于制冷季的冷负荷。

在全年工况中将相变材料集中布置于南向外墙内侧更有利于发挥相变材料对建筑性能的提升作用，且将相变材料集中布置于南墙始终比将等量的材料均匀分散于各面外墙的使用性能更好。

表2 各模型的节能率与EUI

2.2 相变材料在不同朝向外墙中的建筑性能

相变材料应用于建筑中的性能受各种室外气象条件的影响，除室外环境温度的影响外，还受风速、风向、太阳辐射、相对湿度等的影响[9,10]，其中太阳辐射对建筑中相变材料的应用性能影响较大，尤其是在太阳辐射的热量能充分传递至建筑中相变材料时，例如相变材料安装于外墙或特朗勃墙等，长时段较低的太阳辐射与较低的白天室外气温可能导致建筑中的相变材料无法充分熔化蓄热，较高的太阳辐射与较高的夜间室外气温可能导致建筑中的相变材料始终保持在液相而无法有效释放热量。为探究太阳辐射对应用相变材料的建筑性能的影响，选取上述研究中全年节能率最高的模型4为研究对象，分析其在如图7所示的16个朝向下的节能性能。此处建筑的朝向指模型4中带有相变材料的外墙面对的方向。

图7 建筑朝向变更示意图

图8为模型4在16个不同建筑朝向下的雷达图。图8（a）所示的模型4在制冷季不同朝向下的变化幅度Δ制冷=6.88kWh/m2，的最大值与最小值分别为东北向88.17kWh/m2和西向81.29kWh/m2。另外，东向的为81.3kWh/m2与西向81.29kWh/m2的差值仅为0.01kWh/m2，其他朝向下的均明显大于此值。这是因为建筑朝向不同，受太阳辐射的影响室内平均辐射温度（Mean Radiant Temperature，MRT）随之变化，制冷季较低的和采暖季较高的均有利于降低建筑能耗，其中是假设区域中心存在一人员的情况下按照式（2）计算得出[11]。如图9所示，制冷季的最小值为西向的28.3℃，因此西向是制冷季最低的朝向。

图8 不同朝向下的建筑EUI雷达图

图9 室内平均辐射温度

式中，T为平均辐射温度，T为内壁面温度，F为壁面与人之间的角系数。

图8（b）为采暖季雷达图，当相变材料安装于南向外墙时最小，为675.06kWh/m2，西墙的675.12kWh/m2次之。在图8（b）以东、西连线为界的上半部分7个朝向与下半部分7个朝向之间的平均差值为5.68kWh/m2，说明将相变材料集中于“南面外墙”或南向附近更有利于提升建筑性能，这是因为采暖季室外环境气温始终低于所使用的相变材料的熔点25℃，而将带有相变材料的外墙调整至南向附近可以使墙体充分接收太阳辐射为相变材料蓄能，储存的能量可向室内传递，消除部分室内热负荷。

图8（c）为建筑全年的分布，相变材料布置在不同朝向围护结构中的建筑性能存在明显的差异，最大值为东北向的778.09kWh/m2，最小值为西向的756.41kWh/m2，两者之间差值达到21.68kWh/m2。各朝向下的建筑性能具体表现为将带有相变材料的墙体布置于建筑的正东正西正南（数值）三个方向的能耗显著低于其他方向的能耗，以正西方向布置的建筑性能为最优。

3 结论

相变材料在建筑节能中的应用效果受其在围护结构中的应用方式影响，同样的相变材料在不同应用方式中的节能效果存在较大差异。本文对比研究了相变材料布置于建筑围护结构外表面和内表面时的建筑用能变化，结果表明不管是制冷季还是采暖季，将相变材料安装于外墙内表面时的建筑性能要优于将相变材料安装于外墙外表面。此外，将相变材料集中布置于南向外墙时，相对于将等量的相变材料均匀布置于各朝向外墙，单位面积建筑能耗可降低1kWh/m2。对比相变材料在不同朝向建筑围护结构中的应用，夏季制冷工况时，当相变材料集中布置于西向外墙时节能效果最显著；冬季采暖工况时，当相变材料集中布置于南向外墙时节能效果最显著；全年工况时，将相变材料集中布置于西向外墙时最小，相对于将其布置于东北朝向时可降低21.68kWh/m2。

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Performance of the Building Envelopes Enhanced by Phase Change Materials in Hot Summer and Cold Winter Region

Sun Xiaoqin1Fan Siyuan1Lin Yian1Tu Hang1Liao Shuguang2

( 1.School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha, 410114;2.Changsha Maxxom Hi-Tech Co., Ltd, Changsha, 410015 )

The application of Phase Change Materials (PCMs) in building envelopes is an effective way to improve indoor thermal environment and residential comfort. To explore the energy saving potential of PCMs in hot summer and cold winter region, this paper compared the energy saving effects of different PCM application methods. The building performance with various PCM application methods was evaluated using energy use intensity (EUI). The PCM was encapsulated in a high density polyethylene sphere and embedded in an XPS thermal insulation panel, forming XPSPCM boards. The results show that thewas reduced by 0.27～0.66 kWh/m2when the XPSPCM board was installed near the inner surface of building walls during cooling season, compared to the case when XPSPCM board was installed near the outer surface of the building walls. Thereduction in heating season was 0.68～0.88 kWh/m2. For annual thermal performance, the lowestwas achieved when the XPSPCM board was installed to near the inner surface of building walls. In addition, the building performance was better with the PCM concentrated on the south-facing wall than the case with PCM distributed on each wall. For the PCM with a melting point of 25℃, the energy consumption was the lowest when the PCM concentrated on the west-facing walls.

Phase change material; Building wall; Building orientation; Energy use intensity

TU111.4

A

1671-6612（2020）02-191-06

国家自然科学基金（51308051）；湖南省自然科学基金（2019JJ30027）；湖南省湖湘青年英才项目（2017RS3036）；湖南省人才托举工程项目（2017TJQ05）；长沙市杰出创新青年培养计划（kq1802032）

孙小琴（1988.01-），女，博士，副教授，E-mail：xiaoqinsun@csust.edu.cn

2019-05-28