近零能耗建筑中新型相变供暖方式研究

张喜明，王俊莛，陶 进

1吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130018

2吉林建筑科技学院,长春 130114

近年来,“碳”已然成为了热门话题.建筑节能对我国达成“碳达峰,碳中和”的“双碳”目标具有重要意义[1].从1986年始至今,我国的建筑节能已经完成了由30 %～65 %的跨越.但在建筑用能上未能做到用能“均衡”.传统的建筑节能理念都在保温上,建筑储能、余热利用、主动节能并未得到充分的重视[2],“碳达峰,碳中和”的实现需要大量的清洁能源的使用,电能首当其冲.相变材料在建筑领域的应用是减少建筑能耗的一种重要方式,缪文娟[3]研究了二氧化硅相变微胶囊的设计、优化制备即性能调控;刘晓[4]制备了MA-TD/SiO2相变储能微胶囊,得到了适宜建筑应用的相变材料;黄泓卫[5]制备了相变微胶囊/硅藻土复合材料,并用数值模拟得出该相变材料应用于建筑领域的节能效率；Drissi S等[6]人应用BASF制备的有机相变微胶囊,测试了该材料储能密度等各项性能,并确定了损伤相变微胶囊对热响应的影响;Juan Bohorquez-Ordenes等[7]人以一个住宅为例,设计使用PCM的被动系统可以降低空调系统能耗,提高建筑能源效率.

以上研究均应用了相变材料在建筑领域使用的优越性,但缺少建筑主动节能理念.低能耗建筑是未来的发展趋势,高质量发展村镇建筑要求具有良好的建筑节能,因此，建筑相变蓄能具有广阔的应用前景,其运行优势会更加明显.近零能耗建筑与相变蓄热的结合,既补充了建筑主动节能理念的空缺,又考虑到了建筑的被动保温.本课题研究完全采用清洁能源电能进行供暖,应用复合相变材料加入建筑围护结构中,用两个客观条件完全相同的房间,通过对比实验结果,分析得出相变材料在近零能耗建筑中的应用优势.

1 近零能耗建筑概况

该近零能耗建筑属学校类公共建筑[8],建筑面积约1 200 m2,层高3.3 m,建筑采用高性能外围护结构与气密性设计,并对外窗、外墙以及各进出管道做了无热桥处理,且对建筑物的各个角落都采用密封材料与配件隔绝传热,达到近零能耗建筑的高气密性与优秀的保温性能.

供能与储能相结合,对缓解用电高峰压力、改变和优化能源结构展现出较强的优势.相变材料在建筑储能上的应用可以减少化石能源与一次能源的消耗,进而使碳排放量大大下降[9].在围护结构中加入相变材料可以升高建筑内的温度谷值,降低峰值,平衡室内的温度波动,提高人体舒适度[10].

(1) 外墙采用复合式外保温系统,由80 mm岩棉、140 mm苯板、50 mm保温砂浆和外饰面构成外围护墙体,平均传热系数k<0.2 W/m2·K[8]；屋面保温层厚300 mm,屋面平均传热系数k<0.1 W/m2·K；一层地面沿建筑底层墙体内侧2 m范围内铺设苯板,平均传热系数k<0.1 W/m2·K.

(2) 该建筑外窗采用铝木复合型高保温性能窗,使得外窗的传热系数k≤0.8 W/m2·K;外门同样采用铝木复合型门,传热系数k≤0.8 W/m2·K.

“被动优先、主动优化”建筑节能新原则,对任何改善建筑供能措施来说都是极为重要的前提条件.如果建筑节能不到位,任何供暖形式都将显得无能为力.本研究建立在近零能耗建筑基础上,采用具有高潜热优势的相变蓄热供暖形式,将能有效提高建筑能源的利用率,大大延迟室温保持时间,提高供暖的舒适性.

2 新型相变供暖方式设计

2.1 系统设计方案

该近零能耗建筑属学校类公共建筑,人员活动时间为8∶30～17∶30,在此时间内要达到供暖规范的室内温度要求18 ℃～24 ℃[11],其余时间内应达到室内值班采暖要求5 ℃.新型相变供暖系统设计采用相变墙面加相变踢脚线制成的室内墙体围护结构,同时将加热电缆镶嵌在混有相变蓄热材料的墙面或踢脚线内,利用清洁能源(电能)与相变材料的特性相结合的优势,降低运行成本与控制碳排放.

如图1，图2所示,在相变材料内布置多个温度测点,可以实时监测并记录墙面内部的温度,在铺设电缆前,先在其底面铺设隔热保温板,以保证相变围护结构所产生的热量都向室内传递,在保温板表面敷设30 mm的复合相变材料.加热电缆采用螺旋迂回布置方式嵌入材料内,加大传热面积,加快相变材料吸收热量,也使相变材料表面温度更加均匀.

图1 相变墙面及踢脚线设计Fig.1 Design of phase change wall and footline

图2 加热电缆布置及铺设方式Fig.2 Arrangement and laying of heating cables

2.2 材料的选择

低能耗建筑中材料的使用对于抗压性、防火性、安全性、环保性都有一定要求,相变材料选择根据以下原则:① 材料潜热量大,能够储存较大的热能；② 相变的过程可逆,过冷度低,膨胀收缩度小；③ 能满足所需的相变温度；④ 材料成本低无毒无害,无腐蚀性,制造方便.

围护结构发生相变时不能成为液态状,故选用有机相变微胶囊+SiO2+水泥混合制成复合相变材料,SiO2和水泥混合的界面结合严密,加强了相互之间的应力,可以有效地防止材料发生热形变.综合考虑选用国内某公司相变温度为28 ℃的可降解油脂类有机相变微胶囊材料产品.

情况 6 设d(v)=8,则f3(v)≤⎣」=4,且ch(v)=8-4=4。由权转移规则知8-点转给3-点,3-面权值,当8-点作为三角形的外邻点时也转给三角形权值。

2.3 材料样品测试

2.3.1 稳定性测试

微胶囊材料的热稳定性可以通过DSC和T-history方法加以测定,但经60 000多次以上循环相变微胶囊材料中仍然存在着相当的转变温度和储能密度.相变材料技术参数见表1.

表1 相变材料技术参数Table 1 Technical parameters of phase change materials

2.3.2 差示扫描量热(DSC)测试

DSC测量基本原理:在标准程序控温条件下,利用对物体维持式样温度与参比物的室温相等所需热量与温度关系测定来判断物体相变比,而相变温度和相变潜热量也可据此确定.有机相变微胶囊材料DSC测试流程及其DSC曲线如图3、图4所示,其中图4上曲线为放热过程曲线,材料开始凝固温度为21.94 ℃;下曲线为吸热过程曲线,材料开始融化温度为24.94 ℃.

图3 DSC测试流程Fig.3 DSC testing process

图4 有机相变微胶囊DSC曲线Fig.4 DSC curves of phase change microcapsules

2.4 实验台搭建

有机相变微胶囊+SiO2+水泥制成复合相变材料混合比例基于前人研究考虑,材料混合比例见表2[10,12].

表2 PCM—混凝土混合物设计

相变踢脚线的制作流程如图5所示.

图5 相变踢脚线的制作流程Fig.5 The process of making phase change skirting

3 新型相变供暖方式研究

实验通过墙面板与踢脚线升降温过程研究复合相变材料蓄放热特性,记录实验结果并绘制曲线图.通过两个面积相同(60 m2)的房间,房间Ⅰ有相变材料,房间Ⅱ没有,做室温与墙体及踢脚线内部温度对比实验.

3.1 实验Ⅰ

两房间控制在相同起始温度升温,并控制升温相同时间(320 min).两房间由17.1 ℃开始同时对墙与踢脚线升温,由图6与图7可以看出升温相同时间(320 min)后,房间Ⅰ比房间Ⅱ温度峰值低1.5 ℃,然后对房间进行自然降温.

图6 材料温度变化Fig.6 Temperature change of the material

图7 室内温度变化Fig.7 Temperature change of the room

房间Ⅰ的室内温度峰值低于房间Ⅱ的温度峰值0.6 ℃,房间Ⅰ在停止升温后15 min达到温度峰值(23.3 ℃),房间Ⅱ在停止升温后50 min达到温度峰值(22.7 ℃).表明两个房间温度峰值都有滞后性,房间Ⅰ比房间Ⅱ峰值时间延迟35 min,峰值高0.6 ℃.停止升温进行自然温降90 min后,房间Ⅰ的温度便开始高于房间Ⅱ的温度,且之后房间Ⅰ的温度始终高于房间Ⅱ的温度,差距亦有增大的趋势.房间Ⅰ停止升温430 min后,室内温度由最高温度22.7 ℃降温致21 ℃,室内温度下降了1.7 ℃.房间Ⅱ停止升温430 min后,室内温度由最高温度23.3 ℃ 降温至20.8 ℃,室内温度下降了2.5 ℃.相变材料温度峰值低于混凝土1.5 ℃,略滞后于混凝土2 min到达峰值,实验结束时两材料温度相近且仍在20 ℃ 以上.

由图8可以看出,室外气温在实验开始后205 min达到最高气温(7.5 ℃),且室外气温条件波动幅度较大,在实验结束时室外气温已经达到-14.6 ℃,达到了北方冬季的室外气象条件.

图8 室外温度变化Fig.8 Outdoor temperature changes

3.2 实验Ⅱ

两房间控制在相同起始温度升温,并控制升温致相同室内温度(22 ℃)结束.两房间由17.6 ℃开始同时对墙与踢脚线升温,在达到相同温度(22 ℃)时同时停止加热,由图9与图10可见,房间Ⅰ停止升温的时间(实验开始后301 min)相对于房间Ⅱ停止升温时间(实验开始后329 min)滞后28 min,房间Ⅰ与房间Ⅱ停止升温后温度继续升高,房间Ⅰ在673 min达到温度峰值(23.1 ℃),房间Ⅱ在437 min达到温度峰值(22.7 ℃),房间Ⅰ比房间Ⅱ延迟了236 min,且房间Ⅰ的室内温度比房间Ⅱ高0.4 ℃,房间Ⅰ的峰值温度比房间Ⅱ高1.56 ℃,复合相变材料可以储存大量潜热,当停止升温时,大量潜热量转变为显热释放出来,所以使得室内温度还会持续升高.相同时间(1 021 min)停止升温后,房间Ⅰ室温由23.1 ℃下降至19.5 ℃,下降了3.6 ℃;房间Ⅱ室温由22.7 ℃下降至18.7 ℃,下降了4 ℃.房间Ⅰ与房间Ⅱ下降至同温度时间延迟了229 min.相变材料温度峰值比混凝土高3.4 ℃,滞后于混凝土材料234 min到达峰值,实验结束时相变材料温度比混凝土高1.4 ℃,明显的表现出了相变材料的温度滞后性与潜热储存的特性.

图9 材料温度变化Fig.9 Temperature change of the material

图10 室内温度变化Fig.10 Temperature change of the room

此次实验室外温度明显低于实验Ⅰ,由图11可以看出最高气温-1.6 ℃,最低气温达到-21.2 ℃,天气已经属于严寒地区最冷月,复合相变材料用了多于混凝土材料28 min的时间储存潜热,在停止升温之后的17 h,仍然可以保持室内温度在18 ℃以上.

图11 室外温度变化Fig.11 Outdoor temperature changes

长春市冬季用电低谷期时间为22∶00～5∶00.利用用电谷期时间段420 min加热就能达到供暖室内温度要求18 ℃～24 ℃.

4 结论

通过两个相同面积房间,升温降温和材料加热冷却的两次对比实验,得出相变材料在近零能耗建筑中应用的实际效果:

(1) 由实验Ⅰ来看,加入复合相变材料的房间Ⅰ室内温度峰值虽然低于房间Ⅱ,但是室内热量的保持时间却比房间Ⅱ长,停止升温后至少430 min仍然可以保持室内温度在较高的水平,相变材料在降温至28 ℃时会释放出大量热量,所以房间Ⅰ停止升温后温度依旧在攀升,在370 min时达到峰值,表现出低能耗建筑与相变材料结合的优点.

(2) 由实验Ⅱ来看,房间Ⅰ较房间Ⅱ升温时间仅长了28 min,就使得房间保持在人体舒适范围时间延迟了229 min,房间Ⅰ室内温度达到峰值时高于房间Ⅱ1.56 ℃,新型相变蓄热供暖方式通过较少的投入,即可得到更加稳定的舒适室温.

(3) 该新型供暖方式利用相变材料潜热蓄热特性并采用谷电进行供暖,能够在保证供暖前提下能大量节省供暖费用,谷时电价为0.525元/度,峰时电价为0.825元/度,一房间每小时应用于加热耗电2.3度,若按每天加热420 min来计算,房间Ⅰ较房间Ⅱ延迟229 min,预计每天可省电8.8度,每天可节省资金5.3元.可见,该新型供暖方式利用低谷电供暖,在保证供暖前提下能大量节省供暖费用,还可以平衡消纳电力供应.

两实验房间Ⅰ内的总体温度波动比房间Ⅱ小,可见相变材料与低能耗建筑的结合减小了室内温度波动,提高了人体舒适度,降低了建筑热负荷.