夏热冬冷地区相变屋面最佳相变温度的实验研究

2023-10-14时雨赵运超樊智轩蒋达华

化工进展 2023年9期

时雨，赵运超，樊智轩，蒋达华

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州 341000）

建筑能耗是全球能源消耗和二氧化碳排放的主要原因，占比较大。2018 年，建筑的能源消耗占总能源消耗的36%，二氧化碳排放占总排放的39%[1]，在中国南方夏季空调的需求量占建筑总能耗的50%～70%[2]。建筑能耗因此也受到广泛的关注，如何提高建筑围护结构的热工性能已经成为建筑节能领域的研究热点。

相变材料（phase change material，PCM）由于具有较低的热导率和潜热特性，在物态发生变化时会在近似于恒温状态下进行“放热”与“吸热”，能够解决时间和空间上的不匹配问题，将PCM 集成到建筑围护结构中可以降低室内空气温度波动，降低能耗[3-4]，因此PCM 被广泛应用于建筑节能领域。但是，通过屋顶的太阳辐射占夏季热增益的很大一部分，Vijaykumar 等[5]在对马来西亚住宅建筑的研究中发现，建筑内部承受热量来自建筑围护结构的高强度热传导，其中屋顶的传热约占热增量的70%。在我国夏热冬冷地区的民用建筑大多是平屋顶，由于直接受到太阳辐射的影响导致由屋面引起的能耗较高，和普通屋面相比相变屋面内表面温度可以延迟3h以上[6]，隔热效果显著。

在选择相变材料时需要选择合适的相变温度，相变温度的大小影响着PCM吸热或放热的起始点，所以相变温度的选择至关重要。我国夏热冬冷地区屋顶表面温度在夏季可达到60℃左右，最低温度也能达到30℃以上，如果PCM 的相变温度选取不合理，可能导致PCM 不能有效地熔化或凝固，从而不能有效发挥PCM在屋面结构中保温隔热的效果。关于相变温度的选择至今都还没有一个统一确定的方法。Yu等[7]通过数值模拟分析研究了夏热冬冷地区相变温度对相变材料性能的影响，建议相变温度的最佳温度范围为36～38℃。Yan[8]指出在大多数城市，最佳的相变温度范围取值为25～33℃。杨清晨等[9]分别以相变温度半径为1℃、2℃、3℃、4℃进行研究，发现适宜的相变温度范围为34～39℃。在现有的研究中相变屋面最佳相变温度的取值还没有形成统一的计算方法，大多都是根据经验值或估计值进行选取，很少有研究是通过实验去探索适合夏热冬冷地区相变屋顶的最佳相变温度取值，因此存在一定的局限性，可能导致选取的温度不合理而影响PCM的实际应用效果。

我国夏热冬冷地区在夏季对空调的使用所消耗的能量占据了总能耗的2/3 左右[2]，而冬季最低气温在0℃以下的时间非常少，一般对空调的需求没有夏季高。所以本文以夏热冬冷地区平屋顶的夏季工况为研究对象，通过实验测试确定达到最佳隔热效果时PCM 相变温度的取值范围，为夏热冬冷地区夏季隔热PCM屋顶相变材料的选择提供参考。

1 研究方法

1.1 PCM屋面结构设计

为了延长相变材料的熔化时间，提高相变绝缘效果，可以在屋面外表面铺设一层高反射率薄膜，也就是通常所说的“冷屋顶”，即在屋顶最外层涂一层薄薄的反射涂料。反射涂料层主要用于增大屋面的太阳辐射反射率，并在一定程度内增加屋面的传热热阻，最终减少屋面的热量积累，降低屋面温度[10-13]。

所以本文将反射隔热涂料运用到屋顶当中，将相变材料和反射涂料两种材料结合起来，不但可以弥补单一使用反射涂料时屋面降温能力有限、不能满足室外温度较高、室内温度波动较大的缺点，还可以弥补单一使用相变材料时屋面相变材料用量较大、屋面容易老化的缺点。

Hasan 等[14]发现将PCM 层放置在中间隔热效果最好。当PCM直接放置在屋顶外部时，由于较高的太阳辐射，PCM层的表面温度将会非常高，导致相变时间太短，所要求的相变温度非常高，最终会导致更多的热量进入室内。所以本次实验的屋面结构设计分别为3cm 结构层、2cm 相变层、2cm 保护层和2mm反射涂料层，PCM屋面结构如图1所示。

图1 PCM屋面结构

1.2 PCM的选择及封装

脂肪酸、醇类、酯类等有机相变材料由于其性能稳定、相变温度适应性好、无过冷及相分离现象而被广泛应用在建筑节能领域[15-16]。本文以4℃为一个温度间隔对相变材料进行选择，选取了癸酸（31℃）、 70% 月桂酸+30% 肉豆蔻（35℃）[17]、82%月桂酸+18%硬脂酸（39℃）[17]、月桂酸（43℃）、十六醇（48℃）五种相变材料来进行实验研究。

相变材料在熔化成液相时由于液体流动容易发生泄漏现象，常用的封装方式有宏观和微观两种方法。如Al-yasiri 等[18]就将PCM 宏观封装在铝框架中，直接用作屋顶。本次实验采用宏观封装方式对相变材料进行封装，即将PCM 封装在铝箔袋中，铝箔袋的尺寸大小为28cm×38cm，为了防止相变材料在熔化凝固过程中的热胀冷缩，在每个铝箔袋里面放置240g 等量的相变材料，用封口机将PCM 密封。用PVC 胶将PVC 制作成一个80cm×80cm×2cm 的空腔板，为了便于对比分析每种相变材料对屋面的隔热效果，将相变层用玻璃纤维隔热板分隔成6 个大小一样的小方格，每一个小格子放2袋封装好的相变材料，图2左上角为用2cm 厚XPS 板来代替PCM 进行对比试验分析，最后将PVC 板盖上去形成PCM 层。图3 为相变层测点布置。

图2 PCM层

图3 相变层测点布置图

2 实验方案

2.1 实验装置

本实验采用对比分析的方法对屋顶6块小格子的隔热效果进行测试，搭建了一个80cm×80cm×80cm 的实验小室。用铝合金焊接制成该小室的外框架，为了控制房间的温度保持恒定，墙体结构采用5cm厚XPS保温板进行保温处理[19]，在保温板的最外层采用反光板将太阳光反射防止XPS板吸收太阳光而导致室内温度较高。小室四周是经过严密粘连的，也没有设置门窗，是一个密闭的空间，不会有气体进入，而且XPS 保温板的保温效果比较明显，所以不会有热对流形成的热量传递而造成的误差。屋顶结构从内到外分别由结构层、相变层、保护层、反射涂料层构成，结构层由2cm厚彩钢板制成，相变层见1.2 节，保护层为2cm 铝板制成，在铝合金板的最外层刷2mm 厚的反射隔热涂料，然后将反射涂料层晾干，所用相变材料的相变焓和相变温度以及屋顶材料的热性能参数见表1。

表1 屋顶材料的热性能参数

将制作好的实验小室放置到空旷的位置布置测点，将T 型热电偶和安捷伦数据采集器连接，然后将数据导出到电脑上，实时观测温度的变化趋势。

2.2 实验仪器及材料

2.2.1 实验材料

癸酸（CA），分析纯，国药集团化学试剂有限公司，其含量大于98.5%。月桂酸（LA）、肉豆蔻（MA）、硬脂酸（SA）、十六醇（HD），分析纯，山东优索化工科技有限公司，其含量为99%。反射隔热涂料，古秋防水有限公司。铝合金板，规格80cm×80cm×2cm。保温板，挤塑式聚苯乙烯，5mm厚，用作小室的墙体结构。

2.2.2 仪器设备（表2）

2.3 实验步骤

本实验采用T型热电偶来进行温度的测试，在正式测试前将热电偶用“冰浴法”进行标定。标定好之后将T 型热电偶与安捷伦数据采集器连接起来，然后开始布置测点，在相变层的6个小方格下的中心位置分别布置了6个测点，如图3所示。结构层的上表面和下表面也分别布置6个位置相同的测点，在两袋相变材料的中间各布置一个测点，用以观测相变材料发现相变的过程，如图4所示。此外，在小室的中心位置安装一个热电偶，以测量小室内的空气，在室外布置一个测点测试空气干球温度的变化情况。

图4 实验小室

所有热电偶都连接到安捷伦数据采集器上，设置每一分钟测一次数据，将连接好的测试系统置于室外空旷无遮拦的地方，进行连续三天不间断的测试（测试时间为8 月16 日～8 月19 日，连续三天为晴朗天气），然后在实验结束时导出到电脑上。

3 结果和讨论

3.1 室外天气情况

实验三天所测得的室外环境温度如图5 所示。从图5 中可知，室外环境温度在下午16:00 左右最高温度可以超过46℃，在夜间和凌晨时间段室外温度也能超过30℃，表明在夏热冬冷地区夏季全天需要空调系统以保持居民适当的热舒适，因此选择将相变材料运用到建筑围护结构中可以有效降低能耗。

图5 实测室外环境和内部空间温度

3.2 不同PCM内外表面温度对比分析

经过连续三天的实测，得到了室外空气干球温度、实验小室内外的逐时温度、相变层PCM熔化、凝固的温度变化曲线以及隔热涂料层外表面的逐时温度变化曲线，为了方便记相变层的XPS隔热板为1 号（空白对照组，作为对比分析的基层）、癸酸为2号、70%月桂酸+30%肉豆蔻为3号、82%月桂酸+18%硬脂酸为4号、月桂酸为5号、十六醇为6号。其中外表面温度是指屋顶的最外层即反射涂料层的外表面布置的测点所测得的温度，内表面温度是指3cm结构层的内表面布置的测点所测得的温度（和室内空气直接接触的面），1～6号的内外表面的逐时温度分布曲线如图6～图11所示。

图8 内外表面温度变化曲线（3号）

图9 内外表面温度变化曲线（4号）

图10 内外表面温度变化曲线（5号）

图11 内外表面温度变化曲线（6号）

由图6～图11 可以看出，1～6 号材料外表面峰值温度在12:23 分别为55.54℃、53.12℃、52.47℃、55.21℃、53.73℃和53.06℃。6 种材料的内表面峰值温度出现的时间各不相同，1号材料内表面的峰值温度在14:49 时达到43.14℃，2 号内表面峰值温度在16:33 时达到42.28℃，3 号材料内表面峰值温度在16:26 达到36.85℃，4 号材料内表面的峰值温度在18:00 可以达到37.57℃，5 号材料内表面的峰值温度在16:29 时达到43.41℃，6 号材料内表面的峰值温度在16:15可达46.67℃。

1 号材料在8:30～16:30 时间段内外表面温度均高于内表面温度，在16:30～8:30时间段（傍晚和凌晨）内表面温度高于外表面温度；2 号材料在8:30～17:30 时间段内小室内的环境温度低于室外温度，在17:30～8:30时间段内小室内的环境温度高于室外温度；3 号材料在8:30～18:10 时段内室外环境温度高于测试小室内的温度，在18:10～8:30时段内室外环境温度低于测试小室内的温度；4号材料在8:15～18:00时段内室外环境温度高于测试小室内的温度，18:00～8:15时段内室外环境温度低于测试小室内的温度；5 号材料在8:15～16:30 时段内室外温度高于室内温度，在16:30～8:15时段内室外温度低于室内温度；6 号材料在8:30～16:00 时段内室外温度高于室内温度，在16:00～8:30时段内室外温度低于室内温度。主要是因为太阳落山后太阳辐射强度为零，导致相变材料层温度外表面温度随之下降。但是由于实验小室四周墙壁用的是保温板，在夜间小室内热量不能及时排出，进而外表面温度会比内表面温度低，内外表面的温度对比如表3 和表4所示。

表3 外表面温度对比单位：℃

表4 内表面温度对比单位：℃

1～6 号材料最高降温在12:23 时可分别达到16.19℃、21.19℃、17.58℃、21.2℃、18.44℃、16.74℃，在室外温度高于测试小室内温度这段时间内的平均温降分别为5.58℃、10.10℃、7.86℃、10.01℃、7.66℃、6.45℃，如表5所示。

表5 降温幅度单位：℃

本研究采用了几种能量指标来对比分析不同相变材料的隔热效果，如最大减温率、衰减系数和时滞系数这三个指标。

3.2.1 最大减温率

最大减温率（MTR）是指与参考温度相比，室内和室外表面温度的减温率有多高，屋顶的MTR可以根据式(1)计算[20]。

式中，TR,max和Tr,max分别表示屋顶外表面和内表面的最高温度。

此外还可以计算1号对照组与不同PCM之间的MTR 差，以显示PCM 对屋顶的隔热效果，如图12所示。

图12 不同PCM和对照组的MTR比较

由式(1)可以算出1～6 号的MTR 分别为12.4℃、10.83℃、15.62℃、17.64℃、10.32℃、6.39℃，分别和1号对照组进行对比，由图12可知，5种不同相变材料的误差分别为-1.6℃、3.2℃、5.2℃、-2.1℃、-6℃。由此可见，3号和4号的隔热效果最好，之所以会出现负值是因为1号癸酸的热导率较大且相变潜热值较小，导致熔化时间太短。因为5号和6号相变温度太高，室外环境温度很难长时间达到，所以这两种PCM 没有发生相变或者相变不完全，导致铝箔袋中一直是固液混合的状态，热量也很难散出去，所以会比1号XPS隔热板的隔热效果差。

3.2.2 衰减系数

衰减系数（DF）表示具有较低的DF的围护结构对室外温度波动具有较高的热阻。该特性对于热舒适性评估至关重要，因为它与平均辐射温度和工作温度相关，DF根据式(2)进行计算[21]。

式中，Tr,max、Tr,min、TR,max和TR,min分别表示内表面温度的最大值、最小值和屋顶外表面温度的最大值、最小值。1 号对照组和不同PCM 的DF 如图13所示。

图13 不同PCM和对照组的DF比较

由式(2)可知1～6 号的DF 分别为0.505、0.502、0.341、0.341、0.561、0.63，与1 号对照组相比，DF 分别降低0.3%、 16.4%、 16.4%、 -5.6%、-18.8%，DF 为负值意味着与1 号对照组相比该PCM 的加入对实验小室的隔热效果还没有XPS 隔热板好，因此该相变温度不适合夏热冬冷地区屋顶的应用，从图13中可以看出3号和4号的隔热效果最好。

3.2.3 时滞系数

时滞系数（TL）表示屋顶内表面的最高温度和外表面的最高温度下的时间差，这是PCM 在建筑围护结构中所特有的优势，TL 可以根据式(3)进行计算[22]。

式中，τTr,max和τTR,max分别表示内表面最高温度下的时间和外表面最高温度下的时间，min。

如图14 所示，1～6 号的时间滞后分别为143min、 300min、 287min、 310min、 190min、176min，与空白对照组1 号相比时间分别滞后了157min、144min、167min、47min 和33min，PCM的加入会使最高温度出现的时间往后延迟，这对夏季高温来说是有利的。外表面最高温度出现的时间基本上都是13:00左右，而内表面最高温度1号、5号和6 号是在16:00 附近，而2 号、3 号、4 号的内表面最高温度出现的时间是在18:00 左右。从图中可以看出4号（82%LA+18%SA）的TL最大，所以隔热效果最为理想。

图14 不同PCM和对照组的TL比较

3.3 PCM层温度变化

为了实时监测相变材料的相变过程，在相变层的中间各布置一个测点，随时观察到相变材料在温度变化时熔化和凝固温度的变化曲线如图15所示。

图15 PCM层温度变化曲线

从图15可以看出5号和6号相变材料由于相变温度较高而外界温度没有达到相应的相变温度，也并未出现平台，所以月桂酸和十六醇没有发生相变。癸酸在1:30～11:30这段时间出现了两个明显的平台，说明在这段时间内癸酸在发生相变，在这之前癸酸的温度都要高于它的相变温度处于液相，所以癸酸处于平台时由液态凝固成固态放出热量。从图15 可以看出3 号（70%月桂酸+30%肉豆蔻）当达到相变温度35℃时之后的温度就一直保持平缓状态，说明该相变材料一直处于液态，当外界温度下降到低于该PCM 的相变温度时也未凝固，因此在夜间不能凝固放热带走室内的热量，所以该相变材料不可取。综上，从相变材料相变的曲线来看4号（82%月桂酸+18%硬脂酸）熔化凝固的效果最好。

从实验房间外表面温度分布曲线分布来看，6个放置不同材料的小方格的室外温度呈现出周期性规律的变化且基本重合，但是峰值温度存在1～3℃的差异且未加相变材料的对照组室外峰值温度最高，主要是因为相变材料在相变的过程中会对最外层反射涂料层产生反作用，会使相对应的小格子外表面温度稍有下降。

从实验房间内表面温度曲线分布来看，6个小方格的内表面温度也呈现出明显的周期性变化规律，且2号、3号、4号的内表面的峰值温度都要比1号对比组的峰值温度低，而5号、6号的内表面峰值温度要比1 号高，主要原因是5 号、6 号的相变材料没有发生相变，导致相变层一直处于一种高温的固态。

综合相变材料的隔热效果和PCM 熔化、凝固时间的快慢，夏热冬冷地区相变屋面最佳相变温度的取值范围为35～39℃。