相变材料在寒冷地区居住建筑节能中的应用研究

丁玉贤，张萌，郝林（.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 0400；.内蒙古自治区高校智能建造与运维工程研究中心，内蒙古 包头 0400；.兴泰建设集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 07000）

0 引 言

能源是人类生存与发展的物质基础，也是制约经济发展的主要因素，建筑节能减排控制已成为我国重要的规划项目。由于我国北方冬季室外环境温度低，采暖周期长，农村住宅围护结构的能耗约占总能耗的60%～80%，提高围护结构的热惰性和储能潜力是解决建筑能耗的关键因素[1]。建筑围护结构的热性能对建筑空间的冷负荷和热负荷有显著影响，将相变材料（PCM）应用到建筑围护结构中是一种新型绿色建筑节能技术，被越来越多的研究人员关注[2-6]。

Zhang等[7]认为相变材料参数对提高墙体保温性能至关重要。Koo等[8]认为，室内空气温度与相变材料的相变温度之间的匹配性，对围护结构储能性有很大影响。Jin等[9]将双层相变材料应用于地板辐射系统中，并研究了最佳位置和相变温度的选择对地面辐射量的影响。Jiang等[10]研究了相变材料的相变温度与最佳室内温度的协同关系。Ibanez等[11]研究了相变材料在围护结构中的最佳位置，确定在西墙和屋顶布置相变材料更有利于节能环保。Peippo等[12]的研究表明：相变材料的相变温度高于室内温度3 ℃时，更有利于围护结构吸收热量。David等[13]研究发现：没有PCM时，墙体壁面与室内温差是常数；当有PCM时，墙壁面温度缓慢下降。Jin等[14]进行了PCM层理想位置实验，结果表明：随着相变温度、相变潜热和相变层厚度的增加，相变层的理想位置逐渐向墙体外表面移动。柴国荣[15]分析PCM墙体的节能效果时发现：PCM厚度与室内热负荷呈反比关系，较小的相变温度变化对节能影响不显著。黄璟瑜[16]的研究表明：夏季时，室内温度略低于或等于最优相变中值时，相变潜热最大，相变材料安置于墙体内侧更节能。

此前的研究中，有学者将PCM层放置在靠近室内环境的地方进行研究，例如墙板浸入PCM的墙壁内表面；有学者设计PCM层靠近墙的外表面，或靠近石膏内表面，或在绝缘腔内；有学者研究了相变材料的层数、相变材料的厚度对建筑能耗的影响。先前的实验研究发现，PCM在建筑物墙壁内的位置对相变过程和热性能改进有很大影响。这些研究成果对提高建筑节能技术有着重要意义，但从全年气候特征的视角出发、有针对性地分析北方寒冷地区PCM墙体节能应用的研究较少。本文将在前人研究的基础上，以北方地区民居建筑为研究对象，开展相变材料在墙体的理想位置和相变温度对全年建筑节能的影响等方面的研究，以期为在我国北方农村地区推广含相变材料的新型绿色节能技术提供理论支持。

1 模型参数

本研究以辽宁省锦州市的其典型住宅建筑为例，通过能耗分析软件EnergyPlus，将PCM层在墙体中不同位置进行配置，开展相变蓄热材料对建筑供暖空调能耗影响的分析。建筑结构图，如图1所示；能耗分析模型，如图2所示。

图1 建筑平面图

图2 能耗分析模型

室内环境设置，按照每个卧室2人设定。照明功率密度，参照GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，取值7 W/m2。采暖设定温度为18 ℃，制冷设定温度为26 ℃。建筑围护结构设计参数，符合JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》要求。围护结构性能详细参数，如表1所示。

2 能耗模拟与分析

为增加我国北方地区太阳能的利用率，缓解建筑能量在供求时间和强度上的不匹配矛盾，采用具有自动调温的相变材料填充建筑围护结构，增加建筑的蓄热能力和储能能力，其节能效果与相变材料的性能参数和安装位置有直接关系。

2.1 建筑围护结构设计和相变材料参数特征

根据北方地区的气候特征，参照北方地区民居建筑设计参数，开展不同相变温度下相变材料的安装位置对建筑能耗的影响研究。相变墙体构造设计，如表2所示；相变屋顶构造设计，如表3所示。

表2 相变材料在屋顶中的安装位置

表3 相变材料在外墙中的安装位置

表4 相变材料的性能参数

北方传统民居建筑围护结构的热量不稳定，蓄热能力较差，导致采暖能耗较大。为提高节能效果，分别选取了5种不同相变温度的相变材料。相变温差在5 ℃，如相变材料的相变融化温度为10 ℃，则其凝固温度为15 ℃。安装位置分别选取为安装在保温层外侧、保温层与结构层之间、结构层与室内之间。

2.2 填充相变材料后的围护结构能耗分析

2.2.1 不同相变温度下相变材料的安装位置对建筑能耗的影响

当前，我国北方地区的相变材料的相变温度与当地建筑环境的适宜性还不明确。为提高建筑结构的热容性、节能和保温效果，采用EnergyPlus软件对建筑能耗进行模拟分析。

不同相变温度和不同相变材料的安装位置对建筑制冷能耗的影响，如图3所示。随着相变材料的安装位置从室外向室内移动，制冷能耗逐渐减小。相变材料安装在围护结构中间层和位于室内层，节能率基本相同无显著差异。当相变温度为20 ℃时，相变材料在围护结构的中间层和室内层时，制冷能耗显著减少，相比于无相变材料结构，制冷节能率为46%。

图3 不同相变温度下相变材料安装位置对制冷能耗的影响

不同相变温度和不同相变材料的安装位置对建筑采暖能耗的影响，如图4所示。当相变温度为5～20 ℃时，对采暖能耗存在显著影响；当相变温度超过25 ℃时，相变温度对采暖能耗几乎没有影响。当相变温度为15～20 ℃，相变材料安装在中间层和室内侧时，节能效果明显：当相变温度为15 ℃时，采暖能耗降低81%；当相变温度为20 ℃时，节能率为50.1%。但是相变温度在5～20 ℃，相变材料在围护结构外侧时，节能率仅有3%～5%，节能率偏低。

图4 不同相变温度下相变材料安装位置对采暖能耗的影响

不同相变温度和不同相变材料的安装位置对建筑总能耗的影响，如图5所示。随着相变温度的增加，整体能耗的节能率呈现先增加后减少的趋势。对总能耗来说，当相变温度为15～20 ℃，相变材料安装在围护结构中间层和室内层时，节能效果显著，综合能耗降低47%～56%；当相变材料位于室外层时，节能率仅有3%左右，节能率不显著。

图5 不同相变温度下相变材料安装位置对总能耗的影响

2.2.2 相变材料最佳相变温度的选择

据上文2.2.1的分析，当材料的相变温度在15～25 ℃时，节能效果最为显著。为了得到更加准确的相变温度和相变温差，进行不同相变温度和相变温差下采暖和制冷能耗的分析，相变材料选取相变温度范围为15～28 ℃，相变温差为1～6 ℃。

相变温度和相变温差对采暖能耗的影响，如图6所示。从相变温度角度看，当相变温度在16～19 ℃时，相变材料降低采暖能耗的效果非常明显，单位面积采暖能耗在12.3 kW·h/m2以下。当相变温度≥17 ℃时，则随着相变温差的增加，采暖能耗呈现出不断增加的趋势。当相变温度超过25 ℃时，采暖能耗基本维持在27.47 kW·h/m2，基本上已经失去了降低采暖能耗的能力。当相变温度为17～18 ℃，相变温差为1 ℃时，采暖能耗最低，不超过2.6 kW·h/m2；相比于不采用相变材料，可以实现节能率高达90.1%以上，单位面积节约3.1 kg标准煤，减少约7.7 kg二氧化碳排放。

相变温度和相变温差对制冷能耗的影响，如图7所示。从相变温度角度看，当相变温度为19～24 ℃时，相变材料降低制冷能耗的效果非常明显，单位面积制冷能耗在12.23 kW·h/m2以下。当相变温度＜21 ℃时，随着相变温差的增加，制冷能耗呈现逐渐下降的趋势；而当相变温度≥22 ℃时，随着相变温度温差的增加，制冷能耗呈现出不断增加的趋势。当相变温度超过26 ℃时，制冷能耗基本维持在15.36 kW·h/m2左右，基本上已经失去了降低制冷能耗的能力。当相变温度为24 ℃，相变温差为1 ℃时，制冷能耗最低，为4.55 kW·h/m2；相比于不采用相变材料，可以实现节能率高达70.3%，单位面积节约1.32 kg标准煤，减少约3.24 kg二氧化碳排放。

图7 不同相变温度和相变温差对制冷能耗的影响

相变温度和相变温差对制冷和采暖总能耗的影响，如图8所示。从相变温度角度看，当相变温度为17～22 ℃时，相变材料降低总能耗的效果非常明显，总能耗随着相变温差的不同而呈现出较大差异，单位面积能耗在15.01～34.88 kW·h/m2之间变动。当相变温度＞18 ℃时，随着相变温度温差的增加，总能耗呈现出不断增加的趋势。当相变温度超过26 ℃时，总能耗在40.75～42.83 kW·h/m2之间变动，基本上已经失去了降低能耗的能力。当相变温度为18～22 ℃，相变温差为1 ℃时，总能耗最低，为15.01～15.39 kW·h/m2；相比于不采用相变材料，可以实现节能率高达64.1%，单位面积节约3.37 kg标准煤，减少约3.24 kg二氧化碳排放。

图8 不同相变温度和相变温差对制冷和采暖总能耗的影响

3 结 语

本研究利用EnergyPlus软件进行了333次仿真模拟，研究相变材料的相变温度、相变材料位置对北方地区建筑能耗的影响，得出结论如下。

（1）相变材料在围护结构中的安装位置对建筑能耗影响显著。相变材料安装于围护结构中间层和内层时，节能效果明显：当相变温度为20 ℃时，制冷能耗减少46%；当相变温度为15 ℃时，采暖能耗降低81%；当相变温度控制在15～20 ℃时，综合能耗降低47%～56%。但当相变材料安装在室外侧，相变材料对节能的贡献率较低。

（2）相变温度和相变温差对建筑能耗降低存在显著的耦合作用，相变温差对制冷和采暖能耗的影响存在相助的相变温度分界点。分界点前后，相变温度对能耗的影响呈现出截然相反的规律。采暖的相变温度分界点为15 ℃和17 ℃：当相变温度＜15 ℃时，随着相变温差的变化，建筑采暖能耗减小；当相变温度＞17 ℃时，采暖能耗随着相变温差的增加而增大。制冷的相变温度分界点为21 ℃和22 ℃。制冷和采暖总能耗的临界点为15 ℃和18 ℃。分界点之间的能耗受到相变温差的影响存在着较大波动性。

（3）相变温差对建筑能耗有显著影响。相变温差为1 ℃，是相变材料的最佳相变温差。此时，当相变温度为18 ℃时，达到最低采暖能耗2.5 kW·h/m2；当相变温度为24 ℃时，取得最低制冷能耗为4.55 kW·h/m2；当相变温度为19 ℃时，最低总能耗为15.01 kW·h/m2。

综上所述，当相变材料安装在围护结构的中间层和室内层，相变温差为1 ℃，相变温度控制在15～20 ℃时，更能发挥相变材料的节能效果，能更好地实现温度平移作用，提高室内热舒适度。