相变材料对轻质建筑室内热环境的改善论文
引言
将相变及化学反应储能应用在建筑领域（包括建筑空调和供暖）已经成为一个研究的热点和重点方向[1].国内外很多学者在这方面也做了大量的研究。
Feustel H E 等人[2]用基于有限差分逼近的热建筑模拟程序数值评价了 PCM 墙板在建筑环境中储存潜热的性能；即利用双重 PCM 墙板来提高建筑物的储热能力，让房间温度在不使用机械冷却条件下也可 保 持 在 接 近 舒 适 温 度 的 上 限 值 . 日 本KANAGAWA 大学的 Takeshi Kondo 和 TokyoDenki 大学的 Tadahiko Ibamoto 等人[3]用 95%的十八烷和 5%的十六烷作相变材料，将装有相变材料的交键聚乙烯小球加到石膏板中制备相变墙板，并对其储热性能进行了研究。肖伟等人[4]采用经实验验证的程序模拟分析了相变板热物性、表面换热系数和用量对冬季室内温度波动的影响，并给出了北京地区相变内隔墙房间的设计原则。杨晟等人[5]制备了一种泡沫石墨/石蜡复合相变储热材料，研究了将该复合材料用作墙体围护结构时的隔热和调温性能。拧∧等人[6]研究了成都地区相变墙体夏季工况的参数优化及效果分析。
从上述的研究中不难发现，大多数学者都是将相变材料应用于常规的建筑中，而很少研究相变材料对轻质建筑室内热环境的改善研究。但随着建筑行业的迅猛发展，传统的重质围护结构如砌块、混凝土等已经不能满足现代建筑业的多样化和个性化需求，轻质建筑广泛应用于体育场、车站、货场、装配式房屋、工地建筑等场合[7,8].因此，对于相变材料对轻质建筑室内热环境的研究具有重要的实用意义，并为后续研究提供重要的实验支撑。
1 相变材料
本实验采用的相变材料是一种易于与墙体复合的新型复合相变材料，它将相变材料永久地封装于铝复合隔膜管中。通常一支管的重量为100~120克，长约为175mm,宽约为45mm,厚为20~25mm.封装在管内的相变材料无毒、不可燃，相变潜热178.5kJ/kg,相变温度范围为 18~26℃，密度为1300 ~ 1380kg/m3, 导 热 系 数 相 变 区 为0.25W/（m·K），固态液态区为 0.5W/（m·K），使用温度为 0~60℃。
2 实验系统与方法
为了研究相变材料在轻质建筑冬季室内热环境的应用效果，对两个尺寸完全相同的实验箱体房进行了测试分析，其尺寸均为 800mm（长）×1000mm（宽）×1300mm（高），其外围护结构采用 0.8mm 厚不锈钢钢板+40mm 厚轻质聚苯乙烯（EPS）泡沫板+0.8mm 厚的不锈钢钢板+8mm 石膏板，结构如图 1 所示。其中一个箱体房内部复合管状相变材料，先将管状相变材料与箱体房各内表面尺寸匹配的石膏板排列固定（如图 2），然后再安装固定在箱体房的各内表面，使相变材料位于石膏板和内表面之间，构成复合围护结构。实验测试地点位于某大楼屋顶完全无遮挡位置，测试对象为两个尺寸完全相同的实验箱体房，如图 3 所示。箱体房按一致的方向摆放，正门朝东。分别在两个箱体房内、外壁（顶面在内的 5 个面）中心相同位置和房间中心布置热电偶，共 22 个；在南墙内壁中心相同位置布置热流片。所得数据通过巡回检测仪自动采集，并通过 RS232 接口与计算机相连，实现数据的实时记录与输出。室外温度通过JTR13C 室外气象观察站进行采集。所有测试时间间隔设定为 30min.通过实验测试得到房间内外空气温度、热流量和墙体内外表面温度等数据。
其中实验所用巡回检测设备为北京某公司的JTRG-II 建筑热工温度与热流自动测试仪。该设备可以同步实时测量90路T型热电偶温度和30路热流密度，并能根据存储时间间隔自动存储温度和热流密度。它的温度测量范围为-20℃~100℃，温度测量精度为±0.5℃，温度分辨率为 0.1℃。测试所采用的热电偶为 T 型热电偶，测量精度为±0.5℃，测试前对其进行校准。室外温度采用北京某公司的JTR13C 室外气象观察站测试，温度测量范围-30℃~70℃，温度测量精度为±0.5℃。
3 实验结果与分析
为了防止外界对实验结果的`干扰，本实验是在两箱体房封闭工况下进行的测试，测试时间为2012年 12 月 4 日~2012 年 12 月 13 日。为了更清楚的反应冬季不同天气状况下相变材料对轻质建筑室内热环境的影响，分别从测试结果中选择晴天与阴天进行分析。
3.1 晴天结果分析
2012 年 12 月 5 日是典型的晴朗多云天气，选用该天分别从室内空气温度、墙体热量密度和墙体内表面温度等方面对测试结果进行分析。
3.1.1 室内空气温度变化特点图 4 为普通箱体和相变箱体在冬季晴朗多云天气室内空气温度变化曲线图。从图中可以看出，室外温度在 2.4~14.8℃之间波动，平均温度为8.3℃，在中午 14:00 达到最大值；普通箱体室内空气温度在 1.9~24.5℃之间波动，平均温度为11.5℃，在中午 15:00 达到最大值；相变箱体室内空气温度在 4.6~18.3℃之间波动，平均温度为11.3℃，在中午 16:00 达到最大值。同时可以看出，在白天相变材料能够较好的将白天的热量吸收，以降低室内的空气温度，而且具有明显的热量衰减和温升延迟效应；在夜间相变材料能够白天吸收的太阳辐射热量进行释放，以提高室内的空气温度。经计算，相变箱体和普通箱体温度延迟时间分别为1h 和 2h,白天相变箱体室内空气温度比普通箱体室内空气温度最大低 7.6℃，夜间相变箱体室内空气温度比普通箱体室内空气温度最大高 4℃。这说明冬季晴朗天气将相变材料应用在板房中能够明显维持室内空气温度的稳定性和改善室内的热环境。
3.1.2 墙体内表面温度变化特点对于墙体的分析，主要选择具有典型性的南墙内表面。图 5 为相变箱体和普通箱体南墙内表面温度变化曲线图。从图中可以看出，由于相变材料能够在白天吸收储存太阳房辐射量，夜间释放白天吸收的热量，所以相变箱体南墙内表面温度要低于普通箱体南墙内表面温度，而夜间恰恰相反。经计算，夜间相变箱体南墙内表面温度比普通箱体南墙内表面温度最大高 4.4℃，白天相变箱体南墙内表面温度比普通箱体南墙内表面温度最大低 9℃。
3.1.3 通过墙体热流密度变化特点图 6 为相变箱体和普通箱体南墙的热流变化曲线图。从图中可以看出，通过普通箱体南墙的热流密度在 0.2~28.1W/m2之间内波动，平均值为7.6W/m2;相变墙体南墙的热流密度在 1.1~12.4W/m2之间内波动，平均值为 5.4W/m2.在相同的室外环境下，白天通过相变箱体墙体的热流量要明显的低于普通箱体墙体的热流量，最大相差19.7W/m2;而夜间通过相变箱体墙体的热流量要高于普通箱体墙体的热流量，最大相差 2.9W/m2.这主要是由于相变材料白天吸收存储太阳辐射热量，夜间进行释放，同时说明冬季晴朗的天气下相变材料能够在白天很好的吸收储存太阳辐射热量，夜间进行释放，以防止白天室内空气温度过高，夜间室内空气温度过低的现象。
3.2 阴天结果分析
由于阴天太阳辐射热量很低，相变材料基本发挥不了任何储热放热的功能，只起到增加墙体厚度和单存的保温性能，这里主要分析其对板房冬季室内空气温度的影响。选用 2012 年 12 月 8 日作为阴天分析。
图 7 为普通箱体和相变箱体在冬季阴天室内空气温度变化曲线图。从图中可以看出，由于阴天太阳辐射量很小，使得普通箱体室内空气温度、相变箱体室内空气温度和室外空气温度基本上是一致的，特别是普通箱体室内空气温度与室外空气温度，三者的平均值分别为 9.6℃、10.1℃和 9.7℃。
相变箱体室内空气温度稍微平稳和滞后一些，这主要是相变材料增加了墙体的厚度造成的。这说明冬季阴天将相变材料应用在板房中基本上只能是增加墙体厚度的作用，不能起到调节板房室内热环境的作用。
4 结论
通过冬季不同天气状况下相变材料对轻质建筑室内热环境的对比测试分析，得到以下结论：
（1）晴天，相变材料能够明显的降低轻质建筑室内温度的波动，增强房间的热稳定性，特别是在夜间对于室内空气温度将有较大的提高，最大达4℃；同时，对于通过墙体的热量来说，相变材料能在白天吸收存储进入室内的太阳辐射量，而在夜间能将这部分热量很好的释放到房间内。
（2）阴天，将相变材料应用在轻质建筑中的作用不是很大，只是相当于增加墙体的厚度，对室内热环境的改善意义不大。
（3）对于相变材料来说，应尽量在多云晴朗太阳辐射量大的地区使用，充分发挥其储热和放热的功能。
参考文献：
[1] 张寅平，相变贮能-理论和应用[M].北京：中国科学技术大学出版社，1996.
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