淺析住宅建筑墻體熱儲能的可行性

賈麗霞

墻體熱儲能應用技術是指在建筑中通過相應的構造設計,大量使用墻體材料來吸收、保存和釋放熱量。另外,內熱源和進入室內的熱量也可以通過對流輻射等方式儲存在圍護結構和家具中,并隨著室內外溫度的變化而釋放或存儲能量,建筑圍護結構具有蓄熱放熱特性,因而對墻體儲能技術的研究具有重要的理論意義。

1 研究意義

在強調建設資源節約型社會的今天,在建筑熱工設計中要求能根據當地的氣候狀況,合理利用太陽能等氣候資源,減少夏季使用空調和冬季采暖造成的能源消耗。在節能建筑設計和規劃中太陽輻射數據是需要重點考慮的氣象參數。然而太陽能具有間斷性和不穩定性,幾乎所有用于采暖、供應熱水、生產過程用熱等的太陽能熱利用裝置都需要儲存熱能,因而對于能量儲存應用技術的研究具有重要的理論意義。結合儲能技術的應用,住宅建筑冬季供暖空調系統運行時完全可以通過調控裝置對這部分能量加以利用,這對建筑節能、環境保護和提高室內環境舒適性都具有積極作用[1]。

我們知道,利用儲能材料的熱惰性特征,可實現對建筑的日溫差調節,顯著減小室內溫度波幅,將室溫維持在接近人體熱舒適溫度20℃～26℃這個很小的范圍內,此舉可為用戶節省制熱/制冷費用及暖通空調系統的初始投資。實踐表明,墻體儲能材料的儲能效果能維持數小時、數天,甚至數月,對于冬天和夏天常使用常規能源采暖或制冷的建筑具有很高效的節能作用。同時墻體的熱儲能技術可以與自然通風、太陽能利用、分布式能源技術等相結合,完善建筑節能的技術體系,提高能源的效率,具有很高的節能經濟性。

2 國內外研究現狀及分析

對于蓄熱體,即“Thermal mass”,國外研究者有多種理解：在一部分研究者看來,它是表示一種物質——具有蓄熱能力的建筑材料[2];另外一部分研究者認為它是類似于熱容量、導熱系數等參數、表示材料的一種熱物性——表示建筑材料儲存熱量的能力[3]。在國內,人們一般取Thermal mass為前一種意思,即認為它是具有蓄積熱量這一特性的材料的通稱。一般情況下,蓄熱體包含在外墻、隔墻、天花板以及地板當中,是由高熱容量等性質的物質組成。

H.Asan等人計算模擬了墻體的厚度及熱容量、導熱系數等對時間延遲和衰減因子的影響,考慮當總厚度一定時,研究不同保溫材料、保溫位置及厚度對輕質、重質墻體的時間延遲和衰減因子的影響。另外,蓄熱體的位置設置也很重要,外蓄熱體暴露在太陽光下直接吸收太陽輻射熱,是蓄熱的主要部分,所以應設計使蓄熱體盡量多的暴露于太陽光下;內蓄熱體主要是由內熱源或進入室內的熱量通過對流、輻射作用下間接蓄熱,但由于內蓄熱體能有效地調節室內溫度,因此,應設計內蓄熱體盡可能多的暴露于室內空間中。結果表明墻體熱物性對時間延遲和衰減因子作用明顯,墻體厚度存在一個最佳值。

Givoni對建在美國加利福尼亞州北部的實驗房進行了測試,分析夏季不同蓄熱材料蓄冷對白天降低室內溫度的作用。他發現對于重質建筑來說,利用建筑蓄熱耦合夜間通風蓄冷是一種非常有效的降溫措施。在白天最高溫度為38℃時,室內最高溫度只有24.5℃,這在潮濕的加利福尼亞州是處于屬于舒適性范圍的。A.Antonopoulos對內蓄熱體(隔墻、天花板、地板和家具)對時間常數和時間延遲的影響進行了研究。結果表明：內蓄熱體對時間常數、時間延遲的影響很大,若內蓄熱體可提高室內時間常數40%,則其中25%的增加是由內隔墻引起,15%是由于家具的作用。

國內對有關單獨儲能方面工程應用和專項研究的文獻很多,結合能源改革的發展趨勢,在熱電冷聯供系統中設置蓄能裝置形式的選擇需同時考慮在供冷和供熱中的應用問題。建筑墻體材料儲能技術將成為研究的熱點,而這項研究有著悠久的歷史,如干熱地區采用厚重的墻體隔熱保溫,華北地區較多采用的370外墻等都有熱儲能的效果。如今的研究熱點偏向于依靠加入相變材料改進墻體進行熱能的儲存和釋放來提高能源的使用效率。綜上所述,國內外許多研究已經表明利用建筑圍護結構本身具有的蓄放熱特性可以有效降低采暖空調的能耗,冬天可利用其白天的蓄熱來減少夜間的熱負荷,夏季可以利用夜間的自然冷量來降低白天冷負荷的峰值。具有推廣性及可操作性的建筑構造措施。

然而目前研究大多只是從定性的角度來分析建筑蓄熱的熱性能,建筑蓄熱對環境的影響沒有定量的分析,不能較為準確的確定建筑蓄熱的作用,目前文獻中關于建筑蓄熱的實驗結果受當地氣候、建筑特點、建筑結構的限制而不具有通用性,對實際的建筑蓄熱設計以及結果預測意義不明顯。另外,對蓄熱在建筑中作用的研究主要集中在夏季降溫和冬季采暖方面,且多物理性能分析,缺少對實際應用的探討。

總之,本課題對住宅墻體熱儲能應用技術進行了深入研究,提出的墻體復合蓄熱材料的具體措施、建筑材料的熱工測試、示范性的建筑應用等具有重要的理論及實踐意義,不僅能夠優化建筑節能技術設計、改善建筑熱環境、提高房間舒適性、節約能源,而且對于建筑能耗的可持續發展,推廣綠色住宅均有積極的作用。

3 可行性分析

不論是夏季還是冬季,建筑物內部的蓄熱體對于室內空氣調節都能起到積極的作用。白天獲得的太陽輻射能量都儲存起來,在稍后的時間緩慢地釋放到室內空氣中。冬天白天儲存的熱量在下午或者更晚些時都傳播回室內,這段時間是一天當中最需要熱量的時候,這樣提供了部分熱負荷,同時也避免了一天中太陽輻射強烈時段的過熱和不舒適性的問題。

通過了解學習建筑儲能在國外的應用技術和國內近幾年的相關應用研究,如空腔儲能中容器本身(混凝土、巖石或磚)既是建筑圍護結構,又是儲能體。盡管它的效率較低,但由于它實現了儲能與用能的集成優化,因而成為最經濟可行的儲能方式。根據北美的經驗,空腔儲能體作為結構構件時的理想厚度為25 mm～65 mm。如太厚、太大,容器吸收和釋放熱/冷量的時間過長,影響使用效果;如太薄、太小,容器中空氣靜壓增高,需使用風扇等輔助動力來維持氣體在容器中的流動,以實現熱交換。通常混凝土占2/3,空腔占1/3時的氣體容器效率最高,可達到66%。本項目提出的墻體熱蓄儲能技術概念,就是不直接將熱能或冷能轉換成電能,而是先將各種能量(電能、熱能或其他能量)轉換成制冷/制熱潛能——工作介質的化學勢能,然后進行儲存。當用戶需要冷或熱量時,可通過制冷或熱泵運行方式將儲存的潛能轉換成冷能或熱能。

4 關鍵技術

從墻體的構造上講,墻體是一種復合的界面形式,室內空間的保溫、采光、通風、防潮、防風、防眩光、防噪聲、防盜等功能相互關聯、相互作用,關系錯綜復雜。將外圍護結構的各個功能相分離,通過增加圍護結構層數以及優化改進圍護結構構造方式,可以提高圍護結構的物理性能。

熱儲能墻體的關鍵問題之一就是墻體熱儲材料的選擇及其與建筑材料的結合方式,以實現儲能材料與建筑材料基體的相容性、穩定性和耐久性,如果蓄能體是水,則出水溫度與間接的區域熱網的回水溫度有緊密的關系,建筑內的低溫供暖系統是優化季節性蓄能系統熱輸出的前提,如何有機的協調建筑中的用能系統是墻體熱儲能技術的關鍵。

再者就是常規能源和太陽能復合,水蓄能與潛能蓄能的結合。儲能儲存的是一種“潛在”的能量,必須通過某種方式或手段將其轉換成熱量或冷量。利用儲能材料來解決單體建筑日溫差問題,在建筑和規劃設計中利用儲能材料來實現太陽能的跨季節儲存問題。墻體蓄能方面的研究焦點目前主要集中在：減少蓄能系統的初投資,并盡量避免占用體積過大。可考慮蓄能體與建筑物的一體化,如利用低溫地板輻射采暖,置換式通風等,從而達到降低系統初投資,提高系統經濟性的目的。

[1] 楊 昭,郁文紅,張甫仁.建筑物冬季太陽得熱分析[J].太陽能學報,2005,26(1)：104-109.

[2] C A Balaras.The role of thermal mass on the cooling load of buildings：An overview of computational methods[J].Energy and Buildings,1996(24)：1-10.

[3] Creating a common global language for sustainable buildings thermal mass[EB/OL].http：//www.sustainable-buildings.org/ swk5.htm.