相變材料在集裝箱建筑夏季隔熱中的性能研究

郭娟利，楊心悅，劉 剛，徐 賀

(天津大學(xué) a. 建筑學(xué)院; b. 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c. 國際工程師學(xué)院，天津 300072)

集裝箱建筑結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、靈活多變、用途廣泛，在建造效率、經(jīng)濟(jì)性等方面有較大的潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，中國生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱占世界產(chǎn)量的95%，僅2018年上半年，我國金屬集裝箱產(chǎn)量達(dá)5 748.3萬m3，累計(jì)增長32.5%[1]。大多數(shù)集裝箱建筑來源于廢舊的貨運(yùn)集裝箱箱體的拼接和改造，圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多為單層鐵皮加保溫隔熱材料(如，一定厚度的聚氨酯)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱、隔聲性能差，熱惰性低，儲熱能力差，導(dǎo)致其受所在地域氣候影響很大，造成建筑制冷采暖能耗高、室內(nèi)溫度波動大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們正常的居住使用需求。

相變材料(phase change material)因其特有的物化性質(zhì)，能夠利用物質(zhì)相變過程中的吸放熱儲存大量潛熱，成為優(yōu)于傳統(tǒng)顯熱儲能材料的物質(zhì)，目前已有大量研究將相變材料用于建筑領(lǐng)域[2]，相變材料主要分為無機(jī)和有機(jī)2種。無機(jī)相變材料又稱為無機(jī)水合鹽，通常以(MnH2O)表示。主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽等,利用晶型之間的轉(zhuǎn)變來進(jìn)行吸熱或放熱[3]。由于在使用過程中容易出現(xiàn)過冷和相分離，應(yīng)用受到局限[4]。 常用的有機(jī)相變材料包括石蠟相變材料、生物質(zhì)相變材料等，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和很多材料兼容性高，目前已在較多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用。將相變材料與傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合并進(jìn)行合理應(yīng)用，能夠有效提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，降低建筑能耗，并通過儲存釋放室內(nèi)能量這一過程調(diào)整室內(nèi)熱環(huán)境。相變材料與傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合研究已成為目前建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)之一。王源霞等[5]采用相變蓄能墻體，結(jié)合通風(fēng)，測試結(jié)果表明，相變蓄能墻體的應(yīng)用提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能，改善了室內(nèi)溫濕度環(huán)境。楊穎等[6]分析了復(fù)合相變混凝土墻體和普通混凝土墻體在受到相同熱擾動時的溫度分布及液相率變化曲線，研究了復(fù)合相變材料中石墨含量的百分比對導(dǎo)熱性能的影響。楊晟等[7]制備并分析了泡沫石墨、石蠟復(fù)合相變儲熱材料的熱性能，研究了將該復(fù)合材料用作墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)時的隔熱和調(diào)溫性能。Lee等[8]提出將相變材料與絕緣材料混合在一起，以纖維素為載體材料將相變材料附著在墻體上，提高了既有建筑墻體的蓄熱能力。研究結(jié)果表明，復(fù)合相變儲熱材料能夠有效地利用晝夜溫差進(jìn)行儲熱放熱，可明顯降低室內(nèi)溫度波動和溫度最大值,從而提高室內(nèi)人體的舒適度，具有較好的調(diào)溫隔熱效果。Guarino等[9]構(gòu)建了多層PCM蓄熱墻體并通過實(shí)驗(yàn)測試證明多層相變墻體具有更好的節(jié)能保溫效果。

將PCM應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠大大改善其熱工性能。但含PCM的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，PCM 物性參數(shù)對墻體熱性能的影響規(guī)律相比于常物性材料墻體有很大的區(qū)別[10],目前將相變材料應(yīng)用于具有特殊外圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及使用特性的集裝箱建筑中研究很少。文中采用Design Builder模擬軟件分析方法研究適用于集裝箱辦公建筑的相變材料復(fù)合墻體，得出集裝箱建筑相變墻體設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化方案，并利用數(shù)據(jù)分析對比的方法對相變墻體的熱工性能進(jìn)行評估，為集裝箱相變墻體設(shè)計(jì)提供思路指導(dǎo)。

1 集裝箱建筑隔熱性能

集裝箱外圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多為導(dǎo)熱系數(shù)高的薄鐵皮，在夏季吸收大量太陽輻射，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置相變材料后，這部分熱量被相變材料所吸收，夜晚室外氣溫下降，相變材料在氣溫降低至相變溫度后，材料狀態(tài)改變，部分熱量釋放至室內(nèi)，使夜間氣溫上升，不適用于夜間居住的建筑類型。因此，文中主要研究微膠囊石蠟相變材料在20尺ICC標(biāo)準(zhǔn)集裝箱圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，建筑類型為辦公室、教室、展覽館等集中在白天使用的公共建筑。微膠囊封裝是指將相變材料包裹在微型膠囊結(jié)構(gòu)中。Schossig等[11]、尚建麗等[12]以石蠟作為相變材料用微膠囊封裝，實(shí)驗(yàn)均證明微膠囊石蠟相變材料具有較好的蓄熱能力和耐久性能，可在建筑物中使用。

1.1 模型建立和參數(shù)設(shè)置

Design Builder 是Energyplus公司開發(fā)的動態(tài)能耗模擬計(jì)算軟件，操作界面具有可視化的優(yōu)勢，處理界面直觀高效，生成的數(shù)據(jù)文件可以結(jié)合統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。文中選取 Design Builder 作為建筑能耗模擬軟件。選取20 ft集裝箱作為模擬的標(biāo)準(zhǔn)模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用聚氨酯內(nèi)保溫，墻體保溫厚度60 mm，屋頂和地面保溫厚度80 mm,如圖1所示。用于建筑領(lǐng)域的相變材料除相變形式、相變溫度等要求，還需具有高儲能、易封裝、安全等性能，保證其與圍護(hù)結(jié)構(gòu)良好結(jié)合，避免出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。模擬氣象參數(shù)來自北京地區(qū)，氣象文件選取清華大學(xué)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫》的CSWD格式氣象文件[13]。

圖1 集裝箱建筑幾何模型軸測圖與南立面正視圖

根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]對圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的要求，設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱物性參數(shù)如表1所示。模擬完成后采用Design Builder Results Viewer進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理。

表1 模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱物性參數(shù)

1.2 建筑內(nèi)擾對圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響

相變墻體設(shè)計(jì)需要考慮內(nèi)擾對隔熱性能的影響，建筑內(nèi)擾為除室外氣候環(huán)境等外擾以外，能夠提高建筑冷負(fù)荷、影響室內(nèi)溫度的因素，包括人體新陳代謝、設(shè)備散熱等。綜合考慮辦公建筑常用設(shè)備能耗及人員密度，選取建筑內(nèi)擾為10 W/m2左右，同時選取20 W/m2、30 W/m2作為對比工況，根據(jù)辦公空間使用特點(diǎn)，人員和設(shè)備產(chǎn)生的熱擾時間段設(shè)置為8:00—18:00，模擬得到建筑內(nèi)擾10 W/m2、20 W/m2、30 W/m2時不同圍護(hù)構(gòu)造的室內(nèi)溫度波動情況，分別繪制曲線圖，如圖2所示。可以看出，在該溫度范圍內(nèi)PCM27、PCM35無法進(jìn)行能量儲存與釋放，其保溫隔熱性能與普通材料無太大差別。相變溫度為29 ℃、31 ℃、33 ℃時都表現(xiàn)出相變儲能特性。相變溫度為29 ℃時，室內(nèi)溫度可控制在31 ℃左右，調(diào)溫效果最好。

圖2 內(nèi)擾為10 W/m2、20 W/m2、30 W/m2時不同墻體構(gòu)造對應(yīng)的室內(nèi)平均溫度

1.3 相變層位置對隔熱性能的影響

模擬30 mm厚相變材料相對于聚氨酯保溫層的位置對圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體隔熱性能的影響。相變層位置設(shè)為保溫層內(nèi)側(cè)、中間和外側(cè)。選取3種不同相變點(diǎn)的相變材料進(jìn)行模擬(PCM29、PCM31、PCM33)，模擬結(jié)果如圖3所示，以PCM29 為例，相變層內(nèi)置能夠?qū)⑹覂?nèi)溫差控制在2 ℃左右，而中置和外置只能將室內(nèi)溫差控制在7 ℃左右，溫度波動仍很大。由模擬結(jié)果可知，相變層設(shè)置于保溫層的內(nèi)側(cè)室內(nèi)溫度波動最小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能最優(yōu)。

圖3 PCM29、PCM31、PCM33下不同相變層相對位置對應(yīng)的室內(nèi)平均溫度(℃)

1.4 相變層厚度對隔熱性能的影響

通過模擬不同相變層厚度下室內(nèi)溫度變化情況，分析厚度對相變墻熱工性能的影響，并確定適用于集裝箱建筑的最佳相變層厚度。選取無相變層和相變材料PCM29不同厚度(10、20、30、50、70、90 mm)進(jìn)行模擬，得到不同相變層厚度下室內(nèi)平均溫度變化趨勢，如圖4所示。可以看出，相變層厚度為10 mm時，由于相變材料較少，在溫度升高后全部融化，無法儲存更多能量，室內(nèi)平均溫度在下午14:00后開始迅速升高。厚度為20 mm時，在下午16:30時室內(nèi)溫度也有上升的趨勢。因此，對于大多8:00—18:00間使用的辦公建筑來說，相變材料厚度需至少達(dá)到30 mm才能儲存足夠熱量，使室溫維持在一定范圍內(nèi)。當(dāng)厚度大于30 mm后，對室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)效果沒有顯著提升，材料厚度對隔熱效果的影響變小，因此對于集裝箱辦公建筑來說30 mm厚的相變材料最合適。

圖4 不同相變層厚度對應(yīng)的室內(nèi)平均溫度(℃)

綜上所述，將相變層布置在保溫層內(nèi)側(cè)，可以更好地調(diào)控室內(nèi)溫度波動，提升集裝箱建筑室內(nèi)熱舒適度。對于內(nèi)擾為10 W/m2的集裝箱辦公建筑，相變材料復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計(jì)方案為50 mmPUR+30 mmPCM29的內(nèi)保溫。

2 集裝箱相變復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素優(yōu)先性分析

采用Design Builder軟件模擬，可知建筑內(nèi)擾、相變材料的相變溫度、位置以及厚度對相變墻體隔熱性能有一定的影響。采用相關(guān)性矩陣研究不同影響因素與圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱效果的相關(guān)性及其權(quán)重，進(jìn)而確定相變墻體設(shè)計(jì)時需考慮的因素主次。匯總不同影響因子對應(yīng)的室內(nèi)日間最高溫，使用 SPSS 軟件匯總進(jìn)行相關(guān)性分析，得到對應(yīng)的相關(guān)性矩陣，如表2所示。

表2 多因素相關(guān)性矩陣

進(jìn)一步分析相關(guān)性矩陣，根據(jù)相關(guān)性對不同影響因素進(jìn)行排序，從大到小依次為建筑內(nèi)擾、相變溫度、相變層位置以及相變層厚度，對應(yīng)的相關(guān)性數(shù)據(jù)為 0.78、0.34、-0.32以及-0.20，計(jì)算得到不同影響因素對圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能貢獻(xiàn)率為 47%、21%、20%與 12%。相變層的設(shè)計(jì)應(yīng)參照該貢獻(xiàn)率，遵循該次序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 相變墻優(yōu)化方案評價方法

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，分析建筑室內(nèi)表面溫度、室內(nèi)平均溫度與過熱度實(shí)數(shù) IDCT,對比無保溫材料、相同厚度90 mmPUR內(nèi)保溫、60 mmPUR+30 mm混凝土以及60 mmPUR+30 mmPCM相變墻最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，對相變墻熱工性能進(jìn)行評估。不同墻體構(gòu)造如表3所示。

表3 不同墻體構(gòu)造

3.1 夏季房間內(nèi)表面溫度

規(guī)范要求夏季設(shè)計(jì)日內(nèi)表面溫度低于室外溫度最高值，采用Design Builder模擬集裝箱建筑在不同墻體構(gòu)造時的夏季設(shè)計(jì)日東、西墻體和屋頂?shù)膬?nèi)表面最高溫度，并且根據(jù)室外最高溫度計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫差，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

從圖5、圖6模擬計(jì)算結(jié)果可知，采用90 mm聚氨酯保溫的墻體熱惰性較差，內(nèi)表面最高溫度相對于 60 mm聚氨酯保溫構(gòu)造僅降低1 ℃ 左右。采用30 mm混凝土+60 mm聚氨酯保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度分別較無保溫時降低 13.5%、14.4%、12.4%。采用30 mmPCM29+60 mm聚氨酯保溫的墻體內(nèi)表面最高溫度分別較無保溫時降低 19.3%、19.3%、15.2%，對比可知，采用相變層的墻體內(nèi)表面溫度降幅較大，并且相同厚度下，相變材料重量遠(yuǎn)比混凝土輕。

圖5 不同構(gòu)造對應(yīng)的最高內(nèi)表面溫度

圖6 不同構(gòu)造墻體內(nèi)表面與室外最高溫度相對差值

3.2 夏季室內(nèi)平均溫度

墻體構(gòu)造還對室內(nèi)熱環(huán)境有較大影響。分析不同墻體構(gòu)造對夏季設(shè)計(jì)日室內(nèi)溫度的影響，計(jì)算溫度數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖7所示。

圖7 夏季設(shè)計(jì)日不同構(gòu)造對應(yīng)的室內(nèi)平均溫度(℃)

計(jì)算使用30 mm厚、相變溫度29 ℃的相變材料室內(nèi)平均溫度可以維持在27 ℃左右，與同等厚度聚氨酯內(nèi)保溫墻體和混凝土構(gòu)造相比分別降低1.4 ℃、1.3 ℃。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用30 mm和PCM29 相變層的墻體構(gòu)造的圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度調(diào)控效果與130 mm混凝土墻體構(gòu)造近似，重量僅為130 mm混凝土的1/40，可提高室內(nèi)的有效使用面積。

3.3 過熱度時數(shù)

累計(jì)日室內(nèi)溫度不舒適度IDCT是室內(nèi)平均溫度與室內(nèi)平均綜合溫度超出舒適度閾值部分對時間的積分,采用的參數(shù)是室內(nèi)空氣溫度和恒定的溫度閾值[16]。用IDCT能夠直觀比較不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)下建筑的熱舒適以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能。

(1)

(2)

式中:td為人體熱舒適度上限，計(jì)算選取td為 28 ℃；tz為室內(nèi)綜合溫度，℃，用于評價人體熱感覺；tin為室內(nèi)干球溫度，℃。

圖8顯示，相對于無保溫構(gòu)造，使用PUR層保溫構(gòu)造墻體對應(yīng)的夏季隔熱效果并不理想，雖然過熱平均溫度降低，過熱度變化不大。而相變墻體IDCT降低 55%，大大提升了被動式集裝箱建筑的室內(nèi)熱舒適度，改善了集裝箱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的夏季隔熱效果。

圖8 不同墻體構(gòu)造過熱度時數(shù)

3.4 重量和造價

計(jì)算采用相變材料的墻體構(gòu)造密度為混凝土密度的 1/10，在提高墻體隔熱效果的同時大大降低了建筑整體重量，滿足了集裝箱建筑對強(qiáng)度和移動性的要求。因而對于集裝箱建筑夏季隔熱效果的改善，相變材料均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)保溫材料與混凝土，是解決集裝箱辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季隔熱問題的理想構(gòu)造。此外，不考慮生產(chǎn)施工造價，60 mm聚氨酯+30 mm相變材料復(fù)合墻體價格在120元/m2左右，保溫效果相似的130 mm混凝土價格為36.4元/m2。

4 結(jié) 論

通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，僅使用聚氨酯保溫材料，集裝箱建筑墻體熱惰性差，過熱時長增加。相變材料是解決集裝箱辦公建筑夏季隔熱的理想隔熱材料。通過合理設(shè)計(jì)相變材料復(fù)合傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可達(dá)到更優(yōu)的室內(nèi)被動式調(diào)溫效果，不僅降低了室內(nèi)平均溫度，同時也大大減少過熱時長。研究成果為廢舊集裝箱改造用于辦公建筑提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。