北新-清華聯合試驗房熱性能分析

張 宇

（中國建筑科學研究院有限公司建筑設計院，北京 100013）

1973 年，全球發生第一次能源危機后，石油價格飛漲，節能問題漸漸引起了人們的廣泛重視，建筑用能要消耗大概全球1/3 的能源，在建筑用能的同時，還向大氣排放大量污染物，如TSP（總懸浮顆粒物）、SO2（二氧化硫）、NOX（氮氧化物）等。于是，經濟發達國家開始重視建筑節能。20 世紀初以來，隨著生產力發展、人口的增長和人們生活水平的提高，人類能源消耗增長速度大大超過了人口增長，能源問題成為人類社會和全球可持續發展的主要問題。

建筑的運行能耗大約為全社會商品能的1/3。我國正處于經濟發展的高速階段，已經持續了十幾年9%左右的GDP 的高速增長，能源消耗的年增長率也高居于10%左右。建筑行業作為GDP 增長的支柱行業之一，每年大約20 億m2的建筑總量，接近全球年建筑總量的一半。建筑能耗隨著建筑總量的增加而增加。中國建筑能否實現可持續發展，不僅與人民群眾生活質量的提高密切相關，而且也關系到國家能源戰略和資源節約戰略的實施，還關系到全球的氣候變化與可持續發展。

有效利用自然能源，用最小的資源和能源代價換取最大的經濟和社會效益，是實現建筑可持續發展的有效途徑。自然能源在建筑中的應用主要形式之一是太陽能，其儲量豐富，取之不盡、用之不竭，但其具有能源密度低，供應不連續等缺點。在我國一些地區，夏季晝夜溫差較大，利用夜間通風結合建筑圍護結構蓄冷可調節建筑室溫、提高室內舒適度、降低空調能耗。夜間通風可充分利用自然冷源（夜間室外冷空氣），節約大量能源，在過渡季節其節能效果更為顯著。建筑利用太陽能等自然能源會在供需時間和供需量方面存在不匹配的問題，解決途徑之一是通過建筑構件蓄能方式解決自然能源的供應和建筑需求在時間與總量上的矛盾。

近幾年來，國內外學者對如何利用建筑圍護結構熱質體調控房間熱性能進行了廣泛而深入的研究。調控房間熱性能的研究中可分為常物性建材調控和非線性建材調控。

圍護結構熱質體在一個時間周期（一年）內所經歷的溫度區間，稱之為熱質體的作用溫區。常物性圍護結構熱質體是指其熱物性（如體積比熱容、導熱系數）在其建筑熱過程的作用溫區內變化不大，而可視為定值的圍護結構熱質體。Asan 等用一維非穩態傳熱模擬方法，模擬了常物性圍護結構隔熱材料厚度和位置及其熱物性對室外溫度波動的衰減和延遲的作用。并計算了多種建筑材料的衰減系數和延時時間。為進一步研究常物性熱質體對房間熱性能的影響打下基礎。

傳統的常物性建筑熱質體如混凝土、黏土磚等體積比熱容較小，對建筑的熱性能的改善及自然能源的有效利用作用不大。相變過程是伴隨有較大能量吸收或釋放的等溫或近似等溫的過程。利用相變潛熱蓄能的材料稱為相變材料（PCM）。其相變過程呈現體積比熱容的非線性，在特定的溫度區間內可大大提高蓄能密度。相變材料具有相變溫度可調、單位體積蓄能密度較大的特點。如果將此種材料與建筑圍護結構相結合，可利用建筑圍護結構蓄存低品位能源進行空調和采暖。將建筑圍護結構熱質體熱物性（如體積比熱容、導熱系數）在整個建筑熱過程的作用溫區內出現較大變化的圍護結構熱質體稱為非線性圍護結構熱質體。

相變材料作為非線性熱物性材料的代表，半個世紀以前，人們就開始對相變材料在建筑中的應用進行嘗試，從20 世紀80 年代，其受到越來越多的關注。對相變材料作為建筑圍護結構熱質體的研究集中在以下3 方面：①型非線性建筑材料的研制和熱性能研究；②無內熱源的非線性建筑圍護結構應用效果研究；③有內熱源的非線性建筑圍護結構應用效果研究。

應用于建筑中的相變材料，應該滿足以下要求：相變潛熱大、相變溫度合適、過冷度較小、導熱系數較大、體膨脹系數較小、密度較大、性能穩定、和建材相容性好、無毒，以及較低的可燃性；材料易得并且廉價。近幾年來將相變材料與圍護結構復合并用于建筑中的方法有很多，其主要包括直接混合、浸泡吸附法和封裝。

1 建筑信息

北新-清華聯合試驗房位于昌平區，分為對照房間和相變房間，以此來分析相變房的性能。房屋實際信息如圖1 所示。

圖1 試驗房實物圖

兩房間室內的尺寸均為長2.4 m，寬1.8 m，高2.2 m。一面外窗和門朝南，另一面外窗朝北，房檐有遮陽作用。相變房圍護結構材料熱物性見表1—表4，對比房相對于相變房而言沒有相變石膏板。相變石膏板相變溫度為25 ℃。兩房間內均沒有內熱擾。

表1 外墻材料表

表2 屋面材料表

表3 地面材料表

表4 門窗材料表

2 實驗結果分析

圖2是2011年8月13日—2011年8月25日實測的兩房間溫度分布。從圖2中可以看出，使用相變材料后，房間的最高溫度有所下降，溫度波動也明顯降低。但是從相變房的室內溫度來看，相變溫度并不是25 ℃，而是要比25 ℃高，原因可能是相變材料的潛熱不夠。下面，就用數值模擬的方法進一步分析這一現象。

圖2 聯合試驗房實測溫度比較

3 數學模型建立

對上述2 個房間建立數學模型進行求解。以下是所建立房間的物理模型（圖3）。

圖3 房間物理模型

計算用房間信息采用上述實際房間的信息，通風換氣取為0.5 次/h，室內熱擾為0。數值計算時采用全隱式差分格式對房間傳熱方程及邊界條件進行離散求解。

圖4 是對照房間室內空氣溫度實測值與模擬值的比較，兩者吻合的較好，最大相對偏差為8.6%。圖5 是相變房間室內空氣溫度實測值與模擬值的比較，兩者吻合得也較好，最大相對偏差為11.2%。由此驗證了數學模型和程序的正確性。

圖4 對照房間實測值與模擬值對比

4 結果及分析

用驗證了的程序對該聯合試驗房在全年的熱性能進行模擬分析。房間信息不變，由于一般住宅建筑房間發熱量為3.8 W/m2，所以在本計算中，2 個房間的發熱量也取為3.8 W/m2。氣象參數采用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[1]里提供的氣象數據。圖6 是兩房間全年的室溫分布情況，由圖中可以看出，用相變材料以后，全年的最高溫度有所下降，最低溫度有所提高，室溫波動減小。具體來說，最高溫度降低了1.1 ℃，最低溫度提高了1.9 ℃。

圖6 兩房間全年室溫分布

將夏季空調和冬季采暖考慮進去，并將夏季空調設計溫度定為28 ℃，冬季采暖設計溫度定為16 ℃[2-3]，以此來計算兩房間全年的空調及采暖負荷。計算結果表明，加入相變材料后，全年的空調采暖能耗降低了29.9%。具體來說，冬季能耗降低了99.4%，夏季能耗提高了207.1%。即加入相變材料后，在夏季建筑反而更耗能。出現這種情況的原因是相變板的潛熱不夠，在夏季，過多的得熱會使得相變板溫度高于相變溫度，當室外溫度降低時，相變板溫度下降速率較普通板材低，這樣會使得室內溫度一直維持在較高的水平，增加了空調負荷。基于此，考慮通過提高相變板的相變潛熱來降低相變房夏季空調負荷。模擬結果表明，當把相變板相變潛熱提高到原來的2 倍后，相變房冬夏能耗較普通房都降低，其中冬季能耗降低了99.8%，夏季能耗降低了18.1%，全年能耗降低了45.1%。可見，合適的相變溫度和相變潛熱是實現相變房節能的關鍵。

5 結論

1）本文對相變房的夏季實際運行效果進行了分析，發現相變房較普通房而言室內溫度波動明顯降低，并且夏季室內最高溫度也有所下降。

2）能耗模擬表明，相變房全年能耗比普通房低，但是夏季能耗卻會高于普通房，原因是相變板潛熱不夠。

3）當把相變板潛熱提高到原來的2 倍后，相變房冬夏能耗都比普通房低。因此，合適的相變溫度和相變潛熱是相變房實現節能的關鍵。