相變材料在寒冷地區居住建筑節能中的應用研究

丁玉賢，張萌，郝林（.內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 0400；.內蒙古自治區高校智能建造與運維工程研究中心，內蒙古 包頭 0400；.興泰建設集團有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 07000）

0 引 言

能源是人類生存與發展的物質基礎，也是制約經濟發展的主要因素，建筑節能減排控制已成為我國重要的規劃項目。由于我國北方冬季室外環境溫度低，采暖周期長，農村住宅圍護結構的能耗約占總能耗的60%～80%，提高圍護結構的熱惰性和儲能潛力是解決建筑能耗的關鍵因素[1]。建筑圍護結構的熱性能對建筑空間的冷負荷和熱負荷有顯著影響，將相變材料（PCM）應用到建筑圍護結構中是一種新型綠色建筑節能技術，被越來越多的研究人員關注[2-6]。

Zhang等[7]認為相變材料參數對提高墻體保溫性能至關重要。Koo等[8]認為，室內空氣溫度與相變材料的相變溫度之間的匹配性，對圍護結構儲能性有很大影響。Jin等[9]將雙層相變材料應用于地板輻射系統中，并研究了最佳位置和相變溫度的選擇對地面輻射量的影響。Jiang等[10]研究了相變材料的相變溫度與最佳室內溫度的協同關系。Ibanez等[11]研究了相變材料在圍護結構中的最佳位置，確定在西墻和屋頂布置相變材料更有利于節能環保。Peippo等[12]的研究表明：相變材料的相變溫度高于室內溫度3 ℃時，更有利于圍護結構吸收熱量。David等[13]研究發現：沒有PCM時，墻體壁面與室內溫差是常數；當有PCM時，墻壁面溫度緩慢下降。Jin等[14]進行了PCM層理想位置實驗，結果表明：隨著相變溫度、相變潛熱和相變層厚度的增加，相變層的理想位置逐漸向墻體外表面移動。柴國榮[15]分析PCM墻體的節能效果時發現：PCM厚度與室內熱負荷呈反比關系，較小的相變溫度變化對節能影響不顯著。黃璟瑜[16]的研究表明：夏季時，室內溫度略低于或等于最優相變中值時，相變潛熱最大，相變材料安置于墻體內側更節能。

此前的研究中，有學者將PCM層放置在靠近室內環境的地方進行研究，例如墻板浸入PCM的墻壁內表面；有學者設計PCM層靠近墻的外表面，或靠近石膏內表面，或在絕緣腔內；有學者研究了相變材料的層數、相變材料的厚度對建筑能耗的影響。先前的實驗研究發現，PCM在建筑物墻壁內的位置對相變過程和熱性能改進有很大影響。這些研究成果對提高建筑節能技術有著重要意義，但從全年氣候特征的視角出發、有針對性地分析北方寒冷地區PCM墻體節能應用的研究較少。本文將在前人研究的基礎上，以北方地區民居建筑為研究對象，開展相變材料在墻體的理想位置和相變溫度對全年建筑節能的影響等方面的研究，以期為在我國北方農村地區推廣含相變材料的新型綠色節能技術提供理論支持。

1 模型參數

本研究以遼寧省錦州市的其典型住宅建筑為例，通過能耗分析軟件EnergyPlus，將PCM層在墻體中不同位置進行配置，開展相變蓄熱材料對建筑供暖空調能耗影響的分析。建筑結構圖，如圖1所示；能耗分析模型，如圖2所示。

圖1 建筑平面圖

圖2 能耗分析模型

室內環境設置，按照每個臥室2人設定。照明功率密度，參照GB 50034—2013《建筑照明設計標準》，取值7 W/m2。采暖設定溫度為18 ℃，制冷設定溫度為26 ℃。建筑圍護結構設計參數，符合JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》要求。圍護結構性能詳細參數，如表1所示。

2 能耗模擬與分析

為增加我國北方地區太陽能的利用率，緩解建筑能量在供求時間和強度上的不匹配矛盾，采用具有自動調溫的相變材料填充建筑圍護結構，增加建筑的蓄熱能力和儲能能力，其節能效果與相變材料的性能參數和安裝位置有直接關系。

2.1 建筑圍護結構設計和相變材料參數特征

根據北方地區的氣候特征，參照北方地區民居建筑設計參數，開展不同相變溫度下相變材料的安裝位置對建筑能耗的影響研究。相變墻體構造設計，如表2所示；相變屋頂構造設計，如表3所示。

表2 相變材料在屋頂中的安裝位置

表3 相變材料在外墻中的安裝位置

表4 相變材料的性能參數

北方傳統民居建筑圍護結構的熱量不穩定，蓄熱能力較差，導致采暖能耗較大。為提高節能效果，分別選取了5種不同相變溫度的相變材料。相變溫差在5 ℃，如相變材料的相變融化溫度為10 ℃，則其凝固溫度為15 ℃。安裝位置分別選取為安裝在保溫層外側、保溫層與結構層之間、結構層與室內之間。

2.2 填充相變材料后的圍護結構能耗分析

2.2.1 不同相變溫度下相變材料的安裝位置對建筑能耗的影響

當前，我國北方地區的相變材料的相變溫度與當地建筑環境的適宜性還不明確。為提高建筑結構的熱容性、節能和保溫效果，采用EnergyPlus軟件對建筑能耗進行模擬分析。

不同相變溫度和不同相變材料的安裝位置對建筑制冷能耗的影響，如圖3所示。隨著相變材料的安裝位置從室外向室內移動，制冷能耗逐漸減小。相變材料安裝在圍護結構中間層和位于室內層，節能率基本相同無顯著差異。當相變溫度為20 ℃時，相變材料在圍護結構的中間層和室內層時，制冷能耗顯著減少，相比于無相變材料結構，制冷節能率為46%。

圖3 不同相變溫度下相變材料安裝位置對制冷能耗的影響

不同相變溫度和不同相變材料的安裝位置對建筑采暖能耗的影響，如圖4所示。當相變溫度為5～20 ℃時，對采暖能耗存在顯著影響；當相變溫度超過25 ℃時，相變溫度對采暖能耗幾乎沒有影響。當相變溫度為15～20 ℃，相變材料安裝在中間層和室內側時，節能效果明顯：當相變溫度為15 ℃時，采暖能耗降低81%；當相變溫度為20 ℃時，節能率為50.1%。但是相變溫度在5～20 ℃，相變材料在圍護結構外側時，節能率僅有3%～5%，節能率偏低。

圖4 不同相變溫度下相變材料安裝位置對采暖能耗的影響

不同相變溫度和不同相變材料的安裝位置對建筑總能耗的影響，如圖5所示。隨著相變溫度的增加，整體能耗的節能率呈現先增加后減少的趨勢。對總能耗來說，當相變溫度為15～20 ℃，相變材料安裝在圍護結構中間層和室內層時，節能效果顯著，綜合能耗降低47%～56%；當相變材料位于室外層時，節能率僅有3%左右，節能率不顯著。

圖5 不同相變溫度下相變材料安裝位置對總能耗的影響

2.2.2 相變材料最佳相變溫度的選擇

據上文2.2.1的分析，當材料的相變溫度在15～25 ℃時，節能效果最為顯著。為了得到更加準確的相變溫度和相變溫差，進行不同相變溫度和相變溫差下采暖和制冷能耗的分析，相變材料選取相變溫度范圍為15～28 ℃，相變溫差為1～6 ℃。

相變溫度和相變溫差對采暖能耗的影響，如圖6所示。從相變溫度角度看，當相變溫度在16～19 ℃時，相變材料降低采暖能耗的效果非常明顯，單位面積采暖能耗在12.3 kW·h/m2以下。當相變溫度≥17 ℃時，則隨著相變溫差的增加，采暖能耗呈現出不斷增加的趨勢。當相變溫度超過25 ℃時，采暖能耗基本維持在27.47 kW·h/m2，基本上已經失去了降低采暖能耗的能力。當相變溫度為17～18 ℃，相變溫差為1 ℃時，采暖能耗最低，不超過2.6 kW·h/m2；相比于不采用相變材料，可以實現節能率高達90.1%以上，單位面積節約3.1 kg標準煤，減少約7.7 kg二氧化碳排放。

相變溫度和相變溫差對制冷能耗的影響，如圖7所示。從相變溫度角度看，當相變溫度為19～24 ℃時，相變材料降低制冷能耗的效果非常明顯，單位面積制冷能耗在12.23 kW·h/m2以下。當相變溫度＜21 ℃時，隨著相變溫差的增加，制冷能耗呈現逐漸下降的趨勢；而當相變溫度≥22 ℃時，隨著相變溫度溫差的增加，制冷能耗呈現出不斷增加的趨勢。當相變溫度超過26 ℃時，制冷能耗基本維持在15.36 kW·h/m2左右，基本上已經失去了降低制冷能耗的能力。當相變溫度為24 ℃，相變溫差為1 ℃時，制冷能耗最低，為4.55 kW·h/m2；相比于不采用相變材料，可以實現節能率高達70.3%，單位面積節約1.32 kg標準煤，減少約3.24 kg二氧化碳排放。

圖7 不同相變溫度和相變溫差對制冷能耗的影響

相變溫度和相變溫差對制冷和采暖總能耗的影響，如圖8所示。從相變溫度角度看，當相變溫度為17～22 ℃時，相變材料降低總能耗的效果非常明顯，總能耗隨著相變溫差的不同而呈現出較大差異，單位面積能耗在15.01～34.88 kW·h/m2之間變動。當相變溫度＞18 ℃時，隨著相變溫度溫差的增加，總能耗呈現出不斷增加的趨勢。當相變溫度超過26 ℃時，總能耗在40.75～42.83 kW·h/m2之間變動，基本上已經失去了降低能耗的能力。當相變溫度為18～22 ℃，相變溫差為1 ℃時，總能耗最低，為15.01～15.39 kW·h/m2；相比于不采用相變材料，可以實現節能率高達64.1%，單位面積節約3.37 kg標準煤，減少約3.24 kg二氧化碳排放。

圖8 不同相變溫度和相變溫差對制冷和采暖總能耗的影響

3 結 語

本研究利用EnergyPlus軟件進行了333次仿真模擬，研究相變材料的相變溫度、相變材料位置對北方地區建筑能耗的影響，得出結論如下。

（1）相變材料在圍護結構中的安裝位置對建筑能耗影響顯著。相變材料安裝于圍護結構中間層和內層時，節能效果明顯：當相變溫度為20 ℃時，制冷能耗減少46%；當相變溫度為15 ℃時，采暖能耗降低81%；當相變溫度控制在15～20 ℃時，綜合能耗降低47%～56%。但當相變材料安裝在室外側，相變材料對節能的貢獻率較低。

（2）相變溫度和相變溫差對建筑能耗降低存在顯著的耦合作用，相變溫差對制冷和采暖能耗的影響存在相助的相變溫度分界點。分界點前后，相變溫度對能耗的影響呈現出截然相反的規律。采暖的相變溫度分界點為15 ℃和17 ℃：當相變溫度＜15 ℃時，隨著相變溫差的變化，建筑采暖能耗減小；當相變溫度＞17 ℃時，采暖能耗隨著相變溫差的增加而增大。制冷的相變溫度分界點為21 ℃和22 ℃。制冷和采暖總能耗的臨界點為15 ℃和18 ℃。分界點之間的能耗受到相變溫差的影響存在著較大波動性。

（3）相變溫差對建筑能耗有顯著影響。相變溫差為1 ℃，是相變材料的最佳相變溫差。此時，當相變溫度為18 ℃時，達到最低采暖能耗2.5 kW·h/m2；當相變溫度為24 ℃時，取得最低制冷能耗為4.55 kW·h/m2；當相變溫度為19 ℃時，最低總能耗為15.01 kW·h/m2。

綜上所述，當相變材料安裝在圍護結構的中間層和室內層，相變溫差為1 ℃，相變溫度控制在15～20 ℃時，更能發揮相變材料的節能效果，能更好地實現溫度平移作用，提高室內熱舒適度。