孟二林，于 航，张美玲，谢 涛

（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海201804；2.同济大学 暖通空调及燃气研究所，上海201804）

相变材料（phase change material，PCM）与建筑围护结构的结合可以提高室内舒适性，降低建筑能耗，是目前国内外研究的热点问题［1－2］.Ibanez等［3］指出相变墙体在夏季应用时相变材料应该布置在西墙和屋顶，相变墙体最大可以使室内温度降低3℃.Pasupathy等［4］将2种不同相变温度的相变材料布置在屋顶的内层和外层，并对这种屋顶进行了全年的试验和模拟研究，结果显示，双层相变材料有利于减少室内温度波动，适用于全年所有季节.张群力等［5］设计了一种利用不同相变温度的定形相变材料蓄能的吊顶形式，通过对吊顶热性能影响因素的敏感性分析得知，相变材料的热导率主要影响吊顶蓄热效率和蓄热量，相变温度和相变潜热主要影响吊顶表面热通量的衰减时间.Frederic Kuznik等［6］比较了相变房间和普通房间不同围护结构表面的热流变化情况，得出相变房间围护结构内表面的热流密度比普通房间大、相变墙体的蓄热量和放热量都比普通墙体大的结论.Maha Ahmad等［7］研究了相变材料用于轻质墙体时内表面热流变化情况，得出无PCM 的墙体1d中的蓄放热量基本相等，而PCM 墙体1d的蓄热量大于其放热量.另外，目前有学者［8－11］研究了相变墙体内表面对流换热情况对墙体蓄、放热性能以及室内热环境的影响.为了改善室内全年热环境，本文提出了组合式相变房间的方法，即在房间不同朝向的围护结构上布置2种不同相变温度的相变材料，相变温度较高的相变材料在夏季发生相变改善夏季室内热环境，相变温度较低的相变材料在冬季发生相变改善冬季室内热环境.本文建立了组合式相变房间的试验装置，并对其室内热环境和围护结构的换热性能进行了试验研究.

1 试验设计

1.1 试验装置

如图1 所示，试验对象是2 个尺寸为1 m×1m×1m 的缩尺寸房间，在2房间的南墙上都开有0.7m×0.7m 的窗户.2房间围护结构从外到内的材料构成见表1.

图1 测试装置Fig.1 Test equipments

表1 围护结构材料构成Tab.1 Composition of the wall materials

在组合式相变房间的内表面贴有2种不同相变温度的相变材料板，分别为SP29 和RT18，其中SP29是无机材料，RT18是有机材料.2种相变材料在组合式相变房间内的布置方式见表2.2种相变材料的物性参数见表3.2种材料的封装方式如图2所示.

表2 相变材料在室内的布置方式Tab.2 PCMs arrangement in the room

1.2 测试参数及测点布置

试验过程中测试的参数包括：2房间内的空气温度以及各内表面的壁面温度、室外空气温度、室外太阳辐射强度、墙体内表面热流密度.各测试仪器及其精度见表4.

表3 相变材料的物性参数Tab.3 Physical characteristics of the PCM

图2 相变材料封装方式Fig.2 Encapsulation method of the PCM

表4 测试参数及仪器Tab.4 Parameters and instruments

测点布置情况见图3，其中测点7 为室内中心点，是室内空气温度的测点，其他各点布置在各面墙体的中心点，在这6个点同时测量壁面温度以及热流密度.室外太阳辐射强度的测点布置在相变房间外的屋顶上（无任何遮挡），室外空气温度的测点布置在距离试验房间1m 远的阴凉处.

图3 测点布置Fig.3 Distribution of the measuring points

2 室内热环境试验结果

从图4可以看出：普通房间室内空气最高温度达到48.0 ℃，而组合式相变房间的为42.5 ℃，温差为5.5 ℃.普通房间室内空气最低温度为29.5 ℃，组合式相变房间的为30.7 ℃，温差为1.2 ℃.

试验过程中普通房间室内空气温度变化幅度为18.5 ℃，组合式相变房间的为11.8 ℃，后者波动更小.相变材料起到了改善室内热环境的作用.另外还可以发现由于相变材料增加了围护结构的热惰性，组合式相变房间室内空气温度的波动比普通房间有一定的延迟.

图4 空气温度与太阳辐射强度的变化Fig.4 Air temperature and solar radiation

3 围护结构内表面换热计算

3.1 热流

房间某一围护结构内表面与其他5个内表面的辐射换热热流qr计算公式为

式中：σ为斯忒藩－波尔兹曼常量，为5.67×10－8W·m－2·K－4；T1为计算围护结构表面温度，K；Ti为除计算围护结构外其他5个围护结构内表面的面积加权平均温度，K；ε1为计算围护结构表面发射率；A1为计算围护结构表面积，m2；Ai为除计算围护结构外其他5个围护结构表面积之和，m2；εi为其他5个围护结构表面发射率.

通过围护结构内表面的总热流可以用热流仪测得，因此其对流热流即为

式中：qz为围护结构表面总热流.本文用围护结构中心点处的热流密度代表该围护结构的平均热流密度.

3.2 屋顶内表面热流

从图5可以看出，白天时组合式相变房间屋顶的辐射热流为正值（向室内放热），对流热流为负值（从室内吸热），但是对流热流的绝对值更大，因此总热流为负值，即主要以对流的方式从室内吸热.

图5 屋顶辐射热流和对流热流的变化Fig.5 Radiation and convection heat fluxes of the roof

普通房间白天屋顶的辐射热流为正值，对流热流为负值，但是辐射热流的绝对值更大，因此总热流为正值，即主要以辐射的方式向室内放热.

夜晚时无论组合式相变房间还是普通房间，屋顶内表面的热流都比较小，其中普通房间屋顶内表面的辐射热流基本为零，对流热流为负值，因此普通房间屋顶主要以对流的方式从室内吸热.组合式相变房间屋顶的辐射热流基本为零，对流热流为正值，其中对流热流的绝对值更大，因此组合式相变房间屋顶主要以对流的方式向室内放热.

分别比较组合式相变房间和普通房间的辐射热流和对流热流可以发现：2个房间的屋顶和室内的辐射换热热流差别不大，其峰值相差0.22 W·m－2，但是组合式相变房间屋顶和室内空气之间的对流换热热流却远大于普通房间的屋顶，其峰值相差28.09 W·m－2.

3.3 西墙内表面热流

如图6所示，白天时组合式相变房间和普通房间西墙都主要以对流的方式从室内吸热.在第2d 14：00左右，由于太阳直射的原因，普通房间西墙内表面温度升高，其辐射热流出现短暂的正值.

图6 西墙辐射热流和对流热流的变化Fig.6 Radiation and convection heat fluxesof the west wall

夜晚时组合式相变房间西墙的辐射和对流热流基本都为正值，其中辐射的热流更大，即主要以辐射的方式向室内放热.

普通房间西墙夜晚时的辐射和对流热流基本都为负值，两者之间没有明显的强弱关系.

由上述分析可知组合式相变房间西墙内表面的辐射和对流热流都大于普通房间的西墙，其中辐射热流的峰值相差2.02 W·m－2，对流热流的峰值相差3.91 W·m－2.

3.4 地板内表面热流

从图7可以看出，白天时，组合式相变房间地板的对流和辐射热流都为负值，其换热方式以辐射为主.普通房间地板的对流和辐射热流也都为负值，但是其换热方式以对流为主.

图7 地板辐射热流和对流热流的变化Fig.7 Radiation and convection heat fluxes of the floor

夜晚时，组合式相变房间和普通房间地板都主要以辐射的方式向室内放热.

组合式相变房间地板和普通房间地板内表面的对流热流差别较小，其峰值相差2.08W·m－2，但是组合式相变房间地板的辐射热流远大于普通房间，其峰值相差16.42 W·m－2.

3.5 东墙内表面热流

如图8所示，组合式相变房间东墙白天的辐射热流为正值，原因是组合式相变房间的东墙布置的相变材料是RT18，其相变温度为18 ℃左右，在试验过程中一直处于液态，相变潜热不能发挥作用，因此其内表面温度比较高，而西墙、屋顶和地板布置的是SP29相变材料，试验过程中相变潜热的作用使得围护结构内表面温度不会太高，而北墙虽然也是RT18相变材料，但由于其未受到太阳直射，其内表面温度也不会太高，因此组合式相变房间东墙内表面的辐射热流为正值.其对流热流为负值的主要原因是白天时通过窗户的得热量较大，因此室内空气温度比较高，大于东墙内表面温度.普通房间东墙的辐射和对流热流呈现出相似的变化规律，上午10：00 左右由于受太阳直射作用导致内表面温度突然上升，使内表面热流出现正值的峰值；12：00左右出现负值的峰值，此时受太阳辐射得热的影响室内空气温度比较高，导致室内空气和东墙内表面的温差增大.

图8 东墙辐射热流和对流热流的变化Fig.8 Radiation and convection heat fluxes of the east wall

组合式相变房间东墙夜晚的对流热流基本为零，辐射热流为负值，即主要以辐射方式从室内吸热.普通房间东墙夜晚时的对流和辐射换热没有明显的强弱关系.

组合式相变房间东墙的对流和辐射热流均大于普通房间，其中辐射热流的峰值相差14.78 W·m－2，对流热流的峰值相差18.82 W·m－2.

3.6 北墙内表面热流

从图9可以看出，组合式相变房间北墙白天时的辐射和对流热流均为负值，其中对流热流的绝对值更大，因此组合式相变房间北墙白天主要通过对流的方式从室内吸热.夜晚时辐射热流为负值，且绝对值更大，即主要以辐射的方式从室内吸热.

图9 北墙辐射热流和对流热流的变化Fig.9 Radiation and convection heat fluxes of the north wall

分别比较组合式相变房间和普通房间的辐射热流和对流热流可以发现，组合式相变房间东墙的对流和辐射热流均略大于普通房间东墙，其中辐射热流的峰值相差2.11 W·m－2，对流热流的峰值相差1.46 W·m－2.

4 围护结构热性能

4.1 辐射和对流热流

4.1.1 白天

（1）对流热流.组合式相变房间和普通房间各围护结构白天的对流热流都为负值，只有房间屋顶和东墙、西墙在短时间内出现短暂的正值.主要原因是白天时室内空气温度高于各围护结构壁面的温度.

（2）辐射热流.组合式相变房间和普通房间的东墙和屋顶白天的辐射热流都出现了正值，原因是组合式相变房间东墙的相变材料全部处于液态，不发生相变，受太阳直射时其内表面温度上升较快.而屋顶虽然有相变温度较高的相变材料可以吸收部分太阳辐射热量，但是其受太阳直射的时间较长，因此其内表面温度较高.普通房间西墙白天辐射热流出现正值，而组合式相变房间西墙的辐射热流始终为负值，原因是组合式相变房间西墙虽然在下午也受到太阳直射，但是其直射时间比较短，而且组合式相变房间西墙有相变温度较高的相变材料发生相变，吸收了大部分太阳辐射热量，避免内壁面温度上升过大.

4.1.2 夜晚

（1）对流热流.组合式相变房间和普通房间夜晚时各壁面的对流热流基本都为正值.只有普通房间屋顶的对流热流为负值.主要原因是房间通过窗户的散热量较大，使得室内空气温度较低，低于围护结构内表面温度.而普通房间屋顶对流热流为负的原因是屋顶夜晚和天空的长波辐射量较大，使得其内表面温度较低.

（2）辐射热流.组合式相变房间和普通房间夜晚除了地板外的其他围护结构的辐射热流基本都为负值，只有地板的辐射热流是正值.主要原因是地板表面的温度较高.

4.2 围护结构表面主要换热方式

从表5中可以看出，白天无论组合式相变房间还是普通房间，其内表面的换热方式都主要以对流为主，原因是白天通过窗户的得热量较大，使得室内空气温度上升较快，流动加速，导致对流热流较大.组合式相变房间地板白天以辐射换热为主的原因是其地板中含有的SP29的相变材料发生相变使得其表面温度比室内其他表面温度都低，形成了比较大的辐射热流.另外由于地板表面温度低于室内空气温度，形成了“冷面朝上”的对流换热形式，其对流热流相对较小.

表5 2房间围护结构主要换热方式Tab.5 Main heat exchange method of the two rooms

夜晚通过2房间围护结构的辐射和对流热流都比较小，其中组合式相变房间内的换热方式主要以辐射为主，主要是由于房间内不同围护结构含有2种不同的相变材料，其中SP29相变材料发生相变，而RT18相变材料没有发生相变，导致组合式相变房间内围护结构内壁面温度差别比较大，因此辐射换热热流也比较大.普通房间由于围护结构本身的蓄热能力比较有限，夜晚时各面墙的温度差别不大，其辐射换热和对流换热没有明显的强弱关系.

5 结论

（1）相对于普通房间而言，组合式相变房间改善夏季室内热环境的效果更加明显.

（2）白天组合式相变房间和普通房间围护结构的换热方式都以对流为主，但是夜晚组合式相变房间围护结构的换热方式主要以辐射为主，而普通房间围护结构的对流和辐射换热则没有明显的强弱关系.

（3）组合式相变房间围护结构的对流和辐射热流密度都比普通房间围护结构大.

（4）本文的试验结果可以作为数值研究的验证.

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