刘福利，朱　娜，胡平放，柳鹏鹏，雷　飞（华中科技大学，湖北武汉433300）

双层定型相变墙体在我国典型气候区的节能潜力研究

刘福利，朱娜，胡平放，柳鹏鹏，雷飞
（华中科技大学，湖北武汉433300）

双层定型相变墙体中间为普通墙体，外侧为相变温度较高的相变层，在夏季起“隔热”作用，内侧为相变温度较低的相变层，在冬季起“保温”作用。该结构可在全年改善建筑室内热环境，降低建筑运行负荷。重点研究此结构在我国5个典型气候区的节能潜力。选取各气候区典型城市的气象数据作为模拟条件，对比相变房间与普通房间的模拟结果，分析定型相变墙体在各典型气候区的适用性，同时得出节能潜力最大时对应的定型相变材料厚度及相变温度参考值，为该结构的推广应用提供参考。

双层定型相变墙体；典型气候区；相变层厚度；相变温度；节能潜力

0　引言

随着全球经济的高速发展，能源消耗率一直是有增无减，其中建筑能耗占总能耗的19.7%［1］，具有非常大的节能潜力。随着人们对建筑空间热舒适性的要求越来越高，节能理念与舒适室内环境之间的冲突也日趋尖锐，定型相变墙体技术正是在这一大环境下而逐渐成为目前的研究热点。该技术主要利用定型相变材料（shape-stabilized phase change material，SSPCM）的高蓄能密度特性，以及相变过程保持固态的特性，将其制成相变材料板贴附于建筑外墙表面，降低建筑运行能耗，减少室内温度波动，提高室内热舒适性。

国外对相变材料应用研究起步较早。Pasupathy和Velraj［2］将双层定型相变材料应用于屋顶，并对其进行了全年工况的模拟分析，发现这种复合屋顶可适用于全年，且能极大地减缓室内温度波动。Bogdan等［3］对应用双层定型相变墙体的房间做了全年能耗分析，其中外层相变材料主要工作于夏季，可降低全年冷负荷1%，内层相变材料主要工作于冬季，可降低全年热负荷12.8%，同时指出，若对相变温度及其它参数做进一步优化，则可实现更高的节能率。Izquierdo-Barrientos等［4］通过建立一维稳态传热模型进行分析提出，合适的相变温度可减少通过外墙的传热量，从而可降低室内空调或供暖负荷，该温度与PCM层所在位置、朝向以及气候条件等因素有关，对于冬季工况，最优相变温度约高于室内平均温度1～3℃。

目前国内关于相变材料在建筑节能方面的应用也有了诸多的研究。林坤平等［5-6］利用“累计日室内温度不舒适度Idct”和“累计日室内综合温度不舒适度Idc”2个指标对相变墙建筑在我国夏季不同气候条件下的应用效果进行了评价。结论指出夏季室外平均温度低于25℃的地区，相变墙建筑的应用效果较好；夏季室外平均温度高于25℃的地区，相变墙建筑不能解决热舒适问题，但可进一步探索结合空调降低室内供冷负荷的问题。

柴国荣［7］基于Ansys软件建立了混凝土外墙外贴定型相变材料板的模型，分析相变材料厚度为10 mm和20 mm，相变温度为27℃和30℃的4种组合情况下相变墙体的节能效果。结论指出，相变材料厚度的增加，更能降低室内热负荷，而相变温度的小幅度变化对节能效果影响不大，但并不意味着设计时可随意选择不同温度的材料，对此应有更加深入的研究。

黄璟瑜［8］研究了相变材料应用于夏季不同气候区建筑的适宜性，主要针对寒冷地区（北京），夏热冬冷地区（上海）及夏热冬暖地区（广州）做了探讨，其将相变材料贴附于各个朝向墙体的内侧。结论指出，以室内“不舒适度时数值DDHs”作为评价指标，最优相变中值温度稍高于或等于相变材料应用时段平均室内温度时，相变潜热最大，同时导热系数维持在0.6～1 W/（m·K）时效果最好。

已有的研究表明将定型相变材料应用于建筑围护结构，确实可改善室内的热舒适性，降低建筑运行能耗，但这些研究基本都是针对单层相变材料或是指定工况条件的，而将双层定型相变材料应用于建筑外墙时全年的建筑运行能耗及室内热舒适性分析的研究很少。因此，研究不同气象条件下双层定型相变材料在建筑中的节能潜力更具有实际意义。本研究基于TRNSYS软件建立了某相变办公房间及普通办公房间的非稳态传热模型，在相变办公房间南外墙固定双层定型相变材料墙板，而普通办公房间无相变墙板，其它围护结构与相变房间完全一样。分别选取我国5个主要气候区典型城市的气象数据作为模拟条件，以普通房间作为参考比较基准，分析相变房间的适用性及节能潜力，同时给出合理的相变温度以及相变层厚度参考值。

1　物理模型

本研究建立了2个标准的5 m×4 m×3 m（长×宽×高）房间模型，四面墙体及屋顶均为外围护结构，相变房间在建筑南外墙内外侧表面分别贴附定型相变材料板，其中外层相变板Layer1相变温度较高，主要工作于夏季，内层相变板Layer2相变温度较低，主要工作于冬季，中间层为普通墙体Layer3［9］。墙体的热物性参数见表1。

表1　建筑物材料热物性参数

根据ASHRAE规范［10］，墙体内外侧对流换热系数分别取：h室内=8.3 W/（m2·K）和h室外=17 W/（m2·K）。

2　数学模型

为简化分析做出如下假设：（1）忽略墙体垂直方向传热，仅考虑水平方向传热；（2）墙体各层成分分布均匀，热物性参数保持不变；（3）房间内无其它热扰，空气分布均匀；（4）墙体各层层间间隙忽略；（5）相变材料相变过程发生在一个微小的温度区间［11］，由于相变潜热的影响，考虑该过程存在一个等效热容，见式（1）：

式中：Cpl——融化状态比热容，J（/kg·K）；

Cps——凝固状态比热容，J（/kg·K）；

r——潜热，kJ/kg；

t——温度，℃。

相变墙体结构的传热分析如式（2）～（14）所示。

全年冷/热负荷可由如下公式计算：

式（2）～式（15）中：ρ——密度，kg/m3；H——焓，J/kg；τ——时间，s；k——导热系数，W/（m·K）；x——坐标，m；q——热流量，W；A——面积，m2；δ——相变材料厚度，m；α——热扩散率，m2/s；P——功率，W；Q——能耗，J。

3　气象数据的确定

本研究重点选取了我国5个典型气象区代表城市的气象数据用于模拟，分别是哈尔滨（严寒地区）、北京（寒冷地区）、武汉（夏热冬冷地区）、广州（夏热冬暖地区）和昆明（温和地区）。模拟办公房间的使用时间为7：00～18：00，对于冬夏季工况需要开启空调的城市，模拟中提供分体式空调制冷或供暖，分析相变墙体节能效果；对于部分城市冬夏季无需供冷或供暖的情况，则模拟中将空调关闭，分析室内空气得热或散热量。关于模拟过程中各城市冬夏季是否开启空调，结合我国各主要气候区冬夏季的气象特征，设置空调开启原则如表2所示。此外，建筑模拟能耗不仅取决于冷热耗量指标，还取决于采暖空调期时间的设定。结合采暖期与空调期的确定原则［12］，表2同时给出了各气象区典型城市冬夏季模拟时间。

表2　各典型城市冬夏季空调开启原则

对于使用空调的气候区，夏季供冷室内设定温度为26℃，冬季供暖室内设定温度为18℃，同时保证空调功率完全满足室内负荷需求。

4　各典型城市模拟结果与分析

本文气象数据采用Meteonorm软件生成的数据文件。由于双层定型相变墙体外侧相变层相变温度较高，工作于夏季，内侧相变层相变温度较低，工作于冬季，故进行夏季工况模拟时，内层相变材料未发生相变，与普通墙体材料类似；当进行冬季工况模拟时，外层相变材料未发生相变，与普通墙体材料类似。增加相变材料厚度可增大相变墙体蓄热量，但过大增加其厚度会导致相变不完全，使节能效果提升不理想，基于之前的验证分析，相变材料厚度取30～50 mm时效果较好。因此，在进行夏季工况模拟时，内侧相变材料无需考虑相变温度，固定其厚度为30 mm，外侧相变材料厚度按30、40和50 mm分别取值模拟分析；在进行冬季工况模拟时，固定外侧相变材料厚度为30 mm，内侧相变材料厚度按30、40和50 mm分别取值模拟分析。相变温度以1℃为梯度进行模拟，以融化温度为标记，得出节能潜力最优的相变温度。

4.1哈尔滨地区模拟计算结果

哈尔滨位于严寒气候区，对于冬季，分析不同相变层厚度以及相变温度下的供暖能耗，将其与普通房间能耗作对比，得到节能百分率。通过模拟可分析得到全年总热负荷随相变温度的变化，同时内层相变材料厚度不同，年最低总热负荷及对应的最佳相变温度也不尽相同，图1为哈尔滨地区不同相变层厚度条件下全年总热负荷随相变温度变化的曲线。

图1　哈尔滨地区全年总热负荷随相变温度变化曲线

由图1可得，节能效果较好的内层相变材料厚度为50 mm，年总热负荷最低所对应的相变温度为18℃，与普通房间相比年热负荷降低6.03%。

对于夏季，分析加入相变材料对房间内表面传入室内空气热量的影响，从而研究其改善室内热舒适性作用效果。考虑房间的工作时间为7：00～18：00，在此仅取模拟结果中工作时段的数据进行分析。房间内表面与室内空气经过热辐射及热对流形式传递热量，白天工作时段内房间内表面温度通常出现低于室内空气平均温度的情况，加上相变材料的相变吸热作用，因而由房间内表面传入室内的总热量为负值，总体上房间内表面对室内空气具有吸热作用，与普通房间的总体效果一致。通过计算比较可发现，外层相变材料厚度为50 mm时，室内空气传给内表面热量较多，即舒适度改善效果相对较好；同时，当相变温度为30℃时，内表面通过热辐射及热对流吸收室内空气热量最多，与普通房间相比，该指标优化效果达到11.87%，舒适度改善程度较明显。

4.2北京地区模拟计算结果

北京位于寒冷气候区，对于冬季，同样是分析不同厚度相变材料及相变温度对室内供暖能耗节能百分率的影响。依据模拟计算结果，图2为北京地区不同内层相变材料厚度条件下全年总热负荷随相变温度变化的曲线。

图2　北京地区全年总热负荷随相变温度变化曲线

从图2可以看出，节能效果较好的内层相变材料厚度为50 mm，其中年总热负荷最低所对应的相变温度为19℃，与普通房间相比年总热负荷降低8.11%。

北京的夏季同样开启空调，图3为北京地区不同外层相变材料厚度条件下全年总冷负荷随相变温度变化的曲线。

图3　北京地区全年总冷负荷随相变温度变化曲线

从图3可以看出，节能效果较好的外层相变材料厚度为30 mm，但其最优节能效果与其它厚度情况下相变墙体的最优节能效果非常接近，因此相变材料厚度的增加对节能效果影响甚微。通常情况下，相变材料越厚，其节能效果越好，但过大地增加其厚度会导致相变不完全，造成浪费。当外层相变材料厚度为30 mm时，年总冷负荷最低所对应的相变温度为36℃，与普通房间相比年总冷负荷降低6.5%。

4.3武汉地区模拟计算结果

对于夏热冬冷气候区典型城市武汉，冬季情况同样分析相变墙体材料厚度及相变温度变化的节能效果。依据模拟计算结果，当内层相变材料厚度为50 mm时节能效果较好，其中该厚度条件下年总热负荷最低所对应的相变温度为19℃，与普通房间相比年总热负荷降低22.35%。

对于夏季，依据计算结果发现，当外层相变材料厚度为50 mm时节能效果较好，该厚度下年总冷负荷最低所对应的相变温度为26℃，与普通房间相比年总冷负荷降低4.14%。

4.4广州地区模拟计算结果

广州位于夏热冬暖气候区，对于冬季工作时段，室内空气将向房间围护结构内表面散热，造成室内温度降低，舒适度下降。若在南墙内侧加入相变材料，研究其对室内空气向房间内表面传热量的影响。将相变房间与普通房间的模拟结果相比较可以发现，相变材料的添加更加导致了室内空气的散热，室内热舒适度下降，这主要是因为广州地区冬季白天的室外温度依然很高，因此内层相变材料不适用与广州地区白天使用的建筑，但考虑其具有白天吸热、夜间放热的特性，可探索将内层相变材料应用于该气候区夜间使用的建筑是否具有节能潜力。

广州夏季炎热，空调期较长。图4为广州地区不同外层相变材料厚度条件下年总冷负荷随相变温度变化的曲线。

图4　广州地区全年总冷负荷随相变温度变化曲线

从图4可以看出，当相变材料厚度为50 mm时具有较佳的节能效果，该厚度下年总冷负荷最低所对应的相变温度为28℃，与普通房间相比全年冷负荷降低3.77%。

4.5昆明地区模拟计算结果

昆明位于温和气候区，对于冬季，模拟结果显示室内空气对房间围护结构内表面有正向传热作用，但与普通房间相比，相变房间传热作用减弱。图5为不同相变层厚度条件下室内空气散热量随相变温度变化的曲线。

图5　昆明地区室内空气散热量随相变温度变化曲线

从图5可以看出，当相变材料厚度为50 mm时，室内空气经过热辐射及热对流向房间围护结构内表面散热量相对较少，此结果与广州的模拟结果不同，主要是因为昆明冬季的室外平均温度低于广州，内层相变材料在此仍具有适用性。当相变温度为19℃时，与普通房间相比，该指标优化效果可达到17.68%。

对于夏季，围护结构内表面对室内空气具有一定的吸热作用，相变墙体的相变吸热及阻挡室外热量传入的作用更能提高室内的舒适性。图6为昆明地区不同外层相变材料厚度条件下房间内表面传入室内热量随相变温度变化的曲线。

图6　昆明地区室内空气吸热量随相变温度变化曲线

从图6可以看出，与哈尔滨冬季情况类似，当外层相变材料厚度为50 mm时室内空气传给内表面热量较多，即舒适度改善效果相对较好，同时，当相变温度为21℃时，内表面通过热辐射及热对流吸收室内空气热量最多，与普通房间相比，该指标优化效果达到12.28%。

4.6模拟计算结果汇总

综合分析上述各气候区典型城市的模拟结果，可得出双层定型相变墙体在我国典型气候区的节能潜力，其中相变材料厚度及相变温度的变化对节能效果影响较大。表3为各气象区典型城市最佳节能效果的模拟结果。同时计算了模拟期工作时段房间南墙室外温度的平均值，以及总模拟时段室内/外温度平均值，同时依据模拟期室外温度数据计算了平均室外温度日较差［13］。

表3　各典型城市最佳节能效果模拟结果

相变温度的变化对节能效果影响显著，比较表3冬季内层材料最优相变温度与室内平均温度可发现，该相变温度一般略高于室内平均温度0～1℃；而外层相变材料直接与室外接触，主要抑制热量经墙体从传入室内，其最优相变温度受室外温度及太阳辐射影响较大。由于太阳辐射角的不同，北方地区建筑南墙室外平均综合温度与室外平均温度的差值大于南方地区，北方地区（哈尔滨、北京）建筑外层相变材料最佳相变温度与工作时段室外综合温度均值有关，通常高于室外综合温度均值0～5℃左右；南方地区（武汉、广州、昆明）建筑外层相变材料最佳相变温度与室外平均温度有关，通常位于室外平均温度±2℃内。此外，不同气候区及不同季节下相变材料的节能潜力也有所差异。

5　结语

选取我国5个主要气候区典型城市的气象参数，基于TRNSYS软件计算分析了双层定型相变墙体在我国典型气候区的节能潜力。研究发现相变温度及室内外平均温度对相变墙体的节能效果影响最为显著，具体体现在以下4个方面：

（1）内层相变材料最优相变温度受室内空气温度影响，通常高于室内平均温度0～1℃左右。

（2）外层相变材料最优相变温度受室外温度及太阳辐射影响较大。北方地区（哈尔滨、北京）建筑外层相变材料最佳相变温度通常高于室外综合温度均值0～5℃左右；南方地区（武汉、广州、昆明）建筑外层相变材料最佳相变温度通常位于室外平均温度±2℃内。此外最优相变温度附近温度亦具有较好的节能效果，这对外层相变材料的推广应用具有一定的参考意义。

（3）双层定型相变墙体在我国不同气候区的应用效果存在差异，对于冬季空调开启的地区，武汉应用节能潜力优于北京，北京优于哈尔滨，即冬季日较差较小的地区较适合使用相变墙体。

（4）对夏季空调开启的地区，北京应用节能潜力优于武汉，武汉优于广州。即夏季日较差较大的地区较适合使用相变墙体。

本研究尚有一些不足。双层定型相变墙体不能改善夏热冬暖地区冬季办公建筑的室内热舒适性，可进一步研究将内层相变材料应用于该气候区夜间使用的建筑；对于相变材料最佳厚度的选择也应做进一步优化；同时对于空调不开启的地区在建筑中使用相变墙体，室内热舒适改善效果与室外日较差大小之间的关系，还需要更多数据对比分析。

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Study on energy saving potential of the double shape-stabilized phase change material wallboard using in the major climate zones of our country

LIU Fuli，ZHU Na，HU Pingfang，LIU Pengpeng，LEI Fei
（Huazhong University of Science&Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）

The double shape-stabilized phase change materials（SSPCMs）wallboard has traditional wallboard in the middle，the external SSPCM layer active in summers and the internal SSPCM layer active in winter.The structure could improve the indoor thermal comfort and reduce the building energy consumption.This paper aims to analyze the energy saving potential of this structure using in the five typical climate zones in China.Meteorological data in typical city of each climate zone were selected for simulating，then the simulation results of SSPCM building and the reference building were compared.The suitability of the double SSPCM wallboard used in each typical climate zone was analyzed，the optimal thickness and phase change temperature were obtained while the potential of energy saving was the best.It might be helpful for engineering application of the double SSPCM.

double shape-stabilized phase change material wallboard，typical climate zones，wallboard thickness，phase change temperature，energy saving potential

TU111.4

A

1001-702X（2015）12-0008-05

国家自然科学基金资助（51508212）；湖北省自然科学基金资助（2015CFB392）

2015-07-15

刘福利，男，1990年生，湖南衡阳人，硕士研究生。