賈麗霞

墻體熱儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)是指在建筑中通過(guò)相應(yīng)的構(gòu)造設(shè)計(jì),大量使用墻體材料來(lái)吸收、保存和釋放熱量。另外,內(nèi)熱源和進(jìn)入室內(nèi)的熱量也可以通過(guò)對(duì)流輻射等方式儲(chǔ)存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和家具中,并隨著室內(nèi)外溫度的變化而釋放或存儲(chǔ)能量,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有蓄熱放熱特性,因而對(duì)墻體儲(chǔ)能技術(shù)的研究具有重要的理論意義。

1 研究意義

在強(qiáng)調(diào)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的今天,在建筑熱工設(shè)計(jì)中要求能根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r,合理利用太陽(yáng)能等氣候資源,減少夏季使用空調(diào)和冬季采暖造成的能源消耗。在節(jié)能建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃中太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)是需要重點(diǎn)考慮的氣象參數(shù)。然而太陽(yáng)能具有間斷性和不穩(wěn)定性,幾乎所有用于采暖、供應(yīng)熱水、生產(chǎn)過(guò)程用熱等的太陽(yáng)能熱利用裝置都需要儲(chǔ)存熱能,因而對(duì)于能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用技術(shù)的研究具有重要的理論意義。結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用,住宅建筑冬季供暖空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)完全可以通過(guò)調(diào)控裝置對(duì)這部分能量加以利用,這對(duì)建筑節(jié)能、環(huán)境保護(hù)和提高室內(nèi)環(huán)境舒適性都具有積極作用[1]。

我們知道,利用儲(chǔ)能材料的熱惰性特征,可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的日溫差調(diào)節(jié),顯著減小室內(nèi)溫度波幅,將室溫維持在接近人體熱舒適溫度20℃～26℃這個(gè)很小的范圍內(nèi),此舉可為用戶節(jié)省制熱/制冷費(fèi)用及暖通空調(diào)系統(tǒng)的初始投資。實(shí)踐表明,墻體儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能效果能維持?jǐn)?shù)小時(shí)、數(shù)天,甚至數(shù)月,對(duì)于冬天和夏天常使用常規(guī)能源采暖或制冷的建筑具有很高效的節(jié)能作用。同時(shí)墻體的熱儲(chǔ)能技術(shù)可以與自然通風(fēng)、太陽(yáng)能利用、分布式能源技術(shù)等相結(jié)合,完善建筑節(jié)能的技術(shù)體系,提高能源的效率,具有很高的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

對(duì)于蓄熱體,即“Thermal mass”,國(guó)外研究者有多種理解：在一部分研究者看來(lái),它是表示一種物質(zhì)——具有蓄熱能力的建筑材料[2];另外一部分研究者認(rèn)為它是類(lèi)似于熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)、表示材料的一種熱物性——表示建筑材料儲(chǔ)存熱量的能力[3]。在國(guó)內(nèi),人們一般取Thermal mass為前一種意思,即認(rèn)為它是具有蓄積熱量這一特性的材料的通稱(chēng)。一般情況下,蓄熱體包含在外墻、隔墻、天花板以及地板當(dāng)中,是由高熱容量等性質(zhì)的物質(zhì)組成。

H.Asan等人計(jì)算模擬了墻體的厚度及熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)時(shí)間延遲和衰減因子的影響,考慮當(dāng)總厚度一定時(shí),研究不同保溫材料、保溫位置及厚度對(duì)輕質(zhì)、重質(zhì)墻體的時(shí)間延遲和衰減因子的影響。另外,蓄熱體的位置設(shè)置也很重要,外蓄熱體暴露在太陽(yáng)光下直接吸收太陽(yáng)輻射熱,是蓄熱的主要部分,所以應(yīng)設(shè)計(jì)使蓄熱體盡量多的暴露于太陽(yáng)光下;內(nèi)蓄熱體主要是由內(nèi)熱源或進(jìn)入室內(nèi)的熱量通過(guò)對(duì)流、輻射作用下間接蓄熱,但由于內(nèi)蓄熱體能有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,因此,應(yīng)設(shè)計(jì)內(nèi)蓄熱體盡可能多的暴露于室內(nèi)空間中。結(jié)果表明墻體熱物性對(duì)時(shí)間延遲和衰減因子作用明顯,墻體厚度存在一個(gè)最佳值。

Givoni對(duì)建在美國(guó)加利福尼亞州北部的實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行了測(cè)試,分析夏季不同蓄熱材料蓄冷對(duì)白天降低室內(nèi)溫度的作用。他發(fā)現(xiàn)對(duì)于重質(zhì)建筑來(lái)說(shuō),利用建筑蓄熱耦合夜間通風(fēng)蓄冷是一種非常有效的降溫措施。在白天最高溫度為38℃時(shí),室內(nèi)最高溫度只有24.5℃,這在潮濕的加利福尼亞州是處于屬于舒適性范圍的。A.Antonopoulos對(duì)內(nèi)蓄熱體(隔墻、天花板、地板和家具)對(duì)時(shí)間常數(shù)和時(shí)間延遲的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：內(nèi)蓄熱體對(duì)時(shí)間常數(shù)、時(shí)間延遲的影響很大,若內(nèi)蓄熱體可提高室內(nèi)時(shí)間常數(shù)40%,則其中25%的增加是由內(nèi)隔墻引起,15%是由于家具的作用。

國(guó)內(nèi)對(duì)有關(guān)單獨(dú)儲(chǔ)能方面工程應(yīng)用和專(zhuān)項(xiàng)研究的文獻(xiàn)很多,結(jié)合能源改革的發(fā)展趨勢(shì),在熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)中設(shè)置蓄能裝置形式的選擇需同時(shí)考慮在供冷和供熱中的應(yīng)用問(wèn)題。建筑墻體材料儲(chǔ)能技術(shù)將成為研究的熱點(diǎn),而這項(xiàng)研究有著悠久的歷史,如干熱地區(qū)采用厚重的墻體隔熱保溫,華北地區(qū)較多采用的370外墻等都有熱儲(chǔ)能的效果。如今的研究熱點(diǎn)偏向于依靠加入相變材料改進(jìn)墻體進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存和釋放來(lái)提高能源的使用效率。綜上所述,國(guó)內(nèi)外許多研究已經(jīng)表明利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身具有的蓄放熱特性可以有效降低采暖空調(diào)的能耗,冬天可利用其白天的蓄熱來(lái)減少夜間的熱負(fù)荷,夏季可以利用夜間的自然冷量來(lái)降低白天冷負(fù)荷的峰值。具有推廣性及可操作性的建筑構(gòu)造措施。

然而目前研究大多只是從定性的角度來(lái)分析建筑蓄熱的熱性能,建筑蓄熱對(duì)環(huán)境的影響沒(méi)有定量的分析,不能較為準(zhǔn)確的確定建筑蓄熱的作用,目前文獻(xiàn)中關(guān)于建筑蓄熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受當(dāng)?shù)貧夂?、建筑特點(diǎn)、建筑結(jié)構(gòu)的限制而不具有通用性,對(duì)實(shí)際的建筑蓄熱設(shè)計(jì)以及結(jié)果預(yù)測(cè)意義不明顯。另外,對(duì)蓄熱在建筑中作用的研究主要集中在夏季降溫和冬季采暖方面,且多物理性能分析,缺少對(duì)實(shí)際應(yīng)用的探討。

總之,本課題對(duì)住宅墻體熱儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了深入研究,提出的墻體復(fù)合蓄熱材料的具體措施、建筑材料的熱工測(cè)試、示范性的建筑應(yīng)用等具有重要的理論及實(shí)踐意義,不僅能夠優(yōu)化建筑節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)、改善建筑熱環(huán)境、提高房間舒適性、節(jié)約能源,而且對(duì)于建筑能耗的可持續(xù)發(fā)展,推廣綠色住宅均有積極的作用。

3 可行性分析

不論是夏季還是冬季,建筑物內(nèi)部的蓄熱體對(duì)于室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)都能起到積極的作用。白天獲得的太陽(yáng)輻射能量都儲(chǔ)存起來(lái),在稍后的時(shí)間緩慢地釋放到室內(nèi)空氣中。冬天白天儲(chǔ)存的熱量在下午或者更晚些時(shí)都傳播回室內(nèi),這段時(shí)間是一天當(dāng)中最需要熱量的時(shí)候,這樣提供了部分熱負(fù)荷,同時(shí)也避免了一天中太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈時(shí)段的過(guò)熱和不舒適性的問(wèn)題。

通過(guò)了解學(xué)習(xí)建筑儲(chǔ)能在國(guó)外的應(yīng)用技術(shù)和國(guó)內(nèi)近幾年的相關(guān)應(yīng)用研究,如空腔儲(chǔ)能中容器本身(混凝土、巖石或磚)既是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu),又是儲(chǔ)能體。盡管它的效率較低,但由于它實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能與用能的集成優(yōu)化,因而成為最經(jīng)濟(jì)可行的儲(chǔ)能方式。根據(jù)北美的經(jīng)驗(yàn),空腔儲(chǔ)能體作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)的理想厚度為25 mm～65 mm。如太厚、太大,容器吸收和釋放熱/冷量的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),影響使用效果;如太薄、太小,容器中空氣靜壓增高,需使用風(fēng)扇等輔助動(dòng)力來(lái)維持氣體在容器中的流動(dòng),以實(shí)現(xiàn)熱交換。通?；炷琳?/3,空腔占1/3時(shí)的氣體容器效率最高,可達(dá)到66%。本項(xiàng)目提出的墻體熱蓄儲(chǔ)能技術(shù)概念,就是不直接將熱能或冷能轉(zhuǎn)換成電能,而是先將各種能量(電能、熱能或其他能量)轉(zhuǎn)換成制冷/制熱潛能——工作介質(zhì)的化學(xué)勢(shì)能,然后進(jìn)行儲(chǔ)存。當(dāng)用戶需要冷或熱量時(shí),可通過(guò)制冷或熱泵運(yùn)行方式將儲(chǔ)存的潛能轉(zhuǎn)換成冷能或熱能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

從墻體的構(gòu)造上講,墻體是一種復(fù)合的界面形式,室內(nèi)空間的保溫、采光、通風(fēng)、防潮、防風(fēng)、防眩光、防噪聲、防盜等功能相互關(guān)聯(lián)、相互作用,關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。將外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)功能相分離,通過(guò)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)層數(shù)以及優(yōu)化改進(jìn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式,可以提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的物理性能。

熱儲(chǔ)能墻體的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是墻體熱儲(chǔ)材料的選擇及其與建筑材料的結(jié)合方式,以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能材料與建筑材料基體的相容性、穩(wěn)定性和耐久性,如果蓄能體是水,則出水溫度與間接的區(qū)域熱網(wǎng)的回水溫度有緊密的關(guān)系,建筑內(nèi)的低溫供暖系統(tǒng)是優(yōu)化季節(jié)性蓄能系統(tǒng)熱輸出的前提,如何有機(jī)的協(xié)調(diào)建筑中的用能系統(tǒng)是墻體熱儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵。

再者就是常規(guī)能源和太陽(yáng)能復(fù)合,水蓄能與潛能蓄能的結(jié)合。儲(chǔ)能儲(chǔ)存的是一種“潛在”的能量,必須通過(guò)某種方式或手段將其轉(zhuǎn)換成熱量或冷量。利用儲(chǔ)能材料來(lái)解決單體建筑日溫差問(wèn)題,在建筑和規(guī)劃設(shè)計(jì)中利用儲(chǔ)能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的跨季節(jié)儲(chǔ)存問(wèn)題。墻體蓄能方面的研究焦點(diǎn)目前主要集中在：減少蓄能系統(tǒng)的初投資,并盡量避免占用體積過(guò)大。可考慮蓄能體與建筑物的一體化,如利用低溫地板輻射采暖,置換式通風(fēng)等,從而達(dá)到降低系統(tǒng)初投資,提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的。

[1] 楊 昭,郁文紅,張甫仁.建筑物冬季太陽(yáng)得熱分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2005,26(1)：104-109.

[2] C A Balaras.The role of thermal mass on the cooling load of buildings：An overview of computational methods[J].Energy and Buildings,1996(24)：1-10.

[3] Creating a common global language for sustainable buildings thermal mass[EB/OL].http：//www.sustainable-buildings.org/ swk5.htm.