闕隆磊 張葉 張芳琴

【摘 要】目前我國能源形勢緊張，建筑能耗占社會總能耗的一半左右，其中采暖空調(diào)能耗占建筑能耗的50%以上，采暖空調(diào)能耗中建筑圍護結構的耗熱量又高達30%以上。根據(jù)“十三五”規(guī)劃的要求，降低建筑采暖空調(diào)能耗，可以著重從建筑圍護結構方面入手，通過對墻體，門窗，屋頂?shù)冉Y構進行合理的設計，改善圍護結構的熱工特性，最大程度減少冬季采暖和夏季空調(diào)的負荷，控制室內(nèi)的熱濕環(huán)境，滿足人們對室內(nèi)舒適環(huán)境的要求。因此，課題組對國內(nèi)外現(xiàn)有的改善圍護結構熱工性能的幾種方法進行總結;基于部分嚴寒地區(qū)的晝夜溫差大的氣候特點，提出了新型變傳熱系數(shù)墻體，并采用數(shù)值模擬和實驗對所提出的墻體進行了研究。研究所提出的新型變傳熱系數(shù)墻體為改善圍護結構熱工性能，減少建筑能耗提供一條新路徑。

【關鍵詞】圍護結構;Trombe墻;相變材料;傳熱系數(shù);自調(diào)節(jié)墻體

中圖分類號： TQ171.1;TU111.4文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0221-006

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.086

【Abstract】At present， the energy situation in our country is tense， building energy consumption accounts for about half of the total energy consumption， of which heating and cooling load accounts for more than fifty percent of the building energy consumption， heating and air conditioning energy consumption of building envelope heat consumption is up to more than thirty percent. According to the requirements of 13th Five-Year Plan ， reduce the energy consumption of building heating and air conditioning， can be mainly from the aspects of building envelope， through the reasonable design of the wall， doors and windows， roof and other structures， improve the thermal characteristics of the envelope， minimize the winter heating and summer air conditioning load， control indoor thermal environment and satisfy the requirement of people for comfortable indoor environment. Therefore， our research group summarized several existing methods to improve the thermal performance of the envelope. Based on the climate characteristics of large diurnal temperature difference in some cold regions， put forward a new type of variable heat transfer coefficient wall， and both numerical simulation and experiment were adopted to research the proposed wall. The new variable heat transfer coefficient wall proposed in this study provides a new way to improve the thermal performance of the building envelope and reduce the building energy consumption.

【Key words】Building envelope; Trombe wall; Phase change material（PCM）; Heat transfer coefficient; Automatic adjustment of wall

0 引言

我國是能源消費大國，由于人們不合理不科學的開采和生產(chǎn)作業(yè)，造成能源巨大浪費，隨著現(xiàn)代化進程的快速發(fā)展，能源供不應求。據(jù)統(tǒng)計[1]2017年我國的煤炭消耗占總能耗的60%，石油、可再生能源、天然氣、核能分別占比19%，12%，7%，2%。雖然我國現(xiàn)在面臨能源轉型并取得一定成果，但在短期內(nèi)煤炭資源仍然占主導地位，據(jù)專家估計[2]，到2020年我國煤炭需求量將達45-48億噸?！笆濉逼陂g[3]，基于建筑節(jié)能的目標，要實現(xiàn)節(jié)約1億噸的標準煤，其中建筑物承擔約60%，采暖系統(tǒng)承擔40%，而降低采暖空調(diào)能耗可以從建筑自身的圍護結構入手，因此，如何改善建筑圍護結構的熱工性能，降低采暖空調(diào)的能耗就顯得尤為重要。目前對于圍護結構熱工性能的研究基本上從零能耗建筑，trombe太陽能集熱墻，附加陽光間，相變蓄熱墻等幾個方面展開，課題組通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的改善圍護結構熱工性能的幾種方法進行總結，提出了一種可以根據(jù)室外溫度變化自動改變自身傳熱系數(shù)的墻體，從而改善圍護結構的熱工性能。

1 零能耗建筑

由于城市化的進程逐漸加快，造成大量的能源浪費，人們的環(huán)保意識也逐漸增強，如果不采取一定措施來降低能源的損耗，勢必會加快環(huán)境的惡化程度。越來越多的學者在建筑節(jié)能的研究過程中，為了實現(xiàn)能源的最優(yōu)配置，總是希望通過合理的建筑設計，實現(xiàn)“零排放，零污染，零損耗”，最大程度減少建筑對環(huán)境的污染，以期建成“零能耗建筑”來實現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。因此，丹麥技術大學的Torben V. Esbensen等人，在1976年首次提出“零能耗建筑”的概念[4]。但真正意義上的“零能耗”難以實現(xiàn)，“零能耗建筑”的概念逐漸演變成了“被動式超低能耗建筑”，1991年，世界上第一幢“被動式”建筑在德國達姆施塔特落成[5]，隨后在全世界范圍內(nèi)展開研究，大部分國家在德國被動房的基礎上進行改造，根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，建造具有氣候自適應的被動式超低能耗建筑。經(jīng)過近30多年的發(fā)展，目前國內(nèi)外的 “被動式超低能耗建筑”避免了煤炭，石油，天然氣等傳統(tǒng)能源的使用，通過合理的建筑選址，體形設計，遮陽通風設計，材料選擇等，集成供熱制冷系統(tǒng)，全熱回收新風系統(tǒng)，將建筑與光伏電熱有機結合，真正做到高效、智能一體化。

目前“被動式超低能耗建筑”應用較為成熟的有德國，英國，丹麥等國。德國柏林的馬爾占（Marzahn）公寓[6]由Assmann等人所設計。為了尋找與太陽輻射最為匹配的建筑體形，建筑師設計了6種建筑平面幾何形式，通過計算每種體形的耗能量，最終選定扇形作為幾何平面。該公寓嚴格遵守坐北朝南的原則，南面采用大量的玻璃幕墻來吸收太陽輻射和自然采光。陽臺上出挑的遮陽裝置經(jīng)過嚴格計算，用于夏季遮擋陽光，冬季爭取日照得熱，從而使房間的負荷達到最低。

Wang LiPing[7]以英國地區(qū)為例，利用太陽能風電供熱系統(tǒng)，通過設置窗戶、墻體的傳熱系數(shù)窗墻面積比等圍護結構參數(shù)，模擬計算得出，當窗戶的傳熱系數(shù)為1.78W/（m2·K），墻體的傳熱系數(shù)0.1W/（m2·K），窗墻面積比為0.1時，全年供暖能耗比普通建筑減少了26.5%。Morelli[8-9]等人在丹麥進行的超低能耗被動房的研究中，通過區(qū)域供熱和機械通風熱回收系統(tǒng)，可將全年的能耗降低至19.8 KW·h/（m·a）。

2010年上海世博會上的“漢堡之家”是我國第一個通過認證的“超低能耗被動房”。迄今為止，我國28個項目單位的40棟被動房示范建筑總面積達40萬m2[10]，在“被動式超低能耗建筑上”取得了一定的進展。清華大學的0-House太陽能實驗住宅[11]運用模塊式的加工手段，集太陽能光熱，光電于一體，將廁所，儲物室等放在建筑物北側抵擋部分冬季寒風，建筑南向立面設置為陽光間，起到夏季遮陽冬季采暖的作用。通過院落的水池蒸發(fā)，植被的蒸騰作用，地面的滲透以及自動噴淋系統(tǒng)來調(diào)整局部微氣候，減少夏季的空調(diào)負荷。

同濟大學的“復合生態(tài)屋”[12]從改善圍護結構熱工性能的角度出發(fā)，大量采用低碳環(huán)保的竹木材料，外窗使用三層中空+中空Low-e玻璃，墻體材料為雙層真空絕熱板，利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，集獨立除濕控溫系統(tǒng)，熱壓通風系統(tǒng)于一身，使外墻，屋面，外窗等圍護結構的傳熱系數(shù)都遠遠符合標準值，致力于營造宜居的室內(nèi)環(huán)境。

奧地利大學代表隊在國際太陽能十項全能競賽中以LISI（Living Inspired by Sustainable Innovation）作品最終摘得桂冠[13]。該建筑以木材為主要材料，通過巧妙的空間設計，最大程度地實現(xiàn)了空間的合理配置，同時屋頂上4塊太陽能板組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)收集到的太陽能應用于生活冷熱水的供給，以及新風回風設備、采暖制冷系統(tǒng)的運行。充分利用太陽能資源，將高效低碳的建筑材料與先進的節(jié)能技術相結合，創(chuàng)造一個舒適智能的室內(nèi)環(huán)境。

2 圍護結構熱工性能的研究概況

基于以上的幾個“零能耗建筑”的案例分析，我們可以知道，實現(xiàn)零能耗，不外乎從太陽能利用入手，通過科學合理的設計，改善建筑圍護結構的熱工性能，從而減少采暖空調(diào)的負荷。依照德國的標準，其被動式超低能耗房要滿足[14]：年供暖能耗≤15kW·h/（m2·a）或熱負荷≤10W/m2;而我國的氣候條件與德國不同，要求[15]嚴寒地區(qū)年供暖量≤15kW·h/（m2·a）;夏熱冬暖地區(qū)年供冷量≤30kW·h/（m2·a），圍護結構外墻屋面的平均傳熱系數(shù)為0.20-0.35W/（m2·K）。基于此標準，目前現(xiàn)有的被動式建筑大多是通過合理的建筑選址，朝向設計，巧妙的體形處理和恰當?shù)牟牧线x擇，不添加任何機械設備的輔助，憑借其自身的建筑圍護結構的特性，有效利用太陽輻射，達到集熱蓄熱又放熱的效果。此類建筑對于建筑外殼的絕熱性能有很高的要求，同時還要盡可能的擴大集熱表面。目前的被動式建筑有Trombe集熱墻，水墻，附加陽光間等形式。

2.1 Trombe墻及其相關應用

1965年法國太陽能實驗室主任Felix Trombe提出一種根據(jù)熱壓差引起空氣環(huán)流的集熱墻，后人命名為“Trombe”墻 。該墻的工作原理為：在墻體外表面?zhèn)仍O置一層玻璃，在冬季白天，由于墻體表面涂抹深色選擇性涂層，當太陽輻射透過玻璃時，集熱墻體吸收一部分熱量，同時墻體的上下通風口打開，利用熱壓原理，形成空氣環(huán)流向室內(nèi)供暖。冬季夜晚，所有通風口關閉，拉下夾層中間百葉或窗簾，集熱墻釋放白天吸收的熱量，同時向室內(nèi)輻射換熱，保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。夏季白天，玻璃兩個的通風口開啟，墻體兩個風口關閉，窗簾或者百葉向陽面涂抹淺色涂料，減少太陽輻射吸收，玻璃和窗簾空氣受熱從玻璃上部通風口流出，下通風口由于冷空氣的進入可以保持墻體不至于過熱。夏季夜晚，窗簾或收起，玻璃和墻體的四個通風口關閉，墻體向室外和室內(nèi)環(huán)境放熱后，溫度下降，再從室內(nèi)吸收熱量向室外放熱。

根據(jù)此基本原理國內(nèi)外學者對降低室內(nèi)冷熱負荷進行了大量實驗和數(shù)值研究。

何偉[16]等人在傳統(tǒng)的Trombe墻體里裝有涂抹高反射率和高吸收率涂層的百葉，通過實驗研究，測試百葉在偏角為45°時，室內(nèi)集熱效果最好。與此同時，還建立普通集熱墻進行對比，測得冬季實驗房間和對比房間溫差相差12.6°，說明百葉型集熱墻能夠改善室內(nèi)熱環(huán)境。

為了分析Trombe墻體系統(tǒng)的節(jié)能特性，Eduardo Krüger[17]等人構建了兩個內(nèi)部容積為5.4m3的測試單元，其中一個測試單元附帶有自然通風的Trombe墻體，另一個測試單元為普通基準測試墻體。結果表明，與基準測試單元相比，Trombe系統(tǒng)具有更高的性能，而基準測試單元在低溫條件下節(jié)能性能更為顯著。

孫鵬[18]等人以大連地區(qū)為例，搭建了帶有Trombe墻體的太陽房，對室內(nèi)外溫度以及通風口溫度等進行了為期2個月的實測，測得在晴天時，太陽房室內(nèi)溫度保持在13℃～17℃之間，而在陰天，室內(nèi)溫度全天保持在10℃左右，基本滿足冬季室內(nèi)溫度要求。

季杰[19]等人在傳統(tǒng)的Trombe墻體的玻璃蓋內(nèi)側貼上了深藍色多晶硅光電池。通過實驗發(fā)現(xiàn)，帶有PV-Trombe墻的熱箱與普通熱箱相比，室內(nèi)溫度高出7℃，且實驗熱箱室內(nèi)溫度保持在20℃以上，滿足冬季人們對熱舒適的要求。而蘇亞欣等人認為季杰等人設計的PV-Trombe墻體，由于電池內(nèi)置在玻璃蓋內(nèi)側，影響蓄熱墻的集熱能力，不利于空氣對流。提出[20]將太陽能電池鋪在墻體的外表面，強化自然通風。通過數(shù)值模擬的方法，指出當太陽輻射強度為 S=100W/m2，流道H=6.0m，寬高比為6.0：0.3時熱效率最高，且認為電池內(nèi)置式PV-Trombe墻能夠提高太陽能綜合利用率。

此外一些學者還研究了在風壓，熱壓影響下的自然通風。楊衛(wèi)波等人通過數(shù)值模擬的方法，建立了太陽能通風式屋頂?shù)膫鳠崮Ｐ?，研究室外氣象參?shù)對建筑通風性能影響，得出在太陽輻射強度較大，溫度較高的地區(qū)，使用太陽能通風式屋頂可以增強建筑的通風性能以及降低室內(nèi)冷負荷。同時研究屋頂?shù)拈L度L，傾角θ，厚度бw 對建筑通風的影響，得出結論[21]：屋頂長度L不宜過長，應選擇寬厚比較大的截面，可以增大排熱量，傾角θ一般根據(jù)當?shù)貙嶋H氣候設計在30°～60°之間，厚度бw控制在0.1～0.3m之內(nèi)。

一般來說，建筑內(nèi)部的自然通風可劃分為風壓通風和熱壓通風，正如Szokolay[22]解釋的那樣，當氣流被建筑物表面阻擋時，就會發(fā)生氣壓通風。風速在建筑物的迎風側產(chǎn)生更高的壓力，而背風側的壓力低很多，這種差異可以促使空氣進入室內(nèi)環(huán)境，從而降低建筑內(nèi)的溫度，利用這個基本規(guī)律，他們在建筑內(nèi)部增加空氣的阻力，來創(chuàng)造一個更舒適的室內(nèi)環(huán)境

Shuzo Murakami[23]等人利用實驗和數(shù)值模擬的方法，對高密度的建筑群采用不同立面形式的通風性能展開了研究，發(fā)現(xiàn)當立面采用多孔模型時，其二氧化碳的排放量可以減少原來的30%。

自然通風作為建筑中的被動冷卻技術似乎比其他人工冷卻技術具有顯著優(yōu)勢，但是Givoni[24]對輻射冷卻的研究證實，這種被動式冷卻方式在炎熱潮濕的氣候下并不適用。晝夜溫差小、濕度大、云量大會影響建筑傳熱速度，會在建筑內(nèi)部形成熱陷，造成不舒適的熱環(huán)境。

基于以上學者的理論和實驗研究，以Trombe墻體為主的被動式太陽房主要存在以下幾個問題：

（1）被動式太陽房不采用任何設備輔助，雖然在一定程度上節(jié)約了能源，但對自身圍護結構性能要求較高，要綜合各方面的因素，如建筑選址，體形設計等，常常會受到地域的限制導致采暖通風的效果不明顯

（2）被動式太陽房其最大的能量來源就是太陽能資源，對于四川，重慶等盆地，山地地形的城市來說，太陽能利用率較低，被動式太陽房效果并不明顯

（3）Trombe墻體并不是對所有地區(qū)都適用，如云南，昆明等地區(qū)四季如春，溫度適宜，對于采暖和制冷的需求并不是那么大，如果使用Trombe墻體反而成為一種建筑能耗。

（4）另外，對于極端氣候的地區(qū)來說，比如新疆，晝夜溫差大，Trombe墻不能夠滿足人們對室內(nèi)環(huán)境的要求;且風沙多，如果采用Trombe墻來強化通風，勢必會造成室內(nèi)的污染。而且對于一些高大辦公建筑，對外形的美觀有極高的要求，如果采用Trombe墻體則有損美觀。

（5）目前的trombe墻體還大多都是研究圍護結構保溫方面的性能，滿足冬季的供暖需求而對于夏季的隔熱效果方面的研究還是略有欠缺。

2.2 被動式附加陽光間建筑

附加陽光間是直接受益式和集熱墻式的混合產(chǎn)物[25]，它將建筑分隔成兩部分，一部分為“集熱區(qū)”。一部分為“供熱區(qū)”。公共墻體以及地面收集太陽輻射熱，通過對流換熱和熱傳導等方式向供熱區(qū)提供熱量，其多余的空間還可以用來休閑娛樂，種植花草。目前[26]我國附加陽光間太陽房有：封閉暖廊、封閉門斗、封閉走廊、封閉陽臺，增設屋頂?shù)榷喾N形式，特別是在北方地區(qū)，太陽能資源豐富，因此應用較為廣泛。

張國艷[31]等人通過對蒙古地區(qū)某職工公寓進行附加陽光間的研究，采用Energyplus軟件對房間的能耗進行分析，表明附加陽光間式被動太陽房建筑的采暖季耗熱量指標較既有建筑的耗熱量指標減少了63.31W/m2，最終耗熱量指標僅為15.93W/m2，低于標準的限值16.8W/m2，節(jié)能率達79.9%。通過計算可以節(jié)約熱量4.51×10-11J/年，節(jié)約煤的成本高達35000多元。

陳明東[27]等人在青島農(nóng)村地區(qū)對某住宅進行附加陽光間的改造，在屋頂設置附加陽光間，通過與普通住宅的室內(nèi)溫度以及采暖負荷對比，發(fā)現(xiàn)帶有陽光間的住宅室內(nèi)平均溫度比普通住宅高出3.8℃，最高溫差可達7.2℃，還測得對比房采暖負荷為76.7W/m2，而實驗房采暖負荷為53.1W/m2，供暖節(jié)能率達30.8%。該項研究僅對于農(nóng)村地區(qū)的平房使用，對于城市的小區(qū)建筑并不適用，由于在屋頂搭建附加陽光間，對建筑的美觀有一定的影響。

鄭海[28]等人通過研究發(fā)現(xiàn)陜北地區(qū)的附加陽光間會使冬季熱損大，夏季過熱，基于此情況對玻璃窗，集熱墻，地面材料，保溫遮陽裝置做了優(yōu)化設計，提出用雙層中空玻璃替代單層玻璃，Trombe集熱墻替代普通的24墻，地面材料改用陶?；炷?，并設置保溫隔熱卷簾和百葉窗，起到冬季集熱，夏季散熱的作用。該項研究更加有針對性地對陜北地區(qū)的附加陽光間進行了改造，一來可以通過陽光間集熱，二來可以對室內(nèi)向室外散熱過程進行一個緩沖，三來多余的空間還可堆放雜物或者種植花草。

對于附加陽光間建筑來說，要求有足夠的空間來設置集熱區(qū)，且有時還需要將陽臺，屋頂，走廊和室內(nèi)空間結構相結合，這就要求建筑師有較高設計水平。但在太陽能利用率不高的地區(qū)或者是常年陰雨天氣的南方地區(qū)，就無法體現(xiàn)陽光間的優(yōu)越性。

2.3 相變材料應用

目前現(xiàn)有的相變材料[29-30]按照化學組成來分，一般分為無機相變材料、有機相變材料和混合相變材料;按照相變溫度來分可分為低溫、中溫、高溫三類;按照形態(tài)變化，相變材料又可以分為固—液，固—氣，固—固和液—氣四種。按照蓄能方式又可以分為被動式相變蓄能和主動式相變蓄能。筆者主要分析主動式和被動式相變蓄能。

所謂被動式相變蓄能就是將圍護結構和相變材料相結合，根據(jù)室內(nèi)外溫度變化或者接受太陽輻射，通過相變材料的蓄能作用，向室內(nèi)吸熱或放熱，從而控制室內(nèi)的溫度保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。大部分學者都采用數(shù)值模擬和實驗測量的方法，將被動式太陽房和相變蓄能相結合來保持室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。而主動式相變蓄能就是將相變材料和采暖空調(diào)末端裝置有機結合在建筑圍護結構內(nèi)，相變材料蓄存的能量可以通過換熱裝置主動地調(diào)節(jié)和控制，從而改善室內(nèi)熱環(huán)境。

張維維等人利用控溫熱箱裝置，將癸酸填入空心砌塊作為相變墻體，改變變溫熱箱三種溫度波幅，對比相變墻體和普通墻體在控制箱內(nèi)溫度、熱流量、得熱量的變化情況，發(fā)現(xiàn)[31]只有在外界波動溫度越接近材料相變溫度時，房間內(nèi)的溫度、熱流量、得熱量的衰減和延遲才會越大，提出該墻體適合在晝夜溫差較大的地區(qū)使用，因此在相變材料的選擇上就顯得至關重要。

黃婷等人以江蘇鹽城為例，搭建太陽集熱墻和相變墻相結合的實驗房與普通房相對比，研究冬夏晝夜四個工況下房間的室內(nèi)溫度情況，通過動態(tài)熱網(wǎng)絡分析和實驗測得[32]：普通房的晝夜溫差為18.8℃，實驗房的晝夜溫差僅為 8.8℃，實驗房溫度波動較小，能夠達到冬暖夏涼的效果。

肖偉等人在室內(nèi)安裝帶有石蠟-聚乙烯體系的相變材料內(nèi)隔板，運用焓法模型計算房間的室溫，通過理論分析[33]，當材料最佳相變溫度為20℃，室內(nèi)溫度波動可以減小65%。其結論可以為今后的實驗臺搭建提供理論參考依據(jù)。

閆全英[34]等人選用石蠟作為相變材料，將其按照四種不同的比例嵌入墻體中，研究發(fā)現(xiàn)，10%的石蠟含量對于墻體的保溫效果最好，能夠使減少室內(nèi)溫度的波動。

陳超[35]等人利用數(shù)值計算求解復合相變墻體材料在被動式太陽房中的可行性。同時還搭建實驗臺，測試室外環(huán)境溫度、太陽輻射強度、室內(nèi)壁面溫度及空氣溫度，通過對比相變太陽房和普通太陽房的各項參數(shù)，得出相變材料墻體對室內(nèi)東西墻內(nèi)表面的溫度變化速率起到抑制作用，這種作用隨著太陽輻射強度的增大而增大。

目前關于被動式相變蓄熱應用于冬季供暖的研究較多，而關于夏季“制冷”的研究較少，林坤平[36-37]等人以伊寧地區(qū)為例，建立夏季結合夜間通風的相變房間的理論模型，基于IDCT ，IDC 兩個指標，對于夏季“空調(diào)”型相變墻進行計算，并提出優(yōu)化設計方案。利用理論模型，對我國不同地區(qū)如北京，烏魯木齊，上海，等地，進行相變墻體可行性分析，得出在夏季室外平均溫度在25℃以上的一些地區(qū)，該相變墻體并不適用。而在夏季室外平均溫低于25℃的地區(qū)，相變墻房間適用效果較好。

葉宏[38]等人以北京地區(qū)為例，通過建立計算模型和實驗臺的搭建，將普通地板輻射采暖系統(tǒng)和帶有定形相變材料的輻射采暖系統(tǒng)進行對比，指出在電功率為150W/m2下，使用熔點溫度為28.2℃的相變材料才能滿足室內(nèi)采暖要求。

路祥玉等人利用46號石蠟為相變材料與采暖系統(tǒng)結合，研究沈陽被動式農(nóng)村住宅的全年耗熱量，實驗表明[39]太陽能集熱器最大月集熱量為2672MJ，住宅的最大月采暖負荷為1087MJ，集熱量是負荷量的2.4倍，因此認為該供暖系統(tǒng)在北方農(nóng)村具有可行性，但從文中的數(shù)據(jù)來看，該住宅會造成夏季集熱量過剩的情況，如何將這部分能量利用于供暖期還需進一步研究。

牛潤萍[40]等人分別對相變蓄熱地板供暖系統(tǒng)與干式地埋管地板供暖系統(tǒng)進行了實測研究，供暖系統(tǒng)通過相變材料的吸熱與放熱影響室內(nèi)溫度，從而控制熱泵的啟停，達到智能化控制室溫的目的。數(shù)據(jù)分析得到，干式地板供暖房間室溫波動約11.5℃，而相變蓄能地板供暖房間的室溫波動約為8℃，且相變房日平均供熱量達到1080W，具有較好的供熱效果，但該系統(tǒng)只適合在冬天使用，在夏季工況的研究上還不充分。

傳統(tǒng)的被動式采暖建筑使用在辦公類建筑中，節(jié)能潛力有限，因此林坤平[41]等人研制一種新型定形相變材料，他將該相變材料應用于地板下送風式相變蓄熱地板電采暖系統(tǒng)，利用夜間廉價電蓄熱，到第二天放出，有效利用了夜間的能量。據(jù)當年電價計算出每年可節(jié)省電費為18.6元/m2左右。該系統(tǒng)適用于白天人群密集，但晚上人員稀少的辦公樓等建筑，對于全天都處于用電高峰狀態(tài)的建筑來說并不適用。

上述的相變材料應用中還存在著一些問題：

（1）傳統(tǒng)的相變材料在發(fā)生相變時會滲透，對于圍護結構的熱工性能有一定的影響，即使現(xiàn)在提出定形相變材料，但價格相對于傳統(tǒng)相變材料來說還是偏高。

（2）相變材料有一定的使用局限性，在特定的地區(qū)難以使用，研發(fā)周期長，成本高，不可能針對每一個地區(qū)研發(fā)一種材料。即使研發(fā)出新的相變材料，其相變溫度，儲能特性等其他方面還需進一步改進。

（3）相變材料一旦安裝難以取出，且使用壽命受到各方面的限制，如安裝不得當，使用不合理都可能影響到相變材料的壽命。

（4）相變材料還可能影響到建筑結構穩(wěn)定性，在滿足相變材料的使用條件時還需考慮結構的力學性能。

（5）目前對于相變材料的研究大多只是針對于材料本身，就算有與建筑室外內(nèi)環(huán)境相結合，考慮的因素也并不全面，缺乏系統(tǒng)地將整個建筑環(huán)境相結合起來研究，而且可以使用的相變材料并不多，還需要不斷的創(chuàng)新研發(fā)，爭取研制出制作工藝簡單，成本低，使用范圍廣的相變材料。

3 新型變傳熱系數(shù)墻體性能研究

3.1 新型墻體的原理

基于以上分析，我們知道現(xiàn)有的墻體傳熱系數(shù)基本不變。如果將墻體的傳熱系數(shù)設置過大，那么在夏季白天勢必會造成過多熱量進入到室內(nèi)，在冬季夜晚又會造成大量熱量從室內(nèi)向室外散失;如果傳熱系數(shù)過小，又不利于冬季白天充分地將太陽輻射得熱傳送到室內(nèi)，也不利于夏季夜晚的室內(nèi)散熱。因此課題組提出一種適用于北方晝夜溫差較大的地區(qū)的新型變傳熱系數(shù)墻體，該墻體可以根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化而自動地改變自身的傳熱系數(shù)，以維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。該墻體由四部分組成：覆面保護層（1）、變熱阻層（2）、承重層（3）、面層（4）構成。其中變熱阻層是墻體傳熱系數(shù)調(diào)節(jié)的主要部分，由雙金屬片（5）和柔性導熱基體（6）構成，如圖1[42]。該墻的工作原理為：在夏季白天，當室外溫度高于室內(nèi)溫度時，由于室外太陽的輻射，使面層（1）受熱，雙金屬片（5）溫度升高向上發(fā)生偏轉彎曲，各個雙金屬片（5）與對應的柔性導熱基體（6）發(fā)生分離，使得變熱阻層（2）內(nèi)只有空氣導熱，因此熱阻最大，傳熱系數(shù)最小，此時通過墻體傳導到室內(nèi)的熱量最小，減少了建筑物空調(diào)能耗。如圖2[42]所示

夜晚，當室外溫度降低直至低于室內(nèi)溫度時，雙金屬片（5）向下偏轉直至與對應導熱基體（6）閉合，此時變熱阻層內(nèi)雙金屬片與柔性導熱基體重新構成熱橋，減少了變熱阻層熱阻，傳熱系數(shù)最大。此時通過墻體傳導到室外的熱量很大，也減少了空調(diào)能耗，如圖1[42]。在冬季，當溫度較低時，雙金屬片會繼續(xù)向下偏轉，使得柔性導熱基體發(fā)生彎曲，雙金屬片進而偏轉到柔性導熱基體的下方，實現(xiàn)與導熱基體的分離。此時，變熱阻層（2）內(nèi)只有空氣導熱，熱阻最大，傳熱系數(shù)最小，此時通過墻體傳導到室外的熱量最小，如圖3[42]所示。在過渡季節(jié)，變熱阻層的熱阻亦隨著室外溫度自動調(diào)節(jié)。

圖3 墻體冬季工作原理圖

Fig.3 the wall works in winter days

3.2 新型傳熱系數(shù)自調(diào)節(jié)墻體的數(shù)值模擬及實驗設想

基于此原理，課題組利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了雙金屬片曲率、變熱阻層尺寸、雙金屬片間距以及外側壁溫等因素對自調(diào)節(jié)墻體傳熱特性的影響，結果表明當雙金屬片曲率為20°，變熱阻層厚度為100mm，雙金屬片間距為100mm時，墻體能夠發(fā)揮其最好的傳熱效果，圖4為模擬簡化二維模型的網(wǎng)格劃分圖以及局部的網(wǎng)格細節(jié)圖[42]。

圖4 二維模型網(wǎng)格劃分圖及局部細節(jié)圖

Fig.4 2D model meshing and local details

根據(jù)此數(shù)值模擬的結果，筆者在上述條件下，在焓差室里搭建一個1m3的小室，模擬太陽自然輻射。小室其中一個墻面為新型變傳熱系數(shù)墻體，其余的五個面為具有保溫性能的彩鋼夾芯板。在新型墻體的金屬片上布置6個溫度測點，柔性導熱基體上也設置了6個溫度測點，內(nèi)外墻表面各6個測點，左右兩側墻面各3個溫度測點，總共30個測點，并在內(nèi)外墻表面設置兩個測點測量熱流密度。考慮到由于太陽輻射的熱作用，筆者以新疆烏魯木齊為例，由典型氣象年數(shù)據(jù)得知，烏魯木齊最熱月最熱天室外最高溫度約為 38.8℃，逐時溫度如圖5所示，假設外墻吸收系數(shù)ρα=0.75，換熱系數(shù)αω=18.6W/（m2·K），太陽輻射強度取一天中最強輻射強度[43]I=1000W/m2。則墻體綜合溫度為：tz=38.8+■=79℃

圖5 新疆烏魯木齊最熱月最熱天室外逐時溫度分布

Fig.5 outdoor hourly temperature distribution on the hottest day of the hottest month in Urumqi， Xinjiang

因此，實驗中用焓差室模擬夏季室外溫度最高的一天，筆者將室外溫度設置39℃，太陽輻射模擬器輻射強度設置為1000w/㎡，并且控制焓差室溫度自動下降至夜晚22℃，關閉太陽輻射模擬器，并自動記錄墻體在此過程中內(nèi)外表面溫度分布。

4 結語

改善圍護結構的熱工性能應從建筑本身結構入手，充分使用太陽能資源，考慮將相變材料與主動式建筑、被動式建筑相結合，使室內(nèi)環(huán)境滿足人們的需要。基于以上分析，被動式太陽房、Trombe墻、相變材料等是目前建筑節(jié)能主流方向，但還存在一些不足之處，課題組提出的新型變傳熱系數(shù)墻體是綜合以上幾種方法的優(yōu)點提出的，目前市面上還沒有這種墻體，其熱工性能還處于研究階段，并不成熟，從目前課題進展來看，還存在下列幾個問題。

（1）實驗臺的測試參數(shù)不應該只單單停留在溫度和熱流上，還應綜合考慮到內(nèi)擾和外擾對圍護結構的綜合作用，考慮在實際室外溫度變化下室內(nèi)溫度的分布情況。

（2）在數(shù)值模擬方面，課題組只采用了二維模型對系統(tǒng)進行模擬，且在建立幾何模型時，對墻體進行了多處的簡化，可能導致理論結果與實際情況差別較大?？山⑷S模型對系統(tǒng)進行動態(tài)模擬，盡可能根據(jù)實際情況進行模擬，以更全面地分析溫度場分布和系統(tǒng)的熱工特性。

（3）該墻體目前處于實驗室階段，其理論和實驗研究并不充分。今后投入實際工程中使用，變熱阻層的砌筑也是一個難點，可以采用模塊式加工，與裝配式建筑相結合，大大降低施工難度。

（4）為了最終將變傳熱系數(shù)墻體系統(tǒng)廣泛的應用于實際工程，需要對系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行分析，以選用最為經(jīng)濟的系統(tǒng)結構和材料，最簡單的施工工序，因地制宜的推廣到各個地區(qū)。

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