闕隆磊 張葉 張芳琴

【摘 要】目前我國(guó)能源形勢(shì)緊張，建筑能耗占社會(huì)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(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量又高達(dá)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(hù)結(jié)構(gòu)方面入手，通過(guò)對(duì)墻體，門(mén)窗，屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性，最大程度減少冬季采暖和夏季空調(diào)的負(fù)荷，控制室內(nèi)的熱濕環(huán)境，滿足人們對(duì)室內(nèi)舒適環(huán)境的要求。因此，課題組對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的幾種方法進(jìn)行總結(jié);基于部分嚴(yán)寒地區(qū)的晝夜溫差大的氣候特點(diǎn)，提出了新型變傳熱系數(shù)墻體，并采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的墻體進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，減少建筑能耗提供一條新路徑。

【關(guān)鍵詞】圍護(hù)結(jié)構(gòu);Trombe墻;相變材料;傳熱系數(shù);自調(diào)節(jié)墻體

中圖分類號(hào)： TQ171.1;TU111.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，由于人們不合理不科學(xué)的開(kāi)采和生產(chǎn)作業(yè)，造成能源巨大浪費(fèi)，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，能源供不應(yīng)求。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]2017年我國(guó)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(guó)現(xiàn)在面臨能源轉(zhuǎn)型并取得一定成果，但在短期內(nèi)煤炭資源仍然占主導(dǎo)地位，據(jù)專家估計(jì)[2]，到2020年我國(guó)煤炭需求量將達(dá)45-48億噸?！笆濉逼陂g[3]，基于建筑節(jié)能的目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)節(jié)約1億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，其中建筑物承擔(dān)約60%，采暖系統(tǒng)承擔(dān)40%，而降低采暖空調(diào)能耗可以從建筑自身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手，因此，如何改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的研究基本上從零能耗建筑，trombe太陽(yáng)能集熱墻，附加陽(yáng)光間，相變蓄熱墻等幾個(gè)方面展開(kāi)，課題組通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的幾種方法進(jìn)行總結(jié)，提出了一種可以根據(jù)室外溫度變化自動(dòng)改變自身傳熱系數(shù)的墻體，從而改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。

1 零能耗建筑

由于城市化的進(jìn)程逐漸加快，造成大量的能源浪費(fèi)，人們的環(huán)保意識(shí)也逐漸增強(qiáng)，如果不采取一定措施來(lái)降低能源的損耗，勢(shì)必會(huì)加快環(huán)境的惡化程度。越來(lái)越多的學(xué)者在建筑節(jié)能的研究過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)配置，總是希望通過(guò)合理的建筑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“零排放，零污染，零損耗”，最大程度減少建筑對(duì)環(huán)境的污染，以期建成“零能耗建筑”來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。因此，丹麥技術(shù)大學(xué)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(shí)現(xiàn)，“零能耗建筑”的概念逐漸演變成了“被動(dòng)式超低能耗建筑”，1991年，世界上第一幢“被動(dòng)式”建筑在德國(guó)達(dá)姆施塔特落成[5]，隨后在全世界范圍內(nèi)展開(kāi)研究，大部分國(guó)家在德國(guó)被動(dòng)房的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，建造具有氣候自適應(yīng)的被動(dòng)式超低能耗建筑。經(jīng)過(guò)近30多年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外的 “被動(dòng)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(guò)合理的建筑選址，體形設(shè)計(jì)，遮陽(yáng)通風(fēng)設(shè)計(jì)，材料選擇等，集成供熱制冷系統(tǒng)，全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，將建筑與光伏電熱有機(jī)結(jié)合，真正做到高效、智能一體化。

目前“被動(dòng)式超低能耗建筑”應(yīng)用較為成熟的有德國(guó)，英國(guó)，丹麥等國(guó)。德國(guó)柏林的馬爾占（Marzahn）公寓[6]由Assmann等人所設(shè)計(jì)。為了尋找與太陽(yáng)輻射最為匹配的建筑體形，建筑師設(shè)計(jì)了6種建筑平面幾何形式，通過(guò)計(jì)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(yán)格遵守坐北朝南的原則，南面采用大量的玻璃幕墻來(lái)吸收太陽(yáng)輻射和自然采光。陽(yáng)臺(tái)上出挑的遮陽(yáng)裝置經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，用于夏季遮擋陽(yáng)光，冬季爭(zhēng)取日照得熱，從而使房間的負(fù)荷達(dá)到最低。

Wang LiPing[7]以英國(guó)地區(qū)為例，利用太陽(yáng)能風(fēng)電供熱系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置窗戶、墻體的傳熱系數(shù)窗墻面積比等圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬計(jì)算得出，當(dāng)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(shí)，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(jìn)行的超低能耗被動(dòng)房的研究中，通過(guò)區(qū)域供熱和機(jī)械通風(fēng)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(huì)上的“漢堡之家”是我國(guó)第一個(gè)通過(guò)認(rèn)證的“超低能耗被動(dòng)房”。迄今為止，我國(guó)28個(gè)項(xiàng)目單位的40棟被動(dòng)房示范建筑總面積達(dá)40萬(wàn)m2[10]，在“被動(dòng)式超低能耗建筑上”取得了一定的進(jìn)展。清華大學(xué)的0-House太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)住宅[11]運(yùn)用模塊式的加工手段，集太陽(yáng)能光熱，光電于一體，將廁所，儲(chǔ)物室等放在建筑物北側(cè)抵擋部分冬季寒風(fēng)，建筑南向立面設(shè)置為陽(yáng)光間，起到夏季遮陽(yáng)冬季采暖的作用。通過(guò)院落的水池蒸發(fā)，植被的蒸騰作用，地面的滲透以及自動(dòng)噴淋系統(tǒng)來(lái)調(diào)整局部微氣候，減少夏季的空調(diào)負(fù)荷。

同濟(jì)大學(xué)的“復(fù)合生態(tài)屋”[12]從改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，集獨(dú)立除濕控溫系統(tǒng)，熱壓通風(fēng)系統(tǒng)于一身，使外墻，屋面，外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)值，致力于營(yíng)造宜居的室內(nèi)環(huán)境。

奧地利大學(xué)代表隊(duì)在國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)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(guò)巧妙的空間設(shè)計(jì)，最大程度地實(shí)現(xiàn)了空間的合理配置，同時(shí)屋頂上4塊太陽(yáng)能板組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)收集到的太陽(yáng)能應(yīng)用于生活冷熱水的供給，以及新風(fēng)回風(fēng)設(shè)備、采暖制冷系統(tǒng)的運(yùn)行。充分利用太陽(yáng)能資源，將高效低碳的建筑材料與先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造一個(gè)舒適智能的室內(nèi)環(huán)境。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的研究概況

基于以上的幾個(gè)“零能耗建筑”的案例分析，我們可以知道，實(shí)現(xiàn)零能耗，不外乎從太陽(yáng)能利用入手，通過(guò)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，從而減少采暖空調(diào)的負(fù)荷。依照德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，其被動(dòng)式超低能耗房要滿足[14]：年供暖能耗≤15kW·h/（m2·a）或熱負(fù)荷≤10W/m2;而我國(guó)的氣候條件與德國(guó)不同，要求[15]嚴(yán)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(hù)結(jié)構(gòu)外墻屋面的平均傳熱系數(shù)為0.20-0.35W/（m2·K）?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，目前現(xiàn)有的被動(dòng)式建筑大多是通過(guò)合理的建筑選址，朝向設(shè)計(jì)，巧妙的體形處理和恰當(dāng)?shù)牟牧线x擇，不添加任何機(jī)械設(shè)備的輔助，憑借其自身的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特性，有效利用太陽(yáng)輻射，達(dá)到集熱蓄熱又放熱的效果。此類建筑對(duì)于建筑外殼的絕熱性能有很高的要求，同時(shí)還要盡可能的擴(kuò)大集熱表面。目前的被動(dòng)式建筑有Trombe集熱墻，水墻，附加陽(yáng)光間等形式。

2.1 Trombe墻及其相關(guān)應(yīng)用

1965年法國(guó)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)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(shè)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(dāng)太陽(yáng)輻射透過(guò)玻璃時(shí)，集熱墻體吸收一部分熱量，同時(shí)墻體的上下通風(fēng)口打開(kāi)，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(fēng)口關(guān)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(shí)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(gè)的通風(fēng)口開(kāi)啟，墻體兩個(gè)風(fēng)口關(guān)閉，窗簾或者百葉向陽(yáng)面涂抹淺色涂料，減少太陽(yáng)輻射吸收，玻璃和窗簾空氣受熱從玻璃上部通風(fēng)口流出，下通風(fēng)口由于冷空氣的進(jìn)入可以保持墻體不至于過(guò)熱。夏季夜晚，窗簾或收起，玻璃和墻體的四個(gè)通風(fēng)口關(guān)閉，墻體向室外和室內(nèi)環(huán)境放熱后，溫度下降，再?gòu)氖覂?nèi)吸收熱量向室外放熱。

根據(jù)此基本原理國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降低室內(nèi)冷熱負(fù)荷進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試百葉在偏角為45°時(shí)，室內(nèi)集熱效果最好。與此同時(shí)，還建立普通集熱墻進(jìn)行對(duì)比，測(cè)得冬季實(shí)驗(yàn)房間和對(duì)比房間溫差相差12.6°，說(shuō)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(gòu)建了兩個(gè)內(nèi)部容積為5.4m3的測(cè)試單元，其中一個(gè)測(cè)試單元附帶有自然通風(fēng)的Trombe墻體，另一個(gè)測(cè)試單元為普通基準(zhǔn)測(cè)試墻體。結(jié)果表明，與基準(zhǔn)測(cè)試單元相比，Trombe系統(tǒng)具有更高的性能，而基準(zhǔn)測(cè)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(yáng)房，對(duì)室內(nèi)外溫度以及通風(fēng)口溫度等進(jìn)行了為期2個(gè)月的實(shí)測(cè)，測(cè)得在晴天時(shí)，太陽(yáng)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(cè)貼上了深藍(lán)色多晶硅光電池。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)熱箱室內(nèi)溫度保持在20℃以上，滿足冬季人們對(duì)熱舒適的要求。而蘇亞欣等人認(rèn)為季杰等人設(shè)計(jì)的PV-Trombe墻體，由于電池內(nèi)置在玻璃蓋內(nèi)側(cè)，影響蓄熱墻的集熱能力，不利于空氣對(duì)流。提出[20]將太陽(yáng)能電池鋪在墻體的外表面，強(qiáng)化自然通風(fēng)。通過(guò)數(shù)值模擬的方法，指出當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為 S=100W/m2，流道H=6.0m，寬高比為6.0：0.3時(shí)熱效率最高，且認(rèn)為電池內(nèi)置式PV-Trombe墻能夠提高太陽(yáng)能綜合利用率。

此外一些學(xué)者還研究了在風(fēng)壓，熱壓影響下的自然通風(fēng)。楊衛(wèi)波等人通過(guò)數(shù)值模擬的方法，建立了太陽(yáng)能通風(fēng)式屋頂?shù)膫鳠崮Ｐ?，研究室外氣象參?shù)對(duì)建筑通風(fēng)性能影響，得出在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，溫度較高的地區(qū)，使用太陽(yáng)能通風(fēng)式屋頂可以增強(qiáng)建筑的通風(fēng)性能以及降低室內(nèi)冷負(fù)荷。同時(shí)研究屋頂?shù)拈L(zhǎng)度L，傾角θ，厚度бw 對(duì)建筑通風(fēng)的影響，得出結(jié)論[21]：屋頂長(zhǎng)度L不宜過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)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(dāng)?shù)貙?shí)際氣候設(shè)計(jì)在30°～60°之間，厚度бw控制在0.1～0.3m之內(nèi)。

一般來(lái)說(shuō)，建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)可劃分為風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)，正如Szokolay[22]解釋的那樣，當(dāng)氣流被建筑物表面阻擋時(shí)，就會(huì)發(fā)生氣壓通風(fēng)。風(fēng)速在建筑物的迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生更高的壓力，而背風(fēng)側(cè)的壓力低很多，這種差異可以促使空氣進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境，從而降低建筑內(nèi)的溫度，利用這個(gè)基本規(guī)律，他們?cè)诮ㄖ?nèi)部增加空氣的阻力，來(lái)創(chuàng)造一個(gè)更舒適的室內(nèi)環(huán)境

Shuzo Murakami[23]等人利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)高密度的建筑群采用不同立面形式的通風(fēng)性能展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)立面采用多孔模型時(shí)，其二氧化碳的排放量可以減少原來(lái)的30%。

自然通風(fēng)作為建筑中的被動(dòng)冷卻技術(shù)似乎比其他人工冷卻技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是Givoni[24]對(duì)輻射冷卻的研究證實(shí)，這種被動(dòng)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(huì)影響建筑傳熱速度，會(huì)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(xué)者的理論和實(shí)驗(yàn)研究，以Trombe墻體為主的被動(dòng)式太陽(yáng)房主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）被動(dòng)式太陽(yáng)房不采用任何設(shè)備輔助，雖然在一定程度上節(jié)約了能源，但對(duì)自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能要求較高，要綜合各方面的因素，如建筑選址，體形設(shè)計(jì)等，常常會(huì)受到地域的限制導(dǎo)致采暖通風(fēng)的效果不明顯

（2）被動(dòng)式太陽(yáng)房其最大的能量來(lái)源就是太陽(yáng)能資源，對(duì)于四川，重慶等盆地，山地地形的城市來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能利用率較低，被動(dòng)式太陽(yáng)房效果并不明顯

（3）Trombe墻體并不是對(duì)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(duì)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(duì)于極端氣候的地區(qū)來(lái)說(shuō)，比如新疆，晝夜溫差大，Trombe墻不能夠滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求;且風(fēng)沙多，如果采用Trombe墻來(lái)強(qiáng)化通風(fēng)，勢(shì)必會(huì)造成室內(nèi)的污染。而且對(duì)于一些高大辦公建筑，對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)保溫方面的性能，滿足冬季的供暖需求而對(duì)于夏季的隔熱效果方面的研究還是略有欠缺。

2.2 被動(dòng)式附加陽(yáng)光間建筑

附加陽(yáng)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(yáng)輻射熱，通過(guò)對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)等方式向供熱區(qū)提供熱量，其多余的空間還可以用來(lái)休閑娛樂(lè)，種植花草。目前[26]我國(guó)附加陽(yáng)光間太陽(yáng)房有：封閉暖廊、封閉門(mén)斗、封閉走廊、封閉陽(yáng)臺(tái)，增設(shè)屋頂?shù)榷喾N形式，特別是在北方地區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，因此應(yīng)用較為廣泛。

張國(guó)艷[31]等人通過(guò)對(duì)蒙古地區(qū)某職工公寓進(jìn)行附加陽(yáng)光間的研究，采用Energyplus軟件對(duì)房間的能耗進(jìn)行分析，表明附加陽(yáng)光間式被動(dòng)太陽(yáng)房建筑的采暖季耗熱量指標(biāo)較既有建筑的耗熱量指標(biāo)減少了63.31W/m2，最終耗熱量指標(biāo)僅為15.93W/m2，低于標(biāo)準(zhǔn)的限值16.8W/m2，節(jié)能率達(dá)79.9%。通過(guò)計(jì)算可以節(jié)約熱量4.51×10-11J/年，節(jié)約煤的成本高達(dá)35000多元。

陳明東[27]等人在青島農(nóng)村地區(qū)對(duì)某住宅進(jìn)行附加陽(yáng)光間的改造，在屋頂設(shè)置附加陽(yáng)光間，通過(guò)與普通住宅的室內(nèi)溫度以及采暖負(fù)荷對(duì)比，發(fā)現(xiàn)帶有陽(yáng)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(dá)7.2℃，還測(cè)得對(duì)比房采暖負(fù)荷為76.7W/m2，而實(shí)驗(yàn)房采暖負(fù)荷為53.1W/m2，供暖節(jié)能率達(dá)30.8%。該項(xiàng)研究?jī)H對(duì)于農(nóng)村地區(qū)的平房使用，對(duì)于城市的小區(qū)建筑并不適用，由于在屋頂搭建附加陽(yáng)光間，對(duì)建筑的美觀有一定的影響。

鄭海[28]等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)陜北地區(qū)的附加陽(yáng)光間會(huì)使冬季熱損大，夏季過(guò)熱，基于此情況對(duì)玻璃窗，集熱墻，地面材料，保溫遮陽(yáng)裝置做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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粒⒃O(shè)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(xiàng)研究更加有針對(duì)性地對(duì)陜北地區(qū)的附加陽(yáng)光間進(jìn)行了改造，一來(lái)可以通過(guò)陽(yáng)光間集熱，二來(lái)可以對(duì)室內(nèi)向室外散熱過(guò)程進(jìn)行一個(gè)緩沖，三來(lái)多余的空間還可堆放雜物或者種植花草。

對(duì)于附加陽(yáng)光間建筑來(lái)說(shuō)，要求有足夠的空間來(lái)設(shè)置集熱區(qū)，且有時(shí)還需要將陽(yáng)臺(tái)，屋頂，走廊和室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這就要求建筑師有較高設(shè)計(jì)水平。但在太陽(yáng)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(wú)法體現(xiàn)陽(yáng)光間的優(yōu)越性。

2.3 相變材料應(yīng)用

目前現(xiàn)有的相變材料[29-30]按照化學(xué)組成來(lái)分，一般分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和混合相變材料;按照相變溫度來(lái)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—?dú)猓獭毯鸵骸獨(dú)馑姆N。按照蓄能方式又可以分為被動(dòng)式相變蓄能和主動(dòng)式相變蓄能。筆者主要分析主動(dòng)式和被動(dòng)式相變蓄能。

所謂被動(dòng)式相變蓄能就是將圍護(hù)結(jié)構(gòu)和相變材料相結(jié)合，根據(jù)室內(nèi)外溫度變化或者接受太陽(yáng)輻射，通過(guò)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(xué)者都采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法，將被動(dòng)式太陽(yáng)房和相變蓄能相結(jié)合來(lái)保持室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。而主動(dòng)式相變蓄能就是將相變材料和采暖空調(diào)末端裝置有機(jī)結(jié)合在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，相變材料蓄存的能量可以通過(guò)換熱裝置主動(dòng)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?zé)嵯溲b置，將癸酸填入空心砌塊作為相變墻體，改變變溫?zé)嵯淙N溫度波幅，對(duì)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(dòng)溫度越接近材料相變溫度時(shí)，房間內(nèi)的溫度、熱流量、得熱量的衰減和延遲才會(huì)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(guān)重要。

黃婷等人以江蘇鹽城為例，搭建太陽(yáng)集熱墻和相變墻相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)房與普通房相對(duì)比，研究冬夏晝夜四個(gè)工況下房間的室內(nèi)溫度情況，通過(guò)動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)得[32]：普通房的晝夜溫差為18.8℃，實(shí)驗(yàn)房的晝夜溫差僅為 8.8℃，實(shí)驗(yàn)房溫度波動(dòng)較小，能夠達(dá)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(yùn)用焓法模型計(jì)算房間的室溫，通過(guò)理論分析[33]，當(dāng)材料最佳相變溫度為20℃，室內(nèi)溫度波動(dòng)可以減小65%。其結(jié)論可以為今后的實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)于墻體的保溫效果最好，能夠使減少室內(nèi)溫度的波動(dòng)。

陳超[35]等人利用數(shù)值計(jì)算求解復(fù)合相變墻體材料在被動(dòng)式太陽(yáng)房中的可行性。同時(shí)還搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試室外環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室內(nèi)壁面溫度及空氣溫度，通過(guò)對(duì)比相變太陽(yáng)房和普通太陽(yáng)房的各項(xiàng)參數(shù)，得出相變材料墻體對(duì)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(yáng)輻射強(qiáng)度的增大而增大。

目前關(guān)于被動(dòng)式相變蓄熱應(yīng)用于冬季供暖的研究較多，而關(guān)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(jié)合夜間通風(fēng)的相變房間的理論模型，基于IDCT ，IDC 兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)于夏季“空調(diào)”型相變墻進(jìn)行計(jì)算，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。利用理論模型，對(duì)我國(guó)不同地區(qū)如北京，烏魯木齊，上海，等地，進(jìn)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(guò)建立計(jì)算模型和實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jìn)行對(duì)比，指出在電功率為150W/m2下，使用熔點(diǎn)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(hào)石蠟為相變材料與采暖系統(tǒng)結(jié)合，研究沈陽(yáng)被動(dòng)式農(nóng)村住宅的全年耗熱量，實(shí)驗(yàn)表明[39]太陽(yáng)能集熱器最大月集熱量為2672MJ，住宅的最大月采暖負(fù)荷為1087MJ，集熱量是負(fù)荷量的2.4倍，因此認(rèn)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(lái)看，該住宅會(huì)造成夏季集熱量過(guò)剩的情況，如何將這部分能量利用于供暖期還需進(jìn)一步研究。

牛潤(rùn)萍[40]等人分別對(duì)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(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，供暖系統(tǒng)通過(guò)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(dá)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(dòng)約11.5℃，而相變蓄能地板供暖房間的室溫波動(dòng)約為8℃，且相變房日平均供熱量達(dá)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(dòng)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(yīng)用于地板下送風(fēng)式相變蓄熱地板電采暖系統(tǒng)，利用夜間廉價(jià)電蓄熱，到第二天放出，有效利用了夜間的能量。據(jù)當(dāng)年電價(jià)計(jì)算出每年可節(jié)省電費(fèi)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(duì)于全天都處于用電高峰狀態(tài)的建筑來(lái)說(shuō)并不適用。

上述的相變材料應(yīng)用中還存在著一些問(wèn)題：

（1）傳統(tǒng)的相變材料在發(fā)生相變時(shí)會(huì)滲透，對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jià)格相對(duì)于傳統(tǒng)相變材料來(lái)說(shuō)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(zhǎng)，成本高，不可能針對(duì)每一個(gè)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(chǔ)能特性等其他方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

（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(dāng)，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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在滿足相變材料的使用條件時(shí)還需考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

（5）目前對(duì)于相變材料的研究大多只是針對(duì)于材料本身，就算有與建筑室外內(nèi)環(huán)境相結(jié)合，考慮的因素也并不全面，缺乏系統(tǒng)地將整個(gè)建筑環(huán)境相結(jié)合起來(lái)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(zhēng)取研制出制作工藝簡(jiǎn)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(shè)置過(guò)大，那么在夏季白天勢(shì)必會(huì)造成過(guò)多熱量進(jìn)入到室內(nèi)，在冬季夜晚又會(huì)造成大量熱量從室內(nèi)向室外散失;如果傳熱系數(shù)過(guò)小，又不利于冬季白天充分地將太陽(yáng)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(dòng)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(hù)層（1）、變熱阻層（2）、承重層（3）、面層（4）構(gòu)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(dǎo)熱基體（6）構(gòu)成，如圖1[42]。該墻的工作原理為：在夏季白天，當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，由于室外太陽(yáng)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(zhuǎn)彎曲，各個(gè)雙金屬片（5）與對(duì)應(yīng)的柔性導(dǎo)熱基體（6）發(fā)生分離，使得變熱阻層（2）內(nèi)只有空氣導(dǎo)熱，因此熱阻最大，傳熱系數(shù)最小，此時(shí)通過(guò)墻體傳導(dǎo)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(dāng)室外溫度降低直至低于室內(nèi)溫度時(shí)，雙金屬片（5）向下偏轉(zhuǎn)直至與對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱基體（6）閉合，此時(shí)變熱阻層內(nèi)雙金屬片與柔性導(dǎo)熱基體重新構(gòu)成熱橋，減少了變熱阻層熱阻，傳熱系數(shù)最大。此時(shí)通過(guò)墻體傳導(dǎo)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(dāng)溫度較低時(shí)，雙金屬片會(huì)繼續(xù)向下偏轉(zhuǎn)，使得柔性導(dǎo)熱基體發(fā)生彎曲，雙金屬片進(jìn)而偏轉(zhuǎn)到柔性導(dǎo)熱基體的下方，實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)熱基體的分離。此時(shí)，變熱阻層（2）內(nèi)只有空氣導(dǎo)熱，熱阻最大，傳熱系數(shù)最小，此時(shí)通過(guò)墻體傳導(dǎo)到室外的熱量最小，如圖3[42]所示。在過(guò)渡季節(jié)，變熱阻層的熱阻亦隨著室外溫度自動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(cè)壁溫等因素對(duì)自調(diào)節(jié)墻體傳熱特性的影響，結(jié)果表明當(dāng)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(shí)，墻體能夠發(fā)揮其最好的傳熱效果，圖4為模擬簡(jiǎn)化二維模型的網(wǎng)格劃分圖以及局部的網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖[42]。

圖4 二維模型網(wǎng)格劃分圖及局部細(xì)節(jié)圖

Fig.4 2D model meshing and local details

根據(jù)此數(shù)值模擬的結(jié)果，筆者在上述條件下，在焓差室里搭建一個(gè)1m3的小室，模擬太陽(yáng)自然輻射。小室其中一個(gè)墻面為新型變傳熱系數(shù)墻體，其余的五個(gè)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(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，柔性導(dǎo)熱基體上也設(shè)置了6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，內(nèi)外墻表面各6個(gè)測(cè)點(diǎn)，左右兩側(cè)墻面各3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，總共30個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在內(nèi)外墻表面設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量熱流密度?？紤]到由于太陽(yáng)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(shí)溫度如圖5所示，假設(shè)外墻吸收系數(shù)ρα=0.75，換熱系數(shù)αω=18.6W/（m2·K），太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取一天中最強(qiáng)輻射強(qiáng)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(shí)溫度分布

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

因此，實(shí)驗(yàn)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(shè)置39℃，太陽(yáng)輻射模擬器輻射強(qiáng)度設(shè)置為1000w/㎡，并且控制焓差室溫度自動(dòng)下降至夜晚22℃，關(guān)閉太陽(yáng)輻射模擬器，并自動(dòng)記錄墻體在此過(guò)程中內(nèi)外表面溫度分布。

4 結(jié)語(yǔ)

改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能應(yīng)從建筑本身結(jié)構(gòu)入手，充分使用太陽(yáng)能資源，考慮將相變材料與主動(dòng)式建筑、被動(dòng)式建筑相結(jié)合，使室內(nèi)環(huán)境滿足人們的需要。基于以上分析，被動(dòng)式太陽(yáng)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(diǎn)提出的，目前市面上還沒(méi)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(jìn)展來(lái)看，還存在下列幾個(gè)問(wèn)題。

（1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試參數(shù)不應(yīng)該只單單停留在溫度和熱流上，還應(yīng)綜合考慮到內(nèi)擾和外擾對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合作用，考慮在實(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，且在建立幾何模型時(shí)，對(duì)墻體進(jìn)行了多處的簡(jiǎn)化，可能導(dǎo)致理論結(jié)果與實(shí)際情況差別較大。可建立三維模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，盡可能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，以更全面地分析溫度場(chǎng)分布和系統(tǒng)的熱工特性。

（3）該墻體目前處于實(shí)驗(yàn)室階段，其理論和實(shí)驗(yàn)研究并不充分。今后投入實(shí)際工程中使用，變熱阻層的砌筑也是一個(gè)難點(diǎn)，可以采用模塊式加工，與裝配式建筑相結(jié)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(yīng)用于實(shí)際工程，需要對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，以選用最為經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料，最簡(jiǎn)單的施工工序，因地制宜的推廣到各個(gè)地區(qū)。

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