齊樂天,韓 辰,李德寶,孔凡功,王守娟,趙汝和

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生物基材料與綠色造紙國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250300

隨著社會(huì)的發(fā)展和對(duì)居住環(huán)境舒適度要求的提高,建筑物能耗尤其是其中用于住房制冷、取暖、通風(fēng)等能耗部分迅速上漲,建筑能耗在我國能源消耗中的比重也逐年升高[1]。采用保溫材料進(jìn)行外圍維護(hù)可以有效降低由太陽能晝夜分布不均而造成的室溫波動(dòng),從而提升室內(nèi)溫度控制并降低建筑能耗[2]。目前,我國建筑行業(yè)中普遍使用各類無機(jī)、有機(jī)和復(fù)合型的保溫材料[3-4]加入外墻保溫層以提升溫度控制效果。近年來我國多地頒布《被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,要求建筑物屋面和外墻的傳熱系數(shù)小于0.15 W/(m2·K),而現(xiàn)有保溫材料往往需要較大的鋪貼厚度才能滿足上述要求[5-6]。因此,新型保溫材料的開發(fā)成為了建筑行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

控溫材料(temperature control material,TCM)是一種具有保溫和儲(chǔ)熱功能的新型儲(chǔ)能控溫材料,具有儲(chǔ)能密大、控溫效果好等特點(diǎn)[7]。TCM材料可通過調(diào)整儲(chǔ)能控溫材料的組成、組分比例、使用形式以及使用量來調(diào)整其吸放熱轉(zhuǎn)換溫度以適應(yīng)使用當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)。該材料可以實(shí)現(xiàn)在白天儲(chǔ)熱、供冷,夜間放熱、蓄冷的功能,從而降低房屋控溫能耗?；谏鲜鲎饔迷?徐龍等用TCM制成復(fù)合相變材料并將其作為輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)箱體房室內(nèi)溫度[8]。白音夫等發(fā)現(xiàn)TCM材料可用于控制夏季帳篷室內(nèi)溫度[9]。劉森等研究發(fā)現(xiàn)TCM可有效抑制被動(dòng)式太陽能房中的晝夜溫度變化[10]。陳濱等研究發(fā)現(xiàn)TCM可有效抑制耦合蓄熱閉式循環(huán)空氣層太陽能采暖建筑中的室溫波動(dòng),并提升室內(nèi)夜間溫度[11]。綜合文獻(xiàn)研究結(jié)果中可以看出,TCM材料可以較好地控制各類建筑物的室內(nèi)溫度,從而降低用于維持室溫的制冷制暖能耗。

基于上述分析,本研究使用Energy Plus模擬軟件構(gòu)建模擬房優(yōu)化TCM在建筑中的使用形式,并進(jìn)一步探究TCM材料在我國不同氣候區(qū),特別是北方地區(qū)建筑中的控溫節(jié)能性能。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 模擬房構(gòu)建

研究采用Energy Plus(V 9.1.0)軟件構(gòu)建模擬房尺寸為8 m×6 m×3 m,房屋坐北朝南。調(diào)整開窗4 m×2 m于南側(cè)墻體,居中放置,窗墻比為0.33,使用1 000 W燈泡為房內(nèi)模擬熱源。設(shè)定屋內(nèi)溫度控制設(shè)置為:制熱至20 ℃,制冷至24 ℃。模擬房屋示意圖如圖1。

1.1.1 屋頂保溫參數(shù)

為消除屋頂傳對(duì)墻體保溫影響,模擬房屋頂采用較厚的保溫層,調(diào)用軟件數(shù)據(jù)庫中Medium Roof/Ceiling模型,屋頂結(jié)構(gòu)層從外至內(nèi)依次為:

1)M14a 100 mm heavy concrete；

2)I06 244 mm batt insulation；

3)I03 75 mm insulation board；

4)I06 244 mm batt insulation；

5)F05 Ceiling air space resistance；

6)F16 Acoustic tile。

1.1.2 窗戶參數(shù)

模擬房窗戶采用建筑行業(yè)普遍使用的三層玻璃,調(diào)用軟件數(shù)據(jù)庫中DOUBLE PANE WINDOW模型,構(gòu)建玻璃結(jié)構(gòu)為:

1)CLEAR 3MM；

2)AIR 13MM；

3)CLEAR 3MM。

1.1.3 外墻保溫參數(shù)

外墻保溫參數(shù)調(diào)用軟件Medium Exterior Wall模型,外墻結(jié)構(gòu)層從外至內(nèi)依次為:

1)F14 Slate or tile；

2)I02 50 mm insulation board；

3)M01 100 mm brick；

4)F04 Wall air space resistance；

5)G01a 19 mm gypsum board。

1.1.4 外墻保溫參數(shù)

地面參數(shù)調(diào)用軟件數(shù)據(jù)庫中Medium Floor模型,地面結(jié)構(gòu)層從外至內(nèi)依次為:

1)F16 Acoustic tile；

2)F05 Ceiling air space resistance；

3)M14a 100 mm heavy concrete。

1.2 TCM相變儲(chǔ)能控溫材料

該材料由加拿大哥倫比亞大學(xué)研發(fā),并由加拿大查韋環(huán)境研究院(Tri-Y Environmental Research Institute)提供。上述儲(chǔ)能控溫材料以管狀封裝于鋁復(fù)合隔膜中,封裝尺寸為175 mm×45 mm×25 mm,重約120 g。TCM相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置參照文獻(xiàn)方法[7],其中相變點(diǎn)為18～26 ℃,潛熱144 kJ/kg,熱導(dǎo)率0.6 W/(m·K),比熱1.7 kJ/(kg·K)。

TCM材料以管狀封裝,作為內(nèi)墻保溫材料緊密排布在墻體中,用量為10 kg/m2。TCM層是由TCM管和空氣組成,其中TCM占體積百分率為38.45%。在模擬TCM層時(shí),根據(jù)不同的加入方式,分成4種類型進(jìn)行模擬,分別記做Type1,Type2,Type3和Type4,其相應(yīng)墻體結(jié)構(gòu)見表1。在模擬計(jì)算時(shí)將TCM視作一塊20 mm厚的平板,Type1和Type2的模擬方式將TCM厚度計(jì)為7.69 mm,其余部分為12.31 mm的空氣層。具體地,Type1是在基礎(chǔ)墻體上從外向內(nèi)依次加入空氣層和TCM(7.69 mm)；而Type2是在基礎(chǔ)墻體上從外向內(nèi)依次入了鋁箔、空氣層和TCM(7.69 mm)。Type3和Type4是將TCM層視為20 mm后分布均勻的混合保溫層,因此Type3是在基礎(chǔ)墻體的機(jī)構(gòu)上直接添加TCM(20 mm),Type4則是在基礎(chǔ)墻體上從外向內(nèi)依次加上了鋁箔和TCM(20 mm)。上述TCM材料在模擬計(jì)算時(shí)的基礎(chǔ)熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置如表2。

1.3 模擬計(jì)算

表1 不同的TCM嵌入形式及相應(yīng)內(nèi)墻保溫層的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)?zāi)M參照文獻(xiàn)方法[12],根據(jù)中國氣候分區(qū)選定模擬房所在城市,調(diào)用Slab程序結(jié)合不同城市歷史氣溫Weather File文件進(jìn)行計(jì)算當(dāng)?shù)氐販?隨后將月平均地表溫度帶入模擬房文件中,調(diào)用預(yù)設(shè)房屋、墻體以及TCM材料參數(shù)構(gòu)建模擬房,計(jì)算裝有TCM控溫板的模擬房(實(shí)驗(yàn)房)與未安裝TCM控溫板的空白對(duì)照房在中國不同氣候地區(qū)全年制冷及制熱能耗情況。數(shù)據(jù)處理中,模擬房全年能耗總和為全年制冷能耗和制熱能耗相加而得。

表2 不同類型的TCM基礎(chǔ)熱力學(xué)參數(shù)

2 分析與討論

2.1 TCM材料嵌入的方式優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)中國氣候分區(qū),篩選出五大氣候區(qū)的代表城市進(jìn)行初步優(yōu)化計(jì)算,根據(jù)其地理位置自北向南五個(gè)代表性城市依次為:嚴(yán)寒地區(qū)-烏魯木齊；寒冷地區(qū)-北京；夏熱冬冷地區(qū)-上海；溫和地區(qū)-昆明；夏熱冬暖地區(qū)-?？?。在上述五大氣候區(qū)城市中分別進(jìn)行四種不同TCM嵌入形式的模擬計(jì)算,其結(jié)果如圖2。TCM材料在不同氣候區(qū)城市的應(yīng)用效果有著較為明顯的差異,同時(shí),TCM在墻體中的加入方式對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。總體上說,四種不同的嵌入方式節(jié)能效果按照從高到低依次為:Type2>Type1>Type3=Type4。因此,嵌入形式為Type2的模型節(jié)能效果較為明顯,而Type1,Type3和Type4的節(jié)能效果較差,在Type3和Type4的模擬過程中甚至出現(xiàn)了全年節(jié)能總量為負(fù)值的情況。文獻(xiàn)研究已經(jīng)證實(shí)TCM作為墻體保溫材料可顯著抑制室內(nèi)氣溫波動(dòng),并降低制冷制熱能耗[7-11]。因此,圖示節(jié)能數(shù)值為負(fù)值的Type3和Type4型TCM嵌入方式顯然不具有模擬代表性。Type1和Type2嵌入方式的主要區(qū)別在于后者嵌入時(shí)加入了鋁箔包裹。根據(jù)圖2中的計(jì)算結(jié)果可以看出Type2嵌入形式在5個(gè)代表城市中的節(jié)能效果均優(yōu)于Type1,因此Type2型嵌入方式可以作為理想的TCM保溫層使用方式。

同時(shí),模擬計(jì)算結(jié)果還初步表明了Type2型TCM的節(jié)能效果在5個(gè)代表城市中節(jié)能效果從高到低依次為:烏魯木齊(嚴(yán)寒地區(qū))>北京(寒冷地區(qū))>上海(夏熱冬冷地區(qū))>昆明(溫和地區(qū))>?？?夏熱冬暖地區(qū)),該計(jì)算結(jié)果符合預(yù)期,因此可使用Type2模型進(jìn)一步計(jì)算。

2.2 TCM在中國五大氣候區(qū)代表城市中的應(yīng)用分析

采用優(yōu)選的Type2型嵌入方式進(jìn)一步擴(kuò)大TCM保溫材料在我國五大氣候區(qū)中25個(gè)代表性城市中的節(jié)能效果,相關(guān)計(jì)算結(jié)果按照節(jié)能效率自高至低排列于表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知TCM材料在中國嚴(yán)寒地區(qū)(灰色)、寒冷地區(qū)(藍(lán)色)節(jié)能效果顯著,年均節(jié)能比例可達(dá)到7%以上；而夏熱冬冷地區(qū)(黃色)、溫和地區(qū)(綠色)和夏熱冬暖地區(qū)(橙色)的代表型城市中節(jié)能比例普遍在3%～7%之間。

表3 五大氣候區(qū)代表城市全年控溫能耗計(jì)算

考慮到TCM材料的工作原理為夜間儲(chǔ)冷、放熱,日間釋放冷量并吸熱,從而抵消室溫浮動(dòng)造成的控溫能耗,達(dá)到降低全屋綜合能耗的目的。因此,該材料應(yīng)在溫度跨度較大,晝夜溫度可反復(fù)跨越TCM材料的相變溫度區(qū)間(28 ℃)的地域。通過分析當(dāng)?shù)貧v史氣溫?cái)?shù)據(jù)可知,以嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)為代表的我國北方地區(qū)普遍晝夜溫差較大,全年有較多日期晝夜氣溫均可跨越TCM的相變溫度,因此可以最大程度地發(fā)揮該材料的節(jié)能控溫效果。Tpye2的TCM保溫層在上述地區(qū)呈現(xiàn)較好的節(jié)能效果,再次證實(shí)了該模擬方法的合理性。

綜合表3中數(shù)據(jù)結(jié)果說明,本研究中使用的Type2型TCM控溫材料通過調(diào)整組分將相變溫度區(qū)間控制為28 ℃左右,從而在我國北方地區(qū)的嚴(yán)寒和寒冷地域普遍展現(xiàn)較好的節(jié)能效果。

2.3 TCM在我國北方地區(qū)的應(yīng)用分析

基于篩選計(jì)算結(jié)果,本研究進(jìn)一步擴(kuò)大了TCM在我國嚴(yán)寒城市和寒冷城市中的篩選范圍,計(jì)算了其在133個(gè)代表性城市中的控溫效果,部分結(jié)果展現(xiàn)于表4(嚴(yán)寒地區(qū))和表5(寒冷地區(qū))中。通過計(jì)算結(jié)果可以看出,TCM材料在我國北方的嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)普遍具有較好的節(jié)能效果,可以使房屋全年控溫能耗降低7%以上。其中,TCM在我國嚴(yán)寒地區(qū)的城市中有較好的控溫節(jié)能效果,部分城市節(jié)能效果高達(dá)26%～28%。以綏芬河和百靈廟地區(qū)為例,兩地對(duì)照房全年控溫能耗分別為19.3 GJ和17.1 GJ,其中制熱能耗分別為18.8 GJ和16.2 GJ,上述供熱能耗占全年控溫能耗的比例高達(dá)97.4%和94.7%。TCM控溫材料的使用可顯著降低兩地模擬房的制熱能耗分別至13.0 GJ和11.5 GJ,從而使兩地的全年控溫能耗分別降至13.7 GJ和12.5 GJ。由于我國北方嚴(yán)寒地區(qū)普遍晝夜溫差較大,TCM材料通過日間吸熱夜間放熱的方式可有效抑制該地區(qū)夜間的氣溫波動(dòng),降低全屋制熱能耗,從而大幅降低建筑控溫能耗。

表4 嚴(yán)寒地區(qū)代表城市全年控溫能耗計(jì)算

從表5數(shù)據(jù)中可以看出,TCM控溫材料對(duì)我國寒冷氣候區(qū)城市也有不錯(cuò)的節(jié)能降耗效果,年均節(jié)能比例可達(dá)7%～9%。相較于嚴(yán)寒地區(qū),寒冷地區(qū)城市所處環(huán)境相對(duì)溫和,因此全年控溫能耗普遍低于嚴(yán)寒地區(qū)。以寒冷地區(qū)代表性城市北京和濟(jì)南為例,兩地對(duì)照房全年控溫能耗分別為9.34 GJ和9.38 GJ,其中制熱能耗分別為6.67 GJ和6.27 GJ,上述供熱能耗占全年控溫能耗的比例為71.4%和66.8%。上述控溫和制熱能耗均遠(yuǎn)小于嚴(yán)寒地區(qū)城市。TCM控溫材料的使用同樣可以降低兩地模擬房的制熱能耗至6.05 GJ和4.76 GJ,從而使兩地的全年控溫能耗分別降至8.66 GJ和7.90 GJ。

表5 寒冷地區(qū)代表城市全年控溫能耗計(jì)算

上述TCM在我國北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的應(yīng)用模擬結(jié)果說明該地區(qū)主要控溫能耗為制熱能耗,而TCM材料可通過日間吸熱夜間放熱的方式降低全屋制熱能耗,從而大幅降低建筑控溫能耗,具有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本項(xiàng)目采用Energy Plus軟件建模優(yōu)化TCM材料作為保溫層加入建筑墻體的嵌入方式,并探究了其在我國各氣候區(qū)中的控溫節(jié)能效果。該材料可以在日間儲(chǔ)熱并在夜間放熱,該特性普遍適用于我國北方嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)。經(jīng)測(cè)算,TCM的應(yīng)用可以使我國北方地區(qū)模擬房全年控溫能耗降低7%以上,部分地區(qū)可以達(dá)到28%,具有較好的應(yīng)用前景,可產(chǎn)生較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。