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        夏熱冬冷地區(qū)相變屋面最佳相變溫度的實驗研究

        2023-10-14 07:52:26時雨趙運超樊智軒蔣達華
        化工進展 2023年9期
        關鍵詞:實驗

        時雨,趙運超,樊智軒,蔣達華

        (江西理工大學土木與測繪工程學院,江西 贛州 341000)

        建筑能耗是全球能源消耗和二氧化碳排放的主要原因,占比較大。2018 年,建筑的能源消耗占總能源消耗的36%,二氧化碳排放占總排放的39%[1],在中國南方夏季空調(diào)的需求量占建筑總能耗的50%~70%[2]。建筑能耗因此也受到廣泛的關注,如何提高建筑圍護結構的熱工性能已經(jīng)成為建筑節(jié)能領域的研究熱點。

        相變材料(phase change material,PCM)由于具有較低的熱導率和潛熱特性,在物態(tài)發(fā)生變化時會在近似于恒溫狀態(tài)下進行“放熱”與“吸熱”,能夠解決時間和空間上的不匹配問題,將PCM 集成到建筑圍護結構中可以降低室內(nèi)空氣溫度波動,降低能耗[3-4],因此PCM 被廣泛應用于建筑節(jié)能領域。但是,通過屋頂?shù)奶栞椛湔枷募緹嵩鲆娴暮艽笠徊糠郑琕ijaykumar 等[5]在對馬來西亞住宅建筑的研究中發(fā)現(xiàn),建筑內(nèi)部承受熱量來自建筑圍護結構的高強度熱傳導,其中屋頂?shù)膫鳠峒s占熱增量的70%。在我國夏熱冬冷地區(qū)的民用建筑大多是平屋頂,由于直接受到太陽輻射的影響導致由屋面引起的能耗較高,和普通屋面相比相變屋面內(nèi)表面溫度可以延遲3h以上[6],隔熱效果顯著。

        在選擇相變材料時需要選擇合適的相變溫度,相變溫度的大小影響著PCM吸熱或放熱的起始點,所以相變溫度的選擇至關重要。我國夏熱冬冷地區(qū)屋頂表面溫度在夏季可達到60℃左右,最低溫度也能達到30℃以上,如果PCM 的相變溫度選取不合理,可能導致PCM 不能有效地熔化或凝固,從而不能有效發(fā)揮PCM在屋面結構中保溫隔熱的效果。關于相變溫度的選擇至今都還沒有一個統(tǒng)一確定的方法。Yu等[7]通過數(shù)值模擬分析研究了夏熱冬冷地區(qū)相變溫度對相變材料性能的影響,建議相變溫度的最佳溫度范圍為36~38℃。Yan[8]指出在大多數(shù)城市,最佳的相變溫度范圍取值為25~33℃。楊清晨等[9]分別以相變溫度半徑為1℃、2℃、3℃、4℃進行研究,發(fā)現(xiàn)適宜的相變溫度范圍為34~39℃。在現(xiàn)有的研究中相變屋面最佳相變溫度的取值還沒有形成統(tǒng)一的計算方法,大多都是根據(jù)經(jīng)驗值或估計值進行選取,很少有研究是通過實驗去探索適合夏熱冬冷地區(qū)相變屋頂?shù)淖罴严嘧儨囟热≈担虼舜嬖谝欢ǖ木窒扌?,可能導致選取的溫度不合理而影響PCM的實際應用效果。

        我國夏熱冬冷地區(qū)在夏季對空調(diào)的使用所消耗的能量占據(jù)了總能耗的2/3 左右[2],而冬季最低氣溫在0℃以下的時間非常少,一般對空調(diào)的需求沒有夏季高。所以本文以夏熱冬冷地區(qū)平屋頂?shù)南募竟r為研究對象,通過實驗測試確定達到最佳隔熱效果時PCM 相變溫度的取值范圍,為夏熱冬冷地區(qū)夏季隔熱PCM屋頂相變材料的選擇提供參考。

        1 研究方法

        1.1 PCM屋面結構設計

        為了延長相變材料的熔化時間,提高相變絕緣效果,可以在屋面外表面鋪設一層高反射率薄膜,也就是通常所說的“冷屋頂”,即在屋頂最外層涂一層薄薄的反射涂料。反射涂料層主要用于增大屋面的太陽輻射反射率,并在一定程度內(nèi)增加屋面的傳熱熱阻,最終減少屋面的熱量積累,降低屋面溫度[10-13]。

        所以本文將反射隔熱涂料運用到屋頂當中,將相變材料和反射涂料兩種材料結合起來,不但可以彌補單一使用反射涂料時屋面降溫能力有限、不能滿足室外溫度較高、室內(nèi)溫度波動較大的缺點,還可以彌補單一使用相變材料時屋面相變材料用量較大、屋面容易老化的缺點。

        Hasan 等[14]發(fā)現(xiàn)將PCM 層放置在中間隔熱效果最好。當PCM直接放置在屋頂外部時,由于較高的太陽輻射,PCM層的表面溫度將會非常高,導致相變時間太短,所要求的相變溫度非常高,最終會導致更多的熱量進入室內(nèi)。所以本次實驗的屋面結構設計分別為3cm 結構層、2cm 相變層、2cm 保護層和2mm反射涂料層,PCM屋面結構如圖1所示。

        圖1 PCM屋面結構

        1.2 PCM的選擇及封裝

        脂肪酸、醇類、酯類等有機相變材料由于其性能穩(wěn)定、相變溫度適應性好、無過冷及相分離現(xiàn)象而被廣泛應用在建筑節(jié)能領域[15-16]。本文以4℃為一個溫度間隔對相變材料進行選擇,選取了癸 酸(31℃)、 70% 月 桂 酸+30% 肉 豆 蔻(35℃)[17]、82%月桂酸+18%硬脂酸(39℃)[17]、月桂酸(43℃)、十六醇(48℃)五種相變材料來進行實驗研究。

        相變材料在熔化成液相時由于液體流動容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象,常用的封裝方式有宏觀和微觀兩種方法。如Al-yasiri 等[18]就將PCM 宏觀封裝在鋁框架中,直接用作屋頂。本次實驗采用宏觀封裝方式對相變材料進行封裝,即將PCM 封裝在鋁箔袋中,鋁箔袋的尺寸大小為28cm×38cm,為了防止相變材料在熔化凝固過程中的熱脹冷縮,在每個鋁箔袋里面放置240g 等量的相變材料,用封口機將PCM 密封。用PVC 膠將PVC 制作成一個80cm×80cm×2cm 的空腔板,為了便于對比分析每種相變材料對屋面的隔熱效果,將相變層用玻璃纖維隔熱板分隔成6 個大小一樣的小方格,每一個小格子放2袋封裝好的相變材料,圖2左上角為用2cm 厚XPS 板來代替PCM 進行對比試驗分析,最后將PVC 板蓋上去形成PCM 層。圖3 為相變層測點布置。

        圖2 PCM層

        圖3 相變層測點布置圖

        2 實驗方案

        2.1 實驗裝置

        本實驗采用對比分析的方法對屋頂6塊小格子的隔熱效果進行測試,搭建了一個80cm×80cm×80cm 的實驗小室。用鋁合金焊接制成該小室的外框架,為了控制房間的溫度保持恒定,墻體結構采用5cm厚XPS保溫板進行保溫處理[19],在保溫板的最外層采用反光板將太陽光反射防止XPS板吸收太陽光而導致室內(nèi)溫度較高。小室四周是經(jīng)過嚴密粘連的,也沒有設置門窗,是一個密閉的空間,不會有氣體進入,而且XPS 保溫板的保溫效果比較明顯,所以不會有熱對流形成的熱量傳遞而造成的誤差。屋頂結構從內(nèi)到外分別由結構層、相變層、保護層、反射涂料層構成,結構層由2cm厚彩鋼板制成,相變層見1.2 節(jié),保護層為2cm 鋁板制成,在鋁合金板的最外層刷2mm 厚的反射隔熱涂料,然后將反射涂料層晾干,所用相變材料的相變焓和相變溫度以及屋頂材料的熱性能參數(shù)見表1。

        表1 屋頂材料的熱性能參數(shù)

        將制作好的實驗小室放置到空曠的位置布置測點,將T 型熱電偶和安捷倫數(shù)據(jù)采集器連接,然后將數(shù)據(jù)導出到電腦上,實時觀測溫度的變化趨勢。

        2.2 實驗儀器及材料

        2.2.1 實驗材料

        癸酸(CA),分析純,國藥集團化學試劑有限公司,其含量大于98.5%。月桂酸(LA)、肉豆蔻(MA)、硬脂酸(SA)、十六醇(HD),分析純,山東優(yōu)索化工科技有限公司,其含量為99%。反射隔熱涂料,古秋防水有限公司。鋁合金板,規(guī)格80cm×80cm×2cm。保溫板,擠塑式聚苯乙烯,5mm厚,用作小室的墻體結構。

        2.2.2 儀器設備(表2)

        2.3 實驗步驟

        本實驗采用T型熱電偶來進行溫度的測試,在正式測試前將熱電偶用“冰浴法”進行標定。標定好之后將T 型熱電偶與安捷倫數(shù)據(jù)采集器連接起來,然后開始布置測點,在相變層的6個小方格下的中心位置分別布置了6個測點,如圖3所示。結構層的上表面和下表面也分別布置6個位置相同的測點,在兩袋相變材料的中間各布置一個測點,用以觀測相變材料發(fā)現(xiàn)相變的過程,如圖4所示。此外,在小室的中心位置安裝一個熱電偶,以測量小室內(nèi)的空氣,在室外布置一個測點測試空氣干球溫度的變化情況。

        圖4 實驗小室

        所有熱電偶都連接到安捷倫數(shù)據(jù)采集器上,設置每一分鐘測一次數(shù)據(jù),將連接好的測試系統(tǒng)置于室外空曠無遮攔的地方,進行連續(xù)三天不間斷的測試(測試時間為8 月16 日~8 月19 日,連續(xù)三天為晴朗天氣),然后在實驗結束時導出到電腦上。

        3 結果和討論

        3.1 室外天氣情況

        實驗三天所測得的室外環(huán)境溫度如圖5 所示。從圖5 中可知,室外環(huán)境溫度在下午16:00 左右最高溫度可以超過46℃,在夜間和凌晨時間段室外溫度也能超過30℃,表明在夏熱冬冷地區(qū)夏季全天需要空調(diào)系統(tǒng)以保持居民適當?shù)臒崾孢m,因此選擇將相變材料運用到建筑圍護結構中可以有效降低能耗。

        圖5 實測室外環(huán)境和內(nèi)部空間溫度

        3.2 不同PCM內(nèi)外表面溫度對比分析

        經(jīng)過連續(xù)三天的實測,得到了室外空氣干球溫度、實驗小室內(nèi)外的逐時溫度、相變層PCM熔化、凝固的溫度變化曲線以及隔熱涂料層外表面的逐時溫度變化曲線,為了方便記相變層的XPS隔熱板為1 號(空白對照組,作為對比分析的基層)、癸酸為2號、70%月桂酸+30%肉豆蔻為3號、82%月桂酸+18%硬脂酸為4號、月桂酸為5號、十六醇為6號。其中外表面溫度是指屋頂?shù)淖钔鈱蛹捶瓷渫苛蠈拥耐獗砻娌贾玫臏y點所測得的溫度,內(nèi)表面溫度是指3cm結構層的內(nèi)表面布置的測點所測得的溫度(和室內(nèi)空氣直接接觸的面),1~6號的內(nèi)外表面的逐時溫度分布曲線如圖6~圖11所示。

        圖8 內(nèi)外表面溫度變化曲線(3號)

        圖9 內(nèi)外表面溫度變化曲線(4號)

        圖10 內(nèi)外表面溫度變化曲線(5號)

        圖11 內(nèi)外表面溫度變化曲線(6號)

        由圖6~圖11 可以看出,1~6 號材料外表面峰值溫度在12:23 分別為55.54℃、53.12℃、52.47℃、55.21℃、53.73℃和53.06℃。6 種材料的內(nèi)表面峰值溫度出現(xiàn)的時間各不相同,1號材料內(nèi)表面的峰值溫度在14:49 時達到43.14℃,2 號內(nèi)表面峰值溫度在16:33 時達到42.28℃,3 號材料內(nèi)表面峰值溫度在16:26 達到36.85℃,4 號材料內(nèi)表面的峰值溫度在18:00 可以達到37.57℃,5 號材料內(nèi)表面的峰值溫度在16:29 時達到43.41℃,6 號材料內(nèi)表面的峰值溫度在16:15可達46.67℃。

        1 號材料在8:30~16:30 時間段內(nèi)外表面溫度均高于內(nèi)表面溫度,在16:30~8:30時間段(傍晚和凌晨)內(nèi)表面溫度高于外表面溫度;2 號材料在8:30~17:30 時間段內(nèi)小室內(nèi)的環(huán)境溫度低于室外溫度,在17:30~8:30時間段內(nèi)小室內(nèi)的環(huán)境溫度高于室外溫度;3 號材料在8:30~18:10 時段內(nèi)室外環(huán)境溫度高于測試小室內(nèi)的溫度,在18:10~8:30時段內(nèi)室外環(huán)境溫度低于測試小室內(nèi)的溫度;4號材料在8:15~18:00時段內(nèi)室外環(huán)境溫度高于測試小室內(nèi)的溫度,18:00~8:15時段內(nèi)室外環(huán)境溫度低于測試小室內(nèi)的溫度;5 號材料在8:15~16:30 時段內(nèi)室外溫度高于室內(nèi)溫度,在16:30~8:15時段內(nèi)室外溫度低于室內(nèi)溫度;6 號材料在8:30~16:00 時段內(nèi)室外溫度高于室內(nèi)溫度,在16:00~8:30時段內(nèi)室外溫度低于室內(nèi)溫度。主要是因為太陽落山后太陽輻射強度為零,導致相變材料層溫度外表面溫度隨之下降。但是由于實驗小室四周墻壁用的是保溫板,在夜間小室內(nèi)熱量不能及時排出,進而外表面溫度會比內(nèi)表面溫度低,內(nèi)外表面的溫度對比如表3 和表4所示。

        表3 外表面溫度對比 單位:℃

        表4 內(nèi)表面溫度對比 單位:℃

        1~6 號材料最高降溫在12:23 時可分別達到16.19℃、21.19℃、17.58℃、21.2℃、18.44℃、16.74℃,在室外溫度高于測試小室內(nèi)溫度這段時間內(nèi)的平均溫降分別為5.58℃、10.10℃、7.86℃、10.01℃、7.66℃、6.45℃,如表5所示。

        表5 降溫幅度 單位:℃

        本研究采用了幾種能量指標來對比分析不同相變材料的隔熱效果,如最大減溫率、衰減系數(shù)和時滯系數(shù)這三個指標。

        3.2.1 最大減溫率

        最大減溫率(MTR)是指與參考溫度相比,室內(nèi)和室外表面溫度的減溫率有多高,屋頂?shù)腗TR可以根據(jù)式(1)計算[20]。

        式中,TR,max和Tr,max分別表示屋頂外表面和內(nèi)表面的最高溫度。

        此外還可以計算1號對照組與不同PCM之間的MTR 差,以顯示PCM 對屋頂?shù)母魺嵝Ч鐖D12所示。

        圖12 不同PCM和對照組的MTR比較

        由式(1)可以算出1~6 號的MTR 分別為12.4℃、10.83℃、15.62℃、17.64℃、10.32℃、6.39℃,分別和1號對照組進行對比,由圖12可知,5種不同相變材料的誤差分別為-1.6℃、3.2℃、5.2℃、-2.1℃、-6℃。由此可見,3號和4號的隔熱效果最好,之所以會出現(xiàn)負值是因為1號癸酸的熱導率較大且相變潛熱值較小,導致熔化時間太短。因為5號和6號相變溫度太高,室外環(huán)境溫度很難長時間達到,所以這兩種PCM 沒有發(fā)生相變或者相變不完全,導致鋁箔袋中一直是固液混合的狀態(tài),熱量也很難散出去,所以會比1號XPS隔熱板的隔熱效果差。

        3.2.2 衰減系數(shù)

        衰減系數(shù)(DF)表示具有較低的DF的圍護結構對室外溫度波動具有較高的熱阻。該特性對于熱舒適性評估至關重要,因為它與平均輻射溫度和工作溫度相關,DF根據(jù)式(2)進行計算[21]。

        式中,Tr,max、Tr,min、TR,max和TR,min分別表示內(nèi)表面溫度的最大值、最小值和屋頂外表面溫度的最大值、最小值。1 號對照組和不同PCM 的DF 如圖13所示。

        圖13 不同PCM和對照組的DF比較

        由式(2)可知1~6 號的DF 分別為0.505、0.502、0.341、0.341、0.561、0.63,與1 號對照組相比,DF 分 別 降 低0.3%、 16.4%、 16.4%、 -5.6%、-18.8%,DF 為負值意味著與1 號對照組相比該PCM 的加入對實驗小室的隔熱效果還沒有XPS 隔熱板好,因此該相變溫度不適合夏熱冬冷地區(qū)屋頂?shù)膽?,從圖13中可以看出3號和4號的隔熱效果最好。

        3.2.3 時滯系數(shù)

        時滯系數(shù)(TL)表示屋頂內(nèi)表面的最高溫度和外表面的最高溫度下的時間差,這是PCM 在建筑圍護結構中所特有的優(yōu)勢,TL 可以根據(jù)式(3)進行計算[22]。

        式中,τTr,max和τTR,max分別表示內(nèi)表面最高溫度下的時間和外表面最高溫度下的時間,min。

        如圖14 所示,1~6 號的時間滯后分別為143min、 300min、 287min、 310min、 190min、176min,與空白對照組1 號相比時間分別滯后了157min、144min、167min、47min 和33min,PCM的加入會使最高溫度出現(xiàn)的時間往后延遲,這對夏季高溫來說是有利的。外表面最高溫度出現(xiàn)的時間基本上都是13:00左右,而內(nèi)表面最高溫度1號、5號和6 號是在16:00 附近,而2 號、3 號、4 號的內(nèi)表面最高溫度出現(xiàn)的時間是在18:00 左右。從圖中可以看出4號(82%LA+18%SA)的TL最大,所以隔熱效果最為理想。

        圖14 不同PCM和對照組的TL比較

        3.3 PCM層溫度變化

        為了實時監(jiān)測相變材料的相變過程,在相變層的中間各布置一個測點,隨時觀察到相變材料在溫度變化時熔化和凝固溫度的變化曲線如圖15所示。

        圖15 PCM層溫度變化曲線

        從圖15可以看出5號和6號相變材料由于相變溫度較高而外界溫度沒有達到相應的相變溫度,也并未出現(xiàn)平臺,所以月桂酸和十六醇沒有發(fā)生相變。癸酸在1:30~11:30這段時間出現(xiàn)了兩個明顯的平臺,說明在這段時間內(nèi)癸酸在發(fā)生相變,在這之前癸酸的溫度都要高于它的相變溫度處于液相,所以癸酸處于平臺時由液態(tài)凝固成固態(tài)放出熱量。從圖15 可以看出3 號(70%月桂酸+30%肉豆蔻)當達到相變溫度35℃時之后的溫度就一直保持平緩狀態(tài),說明該相變材料一直處于液態(tài),當外界溫度下降到低于該PCM 的相變溫度時也未凝固,因此在夜間不能凝固放熱帶走室內(nèi)的熱量,所以該相變材料不可取。綜上,從相變材料相變的曲線來看4號(82%月桂酸+18%硬脂酸)熔化凝固的效果最好。

        從實驗房間外表面溫度分布曲線分布來看,6個放置不同材料的小方格的室外溫度呈現(xiàn)出周期性規(guī)律的變化且基本重合,但是峰值溫度存在1~3℃的差異且未加相變材料的對照組室外峰值溫度最高,主要是因為相變材料在相變的過程中會對最外層反射涂料層產(chǎn)生反作用,會使相對應的小格子外表面溫度稍有下降。

        從實驗房間內(nèi)表面溫度曲線分布來看,6個小方格的內(nèi)表面溫度也呈現(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律,且2號、3號、4號的內(nèi)表面的峰值溫度都要比1號對比組的峰值溫度低,而5號、6號的內(nèi)表面峰值溫度要比1 號高,主要原因是5 號、6 號的相變材料沒有發(fā)生相變,導致相變層一直處于一種高溫的固態(tài)。

        綜合相變材料的隔熱效果和PCM 熔化、凝固時間的快慢,夏熱冬冷地區(qū)相變屋面最佳相變溫度的取值范圍為35~39℃。

        4 結論

        本文針對PCM 用于夏熱冬冷地區(qū)夏季屋面隔熱的問題,采用對比實驗的方法,以4℃為溫度間隔將5種不同相變溫度的PCM放置在搭建的建筑屋面結構中進行實測,通過對PCM 內(nèi)外表面溫度、最大減溫率、衰減系數(shù)、時滯系數(shù)等指標參數(shù)的分析,得到以下結論。

        (1)建筑屋面結構中加入相變材料層,可以提高夏熱冬冷地區(qū)夏季建筑屋面的隔熱效果,通過對比試驗可知:適用于夏熱冬冷地區(qū)夏季建筑屋面隔熱的PCM的相變溫度范圍為35~39℃,最大MTR為17.64℃,最大DF 下降率為16.4%,最大TL 為167min。

        (2)建筑屋面中的PCM 層在白天可以有效地吸熱,起到較好的隔熱效果,但是夏熱冬冷地區(qū)晝夜溫差較小,PCM 層會出現(xiàn)夜間不能有效散熱的問題,影響PCM 的下一個相變循環(huán),甚至可能導致室內(nèi)溫度升高。

        因此,如何優(yōu)化相變屋面PCM 層的結構、提高PCM 在夏熱冬冷地區(qū)夏季夜間有效散熱等問題還需要做進一步的深入研究。

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