收稿日期：2022-10-19

基金項(xiàng)目：外專(zhuān)千人科研項(xiàng)目（BE044741）；海河英才計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（C021900101）

通信作者：Razaqpur Abdul Ghani（1951—），男，博士、教授、加拿大工程院院士，主要從事生態(tài)材料、被動(dòng)建筑、太陽(yáng)能利用等方面的研

究。razaqpu@mcmaster.ca

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1588 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0010-06

摘 要：通過(guò)測(cè)試一間有一面是相變材料另一面是保溫材料的新型動(dòng)態(tài)Trombe墻體的房屋全尺寸模型，對(duì)該墻體的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。以墻體和房間的空氣溫度以及通過(guò)墻體的熱流量和氣流速率來(lái)評(píng)估其性能。結(jié)果表明：在相變過(guò)程中，溫度變化相對(duì)平緩；墻體從玻璃獲得的熱量占其獲得總熱量的26.2%，且利用其儲(chǔ)存的90.1%的熱量對(duì)房間進(jìn)行加熱；在相變材料放熱期間，該墻體可降低室內(nèi)溫度的分層且房間中部的溫度至少比室外溫度高3.2 ℃。

關(guān)鍵詞：相變材料；太陽(yáng)能；保溫；實(shí)驗(yàn)；Trombe墻

中圖分類(lèi)號(hào)：TK519"""""""""" """""""""""" """文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

相變Trombe墻體可解決傳統(tǒng)Trombe墻體的質(zhì)量過(guò)大問(wèn)題，同時(shí)可提升建筑的熱舒適度。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值方法對(duì)其做了大量研究。吳彥廷等［1］采用相變Trombe墻體的二維瞬態(tài)模型研究了空氣通道寬度對(duì)日平均供熱量的影響。孫李媛等［2］通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了光伏相變Trombe墻體在冬季的光電和熱性能；孫曉雨等［3］建立高原地區(qū)的相變Trombe墻體的二維瞬態(tài)模型，研究了集熱面發(fā)射率、相變溫度寬度、相變溫度和透明蓋板材料對(duì)集熱效率的影響；閆亞鑫等［4］通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了相變Trombe墻在寒冷氣候區(qū)的冬季蓄熱和供熱性能；周?chē)?guó)兵等［5］檢測(cè)與分析了在相變材料蓄熱期與放熱期相變Trombe墻的墻層溫度、空氣流速和空氣溫度的變化規(guī)律；段雙平等［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了相變Trombe墻在高熱和低熱模式下的熱性能；朱娜等［7］通過(guò)TRNSYS和GenOpt軟件優(yōu)化了影響雙層相變Trombe墻熱性能的6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)；劉衍等［8］模擬研究了外保溫材料對(duì)相變Trombe墻的熱性能的影響。

近年來(lái)，Gracia［9］提出動(dòng)態(tài)相變墻的概念并模擬研究了其在夏季的性能；張貴曉等［10］對(duì)提出的新型動(dòng)態(tài)相變墻的冬季性能進(jìn)行了模擬研究。綜上可知，動(dòng)態(tài)、保溫與相變材料（phase change material，PCM）均可改善墻體的熱性能。因此，本研究將動(dòng)態(tài)與保溫和相變Trombe墻體復(fù)合，提出一種新型的動(dòng)態(tài)保溫相變Trombe墻體，并采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其熱性能進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

1.1 實(shí)驗(yàn)墻體系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)保溫相變墻體系統(tǒng)及其相鄰房屋位于南開(kāi)大學(xué)泰達(dá)學(xué)院一區(qū)五樓室內(nèi)，如圖1a所示。建筑單元的內(nèi)尺寸為3 m×1.99 m×1.99 m（長(zhǎng)×寬×高），如圖1b所示。作為房屋南墻的動(dòng)態(tài)保溫相變Trombe墻體由外到內(nèi)依次是6 mm厚的玻璃蓋板、200 mm厚的空氣通道、15 mm厚的相變材料板、105 mm厚的木框架磚墻和15 mm厚的橡塑保溫材料，如圖2所示。玻璃與相變材料板的面積為1.215 m2，尺寸為0.9 m×1.35 m（寬×高）。相變材料（RT28HC）封裝在尺寸為0.3 m×0.45 m×0.015 m（寬×長(zhǎng)×厚）的9個(gè)鋁板中，鋁板陣列布置在中間3個(gè)旋轉(zhuǎn)單元上。每個(gè)旋轉(zhuǎn)單元都安裝在其頂部和底部的轉(zhuǎn)軸上，以便旋轉(zhuǎn)。相鄰的旋轉(zhuǎn)單元之間的縫隙由自制的聚氨酯泡沫封條填充，封條表面用PE發(fā)泡棉膠帶覆蓋以確保氣密性。每個(gè)通風(fēng)口的尺寸0.2 m×0.15 m（寬×高）。相變材料相關(guān)的熱物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 冬季系統(tǒng)工作原理

白天，外部上通風(fēng)口和下通風(fēng)口關(guān)閉，內(nèi)部上通風(fēng)口和下通風(fēng)口打開(kāi)。玻璃、相變材料吸收太陽(yáng)輻射后溫度升高，通道內(nèi)的空氣被加熱，然后通過(guò)自然對(duì)流的方式將熱量帶入室內(nèi)。夜間，內(nèi)部上通風(fēng)口和下通風(fēng)口關(guān)閉，旋轉(zhuǎn)單元旋轉(zhuǎn)180o，溫度較高的相變材料板直接與室內(nèi)空氣接觸，通過(guò)對(duì)流和輻射換熱方式給室內(nèi)提供熱量，同時(shí)相變材料板與室外環(huán)境之間的溫度梯度變小，熱阻增大，從玻璃流失的熱量減少。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與檢測(cè)系統(tǒng)

太陽(yáng)輻射由一個(gè)金屬鹵化燈（型號(hào)為SFL4000W）模擬。為獲得穩(wěn)定、均勻的輻射，燈的高度和燈與玻璃的距離經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢測(cè)。玻璃外表面的輻照度使用CMP3太陽(yáng)總輻射表通過(guò)測(cè)量玻璃外表面144個(gè)點(diǎn)獲得。模擬的光譜分布與ASTM G173.03上的參考光譜的對(duì)比如圖3所示。

動(dòng)態(tài)保溫相變Trombe墻體和建筑單元的主要參數(shù)測(cè)量點(diǎn)如圖2所示，標(biāo)記為黑點(diǎn)。玻璃溫度測(cè)量點(diǎn)和每個(gè)旋轉(zhuǎn)單元的相變材料板的內(nèi)外表面溫度測(cè)量點(diǎn)均為高度方向等距3個(gè)；通道內(nèi)空氣溫度和室內(nèi)空氣溫度的底部測(cè)量點(diǎn)均位于地板上方0.2 m處，上部測(cè)量點(diǎn)均位于屋頂下方0.2 m處，中間測(cè)量點(diǎn)均位于中心；內(nèi)部上下通風(fēng)口的溫度測(cè)量點(diǎn)分別位于對(duì)應(yīng)通風(fēng)口的中心；玻璃內(nèi)表面的熱流和東墻熱流的測(cè)量點(diǎn)分別位于各自的中心；內(nèi)部上通風(fēng)口的空氣流速測(cè)量點(diǎn)位于其中心。所有檢測(cè)參數(shù)每15秒由CR1000X數(shù)據(jù)采集儀采集一次。實(shí)驗(yàn)中用到的主要傳感器的型號(hào)和精度如表2所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)以往研究［11-14］，24 h的實(shí)驗(yàn)周期分為5.5 h的相變材料蓄熱期（蓄熱期）和18.5 h的相變材料放熱期（放熱期），玻璃外表面的輻照度設(shè)定為320 W/m2，墻體與建筑單元外測(cè)溫度控制在14.7～16.1 ℃之間，外部上下通風(fēng)口始終保持關(guān)閉狀態(tài)。在蓄熱期，打開(kāi)內(nèi)部上下通風(fēng)口，將相變材料板轉(zhuǎn)向玻璃一側(cè)，打開(kāi)太陽(yáng)模擬器進(jìn)行蓄熱；在放熱期，關(guān)閉內(nèi)部上下通風(fēng)口，旋轉(zhuǎn)相變材料板轉(zhuǎn)向室內(nèi)，關(guān)閉太陽(yáng)模擬器進(jìn)行放熱。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室的窗門(mén)關(guān)閉且室內(nèi)無(wú)機(jī)械通風(fēng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玻璃內(nèi)表面的溫度變化趨勢(shì)

玻璃內(nèi)表面上、中、下部溫度變化如圖4所示。在蓄熱階段初期，玻璃上、中、下部溫度一致且急劇升高，這主要是因?yàn)椴Ａ漳M的太陽(yáng)輻射后以顯熱存儲(chǔ)。在約0.4 h時(shí)，玻璃內(nèi)表面下部和中部與上部的溫度開(kāi)始分離，隨后玻璃內(nèi)表面的上部、中部和下部溫度緩慢升高，這主要是因?yàn)橥ǖ纼?nèi)空氣流速的增加帶走部分熱量且越靠近通道底部空氣溫度越低。在蓄熱末期玻璃內(nèi)表面的中部和上部溫度達(dá)到約29 ℃，比玻璃外溫度高約13 ℃，下部溫度達(dá)到約27 ℃。玻璃內(nèi)表面中部與上部溫差相差不大的主要原因是在玻璃外表面上部的太陽(yáng)輻照度小于中部的太陽(yáng)輻照度。在放熱期開(kāi)始后的0.7 h之內(nèi)，玻璃外表面溫度急劇降低到18 ℃，這主要是因?yàn)樵谔?yáng)模擬器被關(guān)閉后玻璃無(wú)法吸收模擬的太陽(yáng)輻射且較大的玻璃與室外之間的溫度梯度引起了較大的熱量損失。隨后，玻璃內(nèi)表面溫度緩慢平穩(wěn)降低，這主要是因?yàn)樵趬w旋轉(zhuǎn)后，保溫層與玻璃內(nèi)表面的溫度梯度相對(duì)較小且變化不大。

2.2 空氣通道內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)

空氣通道的上、中、下部的空氣溫度的變化如圖5所示。在蓄熱期開(kāi)始的極短時(shí)間內(nèi)，空氣通道的下部空氣溫度和中部與上部的空氣溫度分離，在約0.6 h時(shí)，空氣通道的上部溫度與下部溫度分離。在蓄熱初期，空氣通道內(nèi)空氣溫度急速升高。分離之后，空氣通道內(nèi)空氣溫度的升高較之前變緩但其升溫速度大于對(duì)應(yīng)的玻璃外表面的升溫速度，這是因?yàn)橥ǖ纼?nèi)空氣溫度升高的主要原因是相變材料板外表面溫度的升高。在蓄熱末期，空氣通道內(nèi)的上、中、下部的空氣溫度分別達(dá)到約26.3、23.8和18.6 ℃。在放熱期開(kāi)始后的0.7 h內(nèi)，空氣通道內(nèi)的上、中、下部的空氣溫度分別急速降低到約21.8、19.3和18.5 ℃。此后，空氣通道內(nèi)的上、中部的空氣溫度緩慢降低。在整個(gè)放熱期，空氣通道內(nèi)的下部溫度一直緩慢降低。

2.3 相變材料板內(nèi)外表面溫度的變化趨勢(shì)

圖6為相變材料板外側(cè)與內(nèi)側(cè)表面溫度和保溫層外側(cè)表面溫度的變化曲線(xiàn)。在蓄熱期的前0.43 h，相變材料板外表面和內(nèi)表面的溫度快速升高到27.0和23.4 ℃。隨后，其溫度升高變緩，這主要是由相變材料融化所致。到約2.5 h時(shí)，相變材料板外表面和內(nèi)表面的溫度升高速度又開(kāi)始有所升高。外表面速度升高的原因主要是靠近外表面的相變材料已融化且有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率較低，相變材料板外表面吸收的熱量來(lái)不及傳遞到內(nèi)部的固態(tài)的相變材料而以顯熱方式儲(chǔ)存堆積的熱量。內(nèi)表面溫度升高的主要原因是相變材料板內(nèi)外表面之間的鋁熱橋。在蓄熱末期，相變材料板外表面的上、中、下部溫度分別為41.4、38.6、34.4 ℃，相變材料板內(nèi)表面的上、中、下部溫度分別為35.0、34.8、33.0 ℃。在放熱期開(kāi)始后的約前0.8 h，相變材料板的內(nèi)外表面溫度極快降低到約26.8 ℃，隨后快速升高到約27.5 ℃。降低是因?yàn)橄嘧儾牧习鍍?chǔ)存的顯熱快速釋放而升高是因?yàn)橄嘧儾牧祥_(kāi)始凝固放熱。隨后一段時(shí)間，相變材料板的內(nèi)外表面溫度均維持在27 ℃以上，這主要是相變材料凝固放熱所致。最后，相變材料板的內(nèi)外表面溫度降低的速度先緩慢增大后緩慢減小。緩慢增大的主要原因是鋁板內(nèi)部液態(tài)的相變材料越來(lái)越少直到完全凝固，緩慢減小的主要原因是相變材料及封裝鋁板以顯熱釋放熱量后引起相鋁板內(nèi)外表面與周?chē)噜徫镔|(zhì)之間的溫度梯度變得越來(lái)越小。不管是相變材料板外表面溫度還是內(nèi)表面溫度，在上、中、下部溫度分離后，上部的溫度大于中部，而中部的溫度大于下部。

2.4 室內(nèi)空氣溫度的變化趨勢(shì)

建筑單元的室內(nèi)空氣溫度的變化如圖7所示。由圖7可看出，在相蓄熱期，室內(nèi)的上、中、下部空氣溫度不斷升高，這主要是室內(nèi)底部溫度較低的空氣不斷地從內(nèi)部下通風(fēng)口進(jìn)入空氣通道內(nèi)被加熱后升高，從內(nèi)部上通風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)所致。在蓄熱末期，室內(nèi)的上部、中部與下部空氣溫度分別達(dá)到20.3、19.6、18.3 ℃。在放熱期開(kāi)始的0.3 h內(nèi)，室內(nèi)上、中、下部空氣溫度分別快速升高了0.4、0.9、0.9 ℃，這是因在旋轉(zhuǎn)墻體后，具有較高溫度的封裝有相變材料的鋁板外表面與室內(nèi)溫度較低的空氣直接接觸，快速提升室內(nèi)溫度。隨后，室內(nèi)的上、中、下部空氣溫度快速下到19.5、19.9、18.9 ℃并維持一段時(shí)間，這主要是由相變材料的凝固釋放潛熱所致。最后，室內(nèi)的上、中、下部空氣溫度緩慢降至18.2、19.0、18.2 ℃。在整個(gè)放熱期，室內(nèi)中部空氣溫度一直維持在19 ℃以上。同時(shí)，在此期間其與室外溫度的最小溫差為3.2 ℃，平均溫差4.2 ℃。

在蓄熱期，室內(nèi)空氣的上部溫度大于中部溫度，中部溫度大于下部溫度；在放熱期，室內(nèi)空氣的中部溫度大于上部溫度，上部溫度大于下部溫度。由此可見(jiàn)室內(nèi)溫度在高度上有熱分層現(xiàn)象。在蓄熱期，室內(nèi)上部與下部空氣的最大溫差為1.9 ℃，對(duì)應(yīng)的最大溫度梯度為1.2 ℃/m；在相變材料釋放潛熱階段，室內(nèi)中部與上部和下部空氣的最大溫差分別為0.9和0.6 ℃，對(duì)應(yīng)的最大溫度梯度分別為1.1和0.6 ℃/m。

2.5 玻璃與東墻內(nèi)表面熱流量的變化趨勢(shì)

玻璃與東墻內(nèi)表面的熱流量的變化如圖8所示。圖8中正值表示熱量從室內(nèi)流向室外，負(fù)值表示熱量從室外流向室內(nèi)。從圖8可看出，東墻內(nèi)表面的熱流量相對(duì)小得多，說(shuō)明搭建的建筑單元的保溫較好。玻璃內(nèi)表面的熱流量在蓄熱期為負(fù)值說(shuō)明玻璃吸收模擬的太陽(yáng)輻射引起熱流從玻璃進(jìn)入空氣通道內(nèi)。而其值不斷減小是由通道內(nèi)不斷增大的空氣流速?gòu)牟Ａ蠋ё叩臒崃坎粩嘣龆嗨隆２Ａ?nèi)表面的熱流量在放熱期為正值說(shuō)明熱量從玻璃內(nèi)側(cè)流向室外。特別需要注意的是：該值在整個(gè)放熱期的變化不大且較小，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)墻體后，保溫材料在一定程度上阻止了相變材料釋放的熱量從玻璃側(cè)流向室外。在蓄熱期，墻體系統(tǒng)從玻璃處和相變材料板處獲得的熱量分別為1324.1和5051.2 kJ；在放熱期，墻體系統(tǒng)從玻璃處流失的熱量為630.2 kJ。因此，墻體從玻璃處獲得熱量占總熱量的26.2%且其熱量利用率為90.1%。

2.6 內(nèi)部上下通風(fēng)口溫差和上通風(fēng)口空氣流速的變化趨勢(shì)

內(nèi)部上下通風(fēng)口溫差和上通風(fēng)口空氣流速的變化如圖9所示。在蓄熱期的前0.5 h，內(nèi)部上下通風(fēng)口的溫差先急速增大4.2 ℃，隨后以較緩的速度增大到8.1 ℃。溫差升高變緩的主要原因是相變材料板外表表面的溫度升高的變緩。內(nèi)部上通風(fēng)口的空氣流速的變化趨勢(shì)與內(nèi)部上下通風(fēng)口溫差的趨勢(shì)一致且到蓄熱末期增加到0.42 m/s。

2.7 不同位置處的溫度變化趨勢(shì)

在距離地板1 m處的玻璃內(nèi)表面溫度、空氣通道內(nèi)的空氣溫度、相變材料板外表面溫度、相變材料板內(nèi)表面溫度和室內(nèi)溫度的變化如圖10所示。從圖10可看出，在蓄熱期開(kāi)始的3 h內(nèi)，相變材料板外表面溫度大于玻璃內(nèi)表面溫度，玻璃內(nèi)表面溫度大于相變材料板內(nèi)表面溫度，相變材料板內(nèi)表面溫度大于室內(nèi)溫度。隨后，相變材料板內(nèi)表面溫度大于玻璃內(nèi)表面溫度。在放熱期，相變材料板內(nèi)外表面溫度基本一致且大于室內(nèi)溫度，玻璃內(nèi)表面溫度最低。

3 結(jié) 論

為進(jìn)一步提升相變Trombe墻體的熱性能，提出動(dòng)態(tài)保溫相變Trombe墻體。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模型測(cè)試該新型墻體的熱性能，得出如下主要結(jié)論：

1）玻璃內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)和空氣通道的空氣溫度變化趨勢(shì)一致：在蓄熱期先迅速升高再緩慢升高；在放熱期先急速降低再緩慢降低。相變材料板內(nèi)外表面的溫度的變化趨勢(shì)一致：在蓄熱期先極速升高然后緩慢升高隨后再快速升高；在放熱期先極速降低然后維持穩(wěn)定隨后加速降低最后達(dá)到平穩(wěn)降低。室內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)是：在蓄熱期線(xiàn)性增大；在放熱期先極速增大后極速降低然后維持恒定一段時(shí)間最后緩慢降低。

2）在蓄熱期，上下通風(fēng)口溫差可達(dá)8.1 ℃，上通風(fēng)口的空氣流速可達(dá)0.42 m/s。

3）基于玻璃的熱流量數(shù)據(jù)可知，墻體從玻璃處獲得熱量占總熱量的26.2%且其熱量利用率為90.1%。

4）室內(nèi)溫度的熱分層現(xiàn)象在放熱期變小；在整個(gè)放熱期內(nèi)，室內(nèi)中部空氣溫度保持在19 ℃以上且其與室外溫度的最小溫差為3.2 ℃，平均溫差4.2 ℃。

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EXPERIMENTAL STUDY OF THERMAL PERFORMANCE OF

NEW DYNAMIC THERMAL INSULATED PCM TROMBE WALL

Zhou Shiqiang，Razaqpur Abdul Ghani

（College of Environmental Science and Engineering， Nankai University， Tianjin 300071， China）

Abstract：A full-scale model of a room with a new dynamic Trombe wall with phase change material on one side and insulation material on the other was tested to investigate the thermal performance of the wall. The performance is evaluated by measuring the wall and room air temperatures as well as the heat flow and airflow rate through the wall. The results show that the temperature variations become gentle during the phase change process of the PCM， the ratio of the heat obtained through the glazing to the whole heat obtained by the wall is 26.2% and the wall utilizes 90.1% of its stored energy to heat the room. During the discharging period of the PCM， the wall reduces the stratification of the indoor temperature while the temperature in the middle of the room is maintained at least 3.2 ℃ above the outdoor temperature.

Keywords：phase change materials； solar energy； thermal insulation； experiments； Trombe wall