近零能耗建筑中新型相變供暖方式研究

張喜明，王俊莛，陶 進

1吉林建筑大學 市政與環境工程學院,長春 130018

2吉林建筑科技學院,長春 130114

近年來,“碳”已然成為了熱門話題.建筑節能對我國達成“碳達峰,碳中和”的“雙碳”目標具有重要意義[1].從1986年始至今,我國的建筑節能已經完成了由30 %～65 %的跨越.但在建筑用能上未能做到用能“均衡”.傳統的建筑節能理念都在保溫上,建筑儲能、余熱利用、主動節能并未得到充分的重視[2],“碳達峰,碳中和”的實現需要大量的清潔能源的使用,電能首當其沖.相變材料在建筑領域的應用是減少建筑能耗的一種重要方式,繆文娟[3]研究了二氧化硅相變微膠囊的設計、優化制備即性能調控;劉曉[4]制備了MA-TD/SiO2相變儲能微膠囊,得到了適宜建筑應用的相變材料;黃泓衛[5]制備了相變微膠囊/硅藻土復合材料,并用數值模擬得出該相變材料應用于建筑領域的節能效率；Drissi S等[6]人應用BASF制備的有機相變微膠囊,測試了該材料儲能密度等各項性能,并確定了損傷相變微膠囊對熱響應的影響;Juan Bohorquez-Ordenes等[7]人以一個住宅為例,設計使用PCM的被動系統可以降低空調系統能耗,提高建筑能源效率.

以上研究均應用了相變材料在建筑領域使用的優越性,但缺少建筑主動節能理念.低能耗建筑是未來的發展趨勢,高質量發展村鎮建筑要求具有良好的建筑節能,因此，建筑相變蓄能具有廣闊的應用前景,其運行優勢會更加明顯.近零能耗建筑與相變蓄熱的結合,既補充了建筑主動節能理念的空缺,又考慮到了建筑的被動保溫.本課題研究完全采用清潔能源電能進行供暖,應用復合相變材料加入建筑圍護結構中,用兩個客觀條件完全相同的房間,通過對比實驗結果,分析得出相變材料在近零能耗建筑中的應用優勢.

1 近零能耗建筑概況

該近零能耗建筑屬學校類公共建筑[8],建筑面積約1 200 m2,層高3.3 m,建筑采用高性能外圍護結構與氣密性設計,并對外窗、外墻以及各進出管道做了無熱橋處理,且對建筑物的各個角落都采用密封材料與配件隔絕傳熱,達到近零能耗建筑的高氣密性與優秀的保溫性能.

供能與儲能相結合,對緩解用電高峰壓力、改變和優化能源結構展現出較強的優勢.相變材料在建筑儲能上的應用可以減少化石能源與一次能源的消耗,進而使碳排放量大大下降[9].在圍護結構中加入相變材料可以升高建筑內的溫度谷值,降低峰值,平衡室內的溫度波動,提高人體舒適度[10].

(1) 外墻采用復合式外保溫系統,由80 mm巖棉、140 mm苯板、50 mm保溫砂漿和外飾面構成外圍護墻體,平均傳熱系數k<0.2 W/m2·K[8]；屋面保溫層厚300 mm,屋面平均傳熱系數k<0.1 W/m2·K；一層地面沿建筑底層墻體內側2 m范圍內鋪設苯板,平均傳熱系數k<0.1 W/m2·K.

(2) 該建筑外窗采用鋁木復合型高保溫性能窗,使得外窗的傳熱系數k≤0.8 W/m2·K;外門同樣采用鋁木復合型門,傳熱系數k≤0.8 W/m2·K.

“被動優先、主動優化”建筑節能新原則,對任何改善建筑供能措施來說都是極為重要的前提條件.如果建筑節能不到位,任何供暖形式都將顯得無能為力.本研究建立在近零能耗建筑基礎上,采用具有高潛熱優勢的相變蓄熱供暖形式,將能有效提高建筑能源的利用率,大大延遲室溫保持時間,提高供暖的舒適性.

2 新型相變供暖方式設計

2.1 系統設計方案

該近零能耗建筑屬學校類公共建筑,人員活動時間為8∶30～17∶30,在此時間內要達到供暖規范的室內溫度要求18 ℃～24 ℃[11],其余時間內應達到室內值班采暖要求5 ℃.新型相變供暖系統設計采用相變墻面加相變踢腳線制成的室內墻體圍護結構,同時將加熱電纜鑲嵌在混有相變蓄熱材料的墻面或踢腳線內,利用清潔能源(電能)與相變材料的特性相結合的優勢,降低運行成本與控制碳排放.

如圖1，圖2所示,在相變材料內布置多個溫度測點,可以實時監測并記錄墻面內部的溫度,在鋪設電纜前,先在其底面鋪設隔熱保溫板,以保證相變圍護結構所產生的熱量都向室內傳遞,在保溫板表面敷設30 mm的復合相變材料.加熱電纜采用螺旋迂回布置方式嵌入材料內,加大傳熱面積,加快相變材料吸收熱量,也使相變材料表面溫度更加均勻.

圖1 相變墻面及踢腳線設計Fig.1 Design of phase change wall and footline

圖2 加熱電纜布置及鋪設方式Fig.2 Arrangement and laying of heating cables

2.2 材料的選擇

低能耗建筑中材料的使用對于抗壓性、防火性、安全性、環保性都有一定要求,相變材料選擇根據以下原則:① 材料潛熱量大,能夠儲存較大的熱能；② 相變的過程可逆,過冷度低,膨脹收縮度??；③ 能滿足所需的相變溫度；④ 材料成本低無毒無害,無腐蝕性,制造方便.

圍護結構發生相變時不能成為液態狀,故選用有機相變微膠囊+SiO2+水泥混合制成復合相變材料,SiO2和水泥混合的界面結合嚴密,加強了相互之間的應力,可以有效地防止材料發生熱形變.綜合考慮選用國內某公司相變溫度為28 ℃的可降解油脂類有機相變微膠囊材料產品.

情況 6 設d(v)=8,則f3(v)≤?」=4,且ch(v)=8-4=4。由權轉移規則知8-點轉給3-點,3-面權值,當8-點作為三角形的外鄰點時也轉給三角形權值。

2.3 材料樣品測試

2.3.1 穩定性測試

微膠囊材料的熱穩定性可以通過DSC和T-history方法加以測定,但經60 000多次以上循環相變微膠囊材料中仍然存在著相當的轉變溫度和儲能密度.相變材料技術參數見表1.

表1 相變材料技術參數Table 1 Technical parameters of phase change materials

2.3.2 差示掃描量熱(DSC)測試

DSC測量基本原理:在標準程序控溫條件下,利用對物體維持式樣溫度與參比物的室溫相等所需熱量與溫度關系測定來判斷物體相變比,而相變溫度和相變潛熱量也可據此確定.有機相變微膠囊材料DSC測試流程及其DSC曲線如圖3、圖4所示,其中圖4上曲線為放熱過程曲線,材料開始凝固溫度為21.94 ℃;下曲線為吸熱過程曲線,材料開始融化溫度為24.94 ℃.

圖3 DSC測試流程Fig.3 DSC testing process

圖4 有機相變微膠囊DSC曲線Fig.4 DSC curves of phase change microcapsules

2.4 實驗臺搭建

有機相變微膠囊+SiO2+水泥制成復合相變材料混合比例基于前人研究考慮,材料混合比例見表2[10,12].

表2 PCM—混凝土混合物設計

相變踢腳線的制作流程如圖5所示.

圖5 相變踢腳線的制作流程Fig.5 The process of making phase change skirting

3 新型相變供暖方式研究

實驗通過墻面板與踢腳線升降溫過程研究復合相變材料蓄放熱特性,記錄實驗結果并繪制曲線圖.通過兩個面積相同(60 m2)的房間,房間Ⅰ有相變材料,房間Ⅱ沒有,做室溫與墻體及踢腳線內部溫度對比實驗.

3.1 實驗Ⅰ

兩房間控制在相同起始溫度升溫,并控制升溫相同時間(320 min).兩房間由17.1 ℃開始同時對墻與踢腳線升溫,由圖6與圖7可以看出升溫相同時間(320 min)后,房間Ⅰ比房間Ⅱ溫度峰值低1.5 ℃,然后對房間進行自然降溫.

圖6 材料溫度變化Fig.6 Temperature change of the material

圖7 室內溫度變化Fig.7 Temperature change of the room

房間Ⅰ的室內溫度峰值低于房間Ⅱ的溫度峰值0.6 ℃,房間Ⅰ在停止升溫后15 min達到溫度峰值(23.3 ℃),房間Ⅱ在停止升溫后50 min達到溫度峰值(22.7 ℃).表明兩個房間溫度峰值都有滯后性,房間Ⅰ比房間Ⅱ峰值時間延遲35 min,峰值高0.6 ℃.停止升溫進行自然溫降90 min后,房間Ⅰ的溫度便開始高于房間Ⅱ的溫度,且之后房間Ⅰ的溫度始終高于房間Ⅱ的溫度,差距亦有增大的趨勢.房間Ⅰ停止升溫430 min后,室內溫度由最高溫度22.7 ℃降溫致21 ℃,室內溫度下降了1.7 ℃.房間Ⅱ停止升溫430 min后,室內溫度由最高溫度23.3 ℃ 降溫至20.8 ℃,室內溫度下降了2.5 ℃.相變材料溫度峰值低于混凝土1.5 ℃,略滯后于混凝土2 min到達峰值,實驗結束時兩材料溫度相近且仍在20 ℃ 以上.

由圖8可以看出,室外氣溫在實驗開始后205 min達到最高氣溫(7.5 ℃),且室外氣溫條件波動幅度較大,在實驗結束時室外氣溫已經達到-14.6 ℃,達到了北方冬季的室外氣象條件.

圖8 室外溫度變化Fig.8 Outdoor temperature changes

3.2 實驗Ⅱ

兩房間控制在相同起始溫度升溫,并控制升溫致相同室內溫度(22 ℃)結束.兩房間由17.6 ℃開始同時對墻與踢腳線升溫,在達到相同溫度(22 ℃)時同時停止加熱,由圖9與圖10可見,房間Ⅰ停止升溫的時間(實驗開始后301 min)相對于房間Ⅱ停止升溫時間(實驗開始后329 min)滯后28 min,房間Ⅰ與房間Ⅱ停止升溫后溫度繼續升高,房間Ⅰ在673 min達到溫度峰值(23.1 ℃),房間Ⅱ在437 min達到溫度峰值(22.7 ℃),房間Ⅰ比房間Ⅱ延遲了236 min,且房間Ⅰ的室內溫度比房間Ⅱ高0.4 ℃,房間Ⅰ的峰值溫度比房間Ⅱ高1.56 ℃,復合相變材料可以儲存大量潛熱,當停止升溫時,大量潛熱量轉變為顯熱釋放出來,所以使得室內溫度還會持續升高.相同時間(1 021 min)停止升溫后,房間Ⅰ室溫由23.1 ℃下降至19.5 ℃,下降了3.6 ℃;房間Ⅱ室溫由22.7 ℃下降至18.7 ℃,下降了4 ℃.房間Ⅰ與房間Ⅱ下降至同溫度時間延遲了229 min.相變材料溫度峰值比混凝土高3.4 ℃,滯后于混凝土材料234 min到達峰值,實驗結束時相變材料溫度比混凝土高1.4 ℃,明顯的表現出了相變材料的溫度滯后性與潛熱儲存的特性.

圖9 材料溫度變化Fig.9 Temperature change of the material

圖10 室內溫度變化Fig.10 Temperature change of the room

此次實驗室外溫度明顯低于實驗Ⅰ,由圖11可以看出最高氣溫-1.6 ℃,最低氣溫達到-21.2 ℃,天氣已經屬于嚴寒地區最冷月,復合相變材料用了多于混凝土材料28 min的時間儲存潛熱,在停止升溫之后的17 h,仍然可以保持室內溫度在18 ℃以上.

圖11 室外溫度變化Fig.11 Outdoor temperature changes

長春市冬季用電低谷期時間為22∶00～5∶00.利用用電谷期時間段420 min加熱就能達到供暖室內溫度要求18 ℃～24 ℃.

4 結論

通過兩個相同面積房間,升溫降溫和材料加熱冷卻的兩次對比實驗,得出相變材料在近零能耗建筑中應用的實際效果:

(1) 由實驗Ⅰ來看,加入復合相變材料的房間Ⅰ室內溫度峰值雖然低于房間Ⅱ,但是室內熱量的保持時間卻比房間Ⅱ長,停止升溫后至少430 min仍然可以保持室內溫度在較高的水平,相變材料在降溫至28 ℃時會釋放出大量熱量,所以房間Ⅰ停止升溫后溫度依舊在攀升,在370 min時達到峰值,表現出低能耗建筑與相變材料結合的優點.

(2) 由實驗Ⅱ來看,房間Ⅰ較房間Ⅱ升溫時間僅長了28 min,就使得房間保持在人體舒適范圍時間延遲了229 min,房間Ⅰ室內溫度達到峰值時高于房間Ⅱ1.56 ℃,新型相變蓄熱供暖方式通過較少的投入,即可得到更加穩定的舒適室溫.

(3) 該新型供暖方式利用相變材料潛熱蓄熱特性并采用谷電進行供暖,能夠在保證供暖前提下能大量節省供暖費用,谷時電價為0.525元/度,峰時電價為0.825元/度,一房間每小時應用于加熱耗電2.3度,若按每天加熱420 min來計算,房間Ⅰ較房間Ⅱ延遲229 min,預計每天可省電8.8度,每天可節省資金5.3元.可見,該新型供暖方式利用低谷電供暖,在保證供暖前提下能大量節省供暖費用,還可以平衡消納電力供應.

兩實驗房間Ⅰ內的總體溫度波動比房間Ⅱ小,可見相變材料與低能耗建筑的結合減小了室內溫度波動,提高了人體舒適度,降低了建筑熱負荷.