夏季工况下相变墙房间空调蓄冷的热性能实验正文.doc

夏季工况下相变墙房间空调蓄冷的热性能实验*基金项目：建设部科技攻关项目，辽宁省教育厅科技攻关项目，国家外国专家局项目，北京市重点实验室基金联合资助。

冯国会1，陈旭东1,郭慧宇1，李慧星1
（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳110168）
摘 要：通过进行普通墙房间和相变墙房间室内热性能参数的实测分析，进而得到在夏季空调工况下相变储能墙板对室内温度变化的影响情况。构建相变墙和普通墙实验测试房间，利用户式空调蓄冷，以温度、热流巡检装置对实验房间的温度场和热流变化进行测试。通过普通墙房间和相变墙房间对夏季工况下室内热性能参数的实测分析，得到相变墙房间的室内温度要比普通墙房间的室内温度低1-2℃，同时相变墙可以削减热流4.6 W/m2。在建筑围护结构中，加入相变储能构建，具有降低室内温度，提高房间的热舒适性的作用，同时还能降低空调设备的开启频率，减少设备初投资和运行费用；对电力的“移峰填谷”起到一定作用。
关键词： 相变墙房间；室内温度；空调蓄冷。

随着人们生活水平的提高，人们对室内的环境的舒适度要求也愈来愈高，空调的普及程度逐渐提高，导致电力需求快速增加，建筑能耗也随之增高，造成能源消耗过快。而在建筑围护结构中相变储能构件的应用，不但可以改善室内的热环境同时能够合理利用电力资源，队缓解电力供应紧张的起到积极作用。
相变墙体是美国80年代中期开始研究的一种建筑围护结构[1],是含有相变建筑材料的墙体.这种墙体可以在电力低谷时将能量储存在墙板上，而在电力高峰时，关闭空调使用储存的能量，以此来提高建筑节能效果.
许多研究人员对相变储能建筑作了大量研究，美国的Dayton大学的J.Kelly kissock(1998)等人用十八烷作相变材料，通过浸泡法作相变墙板 ，建了一个带有相变墙板的实验房和一个带有普通墙板的实验房作比较试验。试验表明相变墙板能明显地使房间内的温度更平稳，同时也证明了在实际的建筑物中，相变墙板能提高舒适性、削减高峰负荷并且转移负荷[2、3]。加拿大的Concordia 大学建筑研究中心用49%的丁基硬酯酸盐和48%的丁基棕榈酸盐的混合物作相变材料，采用掺混法与灰泥砂浆混合，然后再按工艺要求制备出相变墙板，并对相变墙板的熔点、凝固点、导热系数等方面进行了实验测试，得出结论：通过此种方法制备的相变墙板比相应的普通墙板的贮热能力增加10倍[4、5]。Khudhair等人利用石蜡和石膏板，制得PCM含量为24%的相变墙板，实验表明石蜡在墙板中即无移动现象，也无明显的蓄热能力得退化[6]。

本文通过普通墙房间和相变墙房间对夏季工况下室内热性能参数的实验测试，并结合相关的理论和实验研究[7、8]，分析相变墙对改善室内热环境，减少建筑能耗方面的影响。
1 实验房间构建
1.1实验地点
实验地点位于沈阳市，北纬 41.8 度，东经 123.4 度，属于我国东北地区。全年四季分明，属北温带大陆性季风气候。选取夏季平均气温最高的七、八月份作为实验时间。实验房间建立在沈阳建筑大学人工环境与节能实验室内，房间尺寸4.3m×3m×2.8m，南墙与室外直接接触，上午10时以后能被太阳照射，有一南窗，尺寸为1.5m×1.5m。房间上部为一顶棚。房间的门安置于北墙，尺寸为1m×2m。室内地面标高士0.000m。外墙和承重墙为370 mm厚，室内非承重砖墙240 mm厚。棚顶由保温吸声板加150 mm厚玻璃棉构成。房门为普通夹层木质门。窗体为单框双玻白色塑钢窗，玻璃采用普通净白玻璃。实验中用到的相变墙板是利用直接浸泡法制得。相变材料为酯酸类混合物，墙体基材为石膏板。制得的相变墙板的相变温度范围为18-24℃[9]，即相变墙房间内温度高于相变温度范围时相变墙板就成为了一个蓄热体，吸收房间多余的热量，当室内温度低于相变温度，相变墙板释放多余的热量，蓄存冷量，可以作为用于夏季降低室温的辅助设备。
1.2实验测试设备
实验测试中所用到的设备有热电偶、板式热流计、巡检仪、户式空调、鲁班测试软件。热电偶为PT100铂－铜热电偶，精度能达到0.5℃，在恒温水浴或恒温油浴中标定热电偶。实验中是通过分别将热电偶浸泡在冰水池和开水池中来标定0℃和100℃。板式热流计由北京博通世纪建材有限公司生产，输出的是mv电量，通过厂家给定的系数11.63Ｗ／ｍ２•ｍV转化为热流。本实验选用由香港昌晖自动化系统有限公司生产的巡检仪，由巡检仪表和四个输入信号接线盒构成，每个信号接线盒构16路。其中，接线盒1的前4路连接热流计，其它60路连接温度传感器—热电偶。SWP-LCD-SSR-M智能化64路巡检仪是一种智能化多功能二次仪表，适合于对多输入回路进行巡回检测，报警控制及数据远传。鲁班工控组态软件是运行于中文Windows 9x/NT 环境下，面向仪表用户的应用组态运行平台。在鲁班组态平台上用户可以直接采用面向对象方式开发应用系统。程序的核心是系统变量，即组态软件中的实时数据库。在组态中，通过设备驱动程序、系统模块等组件产生系统变量，再由其他模块和组件对系统变量进行计算、显示、报警、分析等处理。
2 实验测试分析
2.1实验测试内容
通过构建相变墙和普通墙实验房间，在夏季夜间利用空调对墙体进行蓄冷，对比分析两类房间的室内热性能参数变化。设定相变墙房间的工作周期为24小时，即在夜间低谷电期间利用空调系统将冷量量蓄存在相变墙板中，在白天释放冷量延缓室内温度升高。测试空调工况下工作周期内相变墙房间和普通墙房间内室内温度、通过墙体表面的热流、各墙的内外表面温度差、及各墙内表面与室内空气温度差的变化。分析相变储能墙体在削减峰值负荷和减少设备容量方面所起到的作用。
2.2实验方案设计
实验测试方案为设定夜间空调运行蓄冷时间为5小时，日间无空调运行测试室内参数变化（测试期间两房间室内始终保持无人员流动状态）得到相变墙板在减小室温波动方面的作用效果。

图1 室外空气温度
2.3测试效果分析
图1为测试期间室外空气温度变化曲线，由图中可以看出测试期间室外夜间最低温度为20.9℃最高温度为36.5℃。最低温度出现时间在凌晨五时左右，最高温度出现时间在下午两点左右。在上午10时-14时期间温升较快。
从图2中可以看出相变墙房间的室内温度波动要比普通墙房间的温度波动小。测试期间内相变墙房间的室内温度出现最高值的时间要比普通墙房间达到最高室温的时间推迟近2个小时，且最高温度的也要比普通墙房间的最高温度低2℃左右。说明相变墙房间内相变墙板在夜间低谷电段内蓄存的冷量在日间释放出来使得白天室内温升较慢，维持室内较小的温度波动。
⑴室内温度变化对比

图2 相变墙房间和普通墙房间室内温度变化
⑵室温与墙体内表面温度差变化对比

图3 室温与东墙内表面温度差
由图3中可以看到有相变墙板时的东墙内表面温度与室内温度的差比普通房间的墙体内表面温度与室内温度的差要小，且出现温差最大值的时间也有所滞后。普通房间的室温与东墙内表面的温差在-1.5℃—2.3℃之间变化，其差值最大的时间段也是室内温度在一天内接近最大的时刻，此刻的室外温度已经由最高值开始逐渐降低并影响室内温度的变化，而墙体内表面的温度在缓慢的升高，这样室温与墙体内表面的温差在室温达到最大值后逐渐的减小。相变房间室温与东墙内表面的温差在-1.4℃—1.3℃之间变化，可以看到相变房间的温差曲线和普通房间的不同，其温差值的上升趋势比较平缓。普通房间与相变房间最大差值要相差1.1℃左右。
⑶通过墙体热流变化对比
图4中为相变房间和普通房间东墙热流测试期间的热流变化曲线。可以看出，在夜间蓄冷过程中由于空调的连续运行使得通过相变墙体和普通墙体表面的热流相差不多，在次日白天普通房间东墙的热流值在2.5～11.5W/m2区间内变化，最大值为11.5W/m2。而相变房间东墙热流变化区间为0.8～6.9W/m2，最大值为6.9W/m2。在相近的室外环境下，通过相变墙房间的热流值要低于普通墙房间，即通过相变墙体与室外的传热量要低于普通墙体且最大热流值出现的时间也有所滞后，说明相变墙有保温的作用。

图4 相变房间和普通房间东墙热流
3 结论
⑴相变墙房间的室内温度波动要比普通墙房间的温度波动小，且最高温度的也要比普通墙房间的最高温度低2℃左右。
⑵相变墙房间墙内表面温度与室内温度的差值比普通房间的墙体内表面温度与室内温度的差要小且出现温差最大值的时间也有所滞后。
⑶通过相变墙房间的热流值要低于普通墙房间且最大热流值出现的时间也有所滞后，最大差值为4.6 W/m2。
⑷建筑围护结构中加入相变储能构件，可以改善室内热环境，降低建筑能耗。随着对相变墙板的深入研究会对建筑节能起到深远影响。
参考文献：
[1] 张寅平,胡汉平，孔祥冬，苏跃红. 相变贮能—理论和应用. 合肥：中国科技大学出版社，1996.
[2] J.Kelly kissock, J Michael Hannig, Thomas I. Whitney et al. Early results from testing phase change wallboard, IEA Annex10，phase change materials and chemical reactions for thermal energy storage first workshop, 1998, Adana, Turkey
[3] J.Kelly kissock, J Michael Hannig, Thomas I. Testing and simulation of phase change wallboard for thermal storage in buildings, In proceedings of 1998 international solar energy conference, 14-17, June, Albuquerque, Morehouse J. M. and Hogan R. E. (Eds.) ASME, New York
[4] D Banu,D Feldman,D W Hawes. Evaluation of thermal storage as latent heat in phase change material wallboard by differential scanning calorimetry and large scale thermal testing. Thermachimica Acta,1998,317:39—45.
[5] Feldman D,Banu D,Hawes D. Low chain esters of stearic acid as phase change materials for thermal energy storage in buildings. Solar Energy Materials and Solar Cells,1995,36(3):311—322.
[6] KhudhairA, et.al. Thermal performance and mechanical testing of gypsum wallboards with latent heat storage. In: Proceedings of Annex 17, advanced thermal energy storage through phase change materials and chemical reactions-feasibility studies and demonstration projects, indoor, India,2003.
[7] 冯国会，曹广宇. 夏季昼夜温差较大地区相变蓄冷可行性分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2005，21（4）：253-256
[8] 吕石磊，冯国会.脂酸类相变材料墙板在北方寒冷地区应用的DSC分析[J].节能，2004，260（3）：36-38

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