北新-清华联合试验房热性能分析

张 宇

（中国建筑科学研究院有限公司建筑设计院，北京 100013）

1973 年，全球发生第一次能源危机后，石油价格飞涨，节能问题渐渐引起了人们的广泛重视，建筑用能要消耗大概全球1/3 的能源，在建筑用能的同时，还向大气排放大量污染物，如TSP（总悬浮颗粒物）、SO2（二氧化硫）、NOX（氮氧化物）等。于是，经济发达国家开始重视建筑节能。20 世纪初以来，随着生产力发展、人口的增长和人们生活水平的提高，人类能源消耗增长速度大大超过了人口增长，能源问题成为人类社会和全球可持续发展的主要问题。

建筑的运行能耗大约为全社会商品能的1/3。我国正处于经济发展的高速阶段，已经持续了十几年9%左右的GDP 的高速增长，能源消耗的年增长率也高居于10%左右。建筑行业作为GDP 增长的支柱行业之一，每年大约20 亿m2的建筑总量，接近全球年建筑总量的一半。建筑能耗随着建筑总量的增加而增加。中国建筑能否实现可持续发展，不仅与人民群众生活质量的提高密切相关，而且也关系到国家能源战略和资源节约战略的实施，还关系到全球的气候变化与可持续发展。

有效利用自然能源，用最小的资源和能源代价换取最大的经济和社会效益，是实现建筑可持续发展的有效途径。自然能源在建筑中的应用主要形式之一是太阳能，其储量丰富，取之不尽、用之不竭，但其具有能源密度低，供应不连续等缺点。在我国一些地区，夏季昼夜温差较大，利用夜间通风结合建筑围护结构蓄冷可调节建筑室温、提高室内舒适度、降低空调能耗。夜间通风可充分利用自然冷源（夜间室外冷空气），节约大量能源，在过渡季节其节能效果更为显著。建筑利用太阳能等自然能源会在供需时间和供需量方面存在不匹配的问题，解决途径之一是通过建筑构件蓄能方式解决自然能源的供应和建筑需求在时间与总量上的矛盾。

近几年来，国内外学者对如何利用建筑围护结构热质体调控房间热性能进行了广泛而深入的研究。调控房间热性能的研究中可分为常物性建材调控和非线性建材调控。

围护结构热质体在一个时间周期（一年）内所经历的温度区间，称之为热质体的作用温区。常物性围护结构热质体是指其热物性（如体积比热容、导热系数）在其建筑热过程的作用温区内变化不大，而可视为定值的围护结构热质体。Asan 等用一维非稳态传热模拟方法，模拟了常物性围护结构隔热材料厚度和位置及其热物性对室外温度波动的衰减和延迟的作用。并计算了多种建筑材料的衰减系数和延时时间。为进一步研究常物性热质体对房间热性能的影响打下基础。

传统的常物性建筑热质体如混凝土、黏土砖等体积比热容较小，对建筑的热性能的改善及自然能源的有效利用作用不大。相变过程是伴随有较大能量吸收或释放的等温或近似等温的过程。利用相变潜热蓄能的材料称为相变材料（PCM）。其相变过程呈现体积比热容的非线性，在特定的温度区间内可大大提高蓄能密度。相变材料具有相变温度可调、单位体积蓄能密度较大的特点。如果将此种材料与建筑围护结构相结合，可利用建筑围护结构蓄存低品位能源进行空调和采暖。将建筑围护结构热质体热物性（如体积比热容、导热系数）在整个建筑热过程的作用温区内出现较大变化的围护结构热质体称为非线性围护结构热质体。

相变材料作为非线性热物性材料的代表，半个世纪以前，人们就开始对相变材料在建筑中的应用进行尝试，从20 世纪80 年代，其受到越来越多的关注。对相变材料作为建筑围护结构热质体的研究集中在以下3 方面：①型非线性建筑材料的研制和热性能研究；②无内热源的非线性建筑围护结构应用效果研究；③有内热源的非线性建筑围护结构应用效果研究。

应用于建筑中的相变材料，应该满足以下要求：相变潜热大、相变温度合适、过冷度较小、导热系数较大、体膨胀系数较小、密度较大、性能稳定、和建材相容性好、无毒，以及较低的可燃性；材料易得并且廉价。近几年来将相变材料与围护结构复合并用于建筑中的方法有很多，其主要包括直接混合、浸泡吸附法和封装。

1 建筑信息

北新-清华联合试验房位于昌平区，分为对照房间和相变房间，以此来分析相变房的性能。房屋实际信息如图1 所示。

图1 试验房实物图

两房间室内的尺寸均为长2.4 m，宽1.8 m，高2.2 m。一面外窗和门朝南，另一面外窗朝北，房檐有遮阳作用。相变房围护结构材料热物性见表1—表4，对比房相对于相变房而言没有相变石膏板。相变石膏板相变温度为25 ℃。两房间内均没有内热扰。

表1 外墙材料表

表2 屋面材料表

表3 地面材料表

表4 门窗材料表

2 实验结果分析

图2是2011年8月13日—2011年8月25日实测的两房间温度分布。从图2中可以看出，使用相变材料后，房间的最高温度有所下降，温度波动也明显降低。但是从相变房的室内温度来看，相变温度并不是25 ℃，而是要比25 ℃高，原因可能是相变材料的潜热不够。下面，就用数值模拟的方法进一步分析这一现象。

图2 联合试验房实测温度比较

3 数学模型建立

对上述2 个房间建立数学模型进行求解。以下是所建立房间的物理模型（图3）。

图3 房间物理模型

计算用房间信息采用上述实际房间的信息，通风换气取为0.5 次/h，室内热扰为0。数值计算时采用全隐式差分格式对房间传热方程及边界条件进行离散求解。

图4 是对照房间室内空气温度实测值与模拟值的比较，两者吻合的较好，最大相对偏差为8.6%。图5 是相变房间室内空气温度实测值与模拟值的比较，两者吻合得也较好，最大相对偏差为11.2%。由此验证了数学模型和程序的正确性。

图4 对照房间实测值与模拟值对比

4 结果及分析

用验证了的程序对该联合试验房在全年的热性能进行模拟分析。房间信息不变，由于一般住宅建筑房间发热量为3.8 W/m2，所以在本计算中，2 个房间的发热量也取为3.8 W/m2。气象参数采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[1]里提供的气象数据。图6 是两房间全年的室温分布情况，由图中可以看出，用相变材料以后，全年的最高温度有所下降，最低温度有所提高，室温波动减小。具体来说，最高温度降低了1.1 ℃，最低温度提高了1.9 ℃。

图6 两房间全年室温分布

将夏季空调和冬季采暖考虑进去，并将夏季空调设计温度定为28 ℃，冬季采暖设计温度定为16 ℃[2-3]，以此来计算两房间全年的空调及采暖负荷。计算结果表明，加入相变材料后，全年的空调采暖能耗降低了29.9%。具体来说，冬季能耗降低了99.4%，夏季能耗提高了207.1%。即加入相变材料后，在夏季建筑反而更耗能。出现这种情况的原因是相变板的潜热不够，在夏季，过多的得热会使得相变板温度高于相变温度，当室外温度降低时，相变板温度下降速率较普通板材低，这样会使得室内温度一直维持在较高的水平，增加了空调负荷。基于此，考虑通过提高相变板的相变潜热来降低相变房夏季空调负荷。模拟结果表明，当把相变板相变潜热提高到原来的2 倍后，相变房冬夏能耗较普通房都降低，其中冬季能耗降低了99.8%，夏季能耗降低了18.1%，全年能耗降低了45.1%。可见，合适的相变温度和相变潜热是实现相变房节能的关键。

5 结论

1）本文对相变房的夏季实际运行效果进行了分析，发现相变房较普通房而言室内温度波动明显降低，并且夏季室内最高温度也有所下降。

2）能耗模拟表明，相变房全年能耗比普通房低，但是夏季能耗却会高于普通房，原因是相变板潜热不够。

3）当把相变板潜热提高到原来的2 倍后，相变房冬夏能耗都比普通房低。因此，合适的相变温度和相变潜热是相变房实现节能的关键。