热致变色材料与相变材料耦合的适应性建筑屋面:不同气候条件下的能源性能外文翻译资料

 2022-08-07 15:27:23

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热致变色材料与相变材料耦合的适应性建筑屋面:不同气候条件下的能源性能

胡建英，于熊（bill）

东南大学交通学院，中国南京东南大学路2号，邮编：211189

凯斯西储大学，美国俄亥俄州44106，克利夫兰，阿戴伯特路2104，土木工程学院

主要优势

● 结合TC涂层和/或PCM层的适应性建筑屋面被提出作为一种节能策略。

● TC/PCM屋顶为建筑节省了高达17%的总能源使用，特别是在温和气候下。

● 建议将PCM层放置在车顶绝缘内。

● PCM层厚度增加5倍，建筑总节能量可达25%。

● TC涂层厚度增加5倍，建筑总节能量达27%。

文章信息

文章历史记录:

收到2019年9月7日

以修订表格收到2020年7月27日

接受2020年8月4日

可在线查阅2020年9月23

摘要

通过建筑围护结构进出的能量传递在决定一座建筑的能耗方面起着突出的作用。本研究提出了一种新的模式，以提高建筑的能源效率，通过设计适应性的建筑屋顶，包括动态响应的气候条件波动。自适应建筑屋面是将热变色(TC)涂层和/或相变材料(PCM)涂层集成在一起设计的屋面，即TC屋面，PCM屋面和TC/PCM屋面，能够智能地控制建筑内的太阳能吸收/反射和热能传递。通过EnergyPlus模拟，研究了五种不同气候条件下适应性屋顶在建筑节能中的应用潜力。模拟结果表明，与传统沥青屋面相比，TC屋面，PCM屋面，TC/PCM屋面的总节能量分别达到13%，15%和17%。TC/PCM屋面对建筑能耗具有季节性控制作用。敏感性分析表明，采用TC/PCM屋面时，将PCM层置于屋面保温层外具有更大的节能潜力，而增加PCM层厚度和TC涂层厚度对建筑节能的改善作用有限。此外，自适应屋面被发现对位于温和气候地区的建筑物性能最好。本研究提出的方法学将指导不同气候区节能建筑的适应性屋顶设计。

关键词:

TC涂层 PCM层气候区 适应性建筑屋面 节能敏感性分析

1.导言

建筑物约占全球能源消耗的40%，其中近一半的能源用于空间供暖和制冷[1]。在我国，建筑能耗正在迅速增长，预计到2020年，建筑能耗将从目前的27.6%上升到35%[23]。建筑围护结构，包括墙体和屋面，在调控中起着重要的作用。

因为它是外部环境条件和居住者内部需求之间的界面[4]。由于这种决定性的作用，人们提出了改善建筑围护结构热性能，从而提高建筑节能和热舒适性的策略。例如，使用强隔热的围护结构，目的是在寒冷季节控制热量损失，在炎热季节防止太阳辐射获得热量[57]。另外，高反照率材料具有高太阳反射率和高热发射率的特点，能够降低吸收的太阳热得率，增加释放到环境中的热量。采用高反照率材料的冷却屋顶已被证明可以减少冷却能量。

图1.(a)TC颜料分子结构随温度的变化；(b)TC涂层照片；(b)TC涂层沥青屋面在不同温度下的反射光谱。

不同地点建筑物的消耗量高达48%[810]。然而，现有的解决能源相关挑战的方案往往具有静态的建筑围护结构，其设计不是为了适应不同的环境和气候。

适应性围护结构受植物适应性的启发，是一种在调节室内环境的同时，对变化的内外环境条件作出反应的围护结构[11]。建筑包络的构造，不是传统的惰性表面，而是使用了广泛的智能材料。智能材料是具有动态特性的物质，能对环境的变化做出反应-朗门。根据Addington[12]，智能材料被分为两类:响应于环境条件的改变而改变其特性（化学，机械，光学，电学，磁学或热学）之一的特性改变材料和将能量从一种形式转移到另一种所需状态的能量交换材料（即光电，热电和光电）。其中，具有动态光学特性的热致变色材料（TC）和具有潜热容量的相变材料（PCM）在建筑节能方面具有巨大的潜力。

表1 用于建筑物模拟的建筑物屋顶光学数据。

图3.具有TC/PCM屋顶的建筑物说明太阳反射/吸收和热传递的原理示意图:(a)在炎热或夏季，(b)在寒冷或冬季。

热致变色(TC)材料能够响应于温度变化而可逆地改变光学性质。它可以通过动态地管理太阳能来调节建筑物的太阳热获得，即，在热季节限制不希望的太阳热获得并且在冷季节允许更多的太阳热获得[13]。[14]通过将有机热致变色颜料嵌入聚合物基体中制备了热致变色(TC)涂层，该涂层具有与温度相关的太阳反射率。结果表明，TC涂料在夏季比常规着色涂料冷6—10℃。TC涂料已广泛应用于传统的玻璃中，形成热致变色（TC）玻璃[1517]。TC玻璃表现出与温度相关的光学透过率，在TC涂层的临界温度以下和以上不同地调制可见光和太阳光谱。研究表明TC玻璃表现出了建筑的已熄灭的节能潜力[1622]。还研究了气候区对TC玻璃能量性能的影响[23]。屋顶是除窗户外的主要建筑构件之一，其能耗占建筑总能耗的22%[24]。TC屋面是将TC涂料与建筑屋面集成而成的[25]。已证明它有利于缓解城市热岛[26]。作者[27]对TC屋顶建筑的能源效率进行了探讨。研究结果表明，对于美国气候温暖地区的建筑，使用TC屋顶可以潜在地导致高达18%的总节能量和高达32%的CO2排放量的减少。因此，具有动态光学特性的TC屋面已被证明具有节能潜力。然而，对于兼具可变光学特性和蓄热能力的自适应屋面的研究却极为有限。

10 mm TC涂层

15 mm沥青瓦

25 mm屋面保温

5 mm PCM层

50毫米混凝土

相变材料具有储存太阳辐射热量的能力，是提高建筑节能的一种很有前途的技术。白天，建筑围护结构中的相变材料吸收进入建筑的热量，降低建筑的冷负荷。在夜间，当空气变冷时，PCM冻结并将它们在白天储存的热量分配到内部和外部环境，并减少加热负荷[2831]。几十年来，PCM集成到建筑物围护结构中，例如在屋顶[32]上，在地板[33]上和在墙壁[34]中，对于建筑物中的空间加热和冷却都有很大的兴趣。研究表明PCM墙壁使建筑物的内部温度降低了12摄氏度[35]。这导致冷却能量需求降低24%，加热能量需求降低1030%[36]。许多研究表明，PCM壁的效率取决于许多因素[37]:（1）在壁中的位置[3840；（2）体积和热物性[39]；（3）相变温度范围[37,38,41；（4）潜热容量；（5）气候条件；（6）内部太阳增益；（7）表面的反射率和取向；（8）通气量；（9）暖通空调控制；（10）建筑结构。例如，发现PCM在墙体中的位置会影响PCM在冷却期间的状态（未熔化状态，部分熔化状态和完全熔化状态），从而影响建筑墙体热性能的改善[42]。在建筑物内表面使用PCM导致了房间的最大能量消耗和最大热负荷之间的时间滞后[43]。如果相变材料的熔化热，熔化温度和厚度较高，建议将相变材料放置在壁的外表面附近；当内表面温度升高时，建议将相变材料放置在壁的内表面附近[44]。Song等人的综述。[45]指出，用于建筑物围护结构的相变材料的相变温度介于10摄氏度和39摄氏度。此外，两种熔化的结合通过PCMs，在一个区域中的点可以获得更高的热舒适性和能源效率[46]。在热带气候条件下（如新加坡），靠近墙体外表面的薄层PCM表现出最佳的热性能，并且更具有成本效益[47]。研究还发现，在南墙和西墙安装相变材料更具有成本效益，相变材料与高绝缘相变材料的集成壁导致了较低的冷却能量节省[48]。PCM系统被发现在太阳照射后可储存热量达8小时，PCM的厚度取决于建筑物的热负荷[49]。除了墙体之外，PCM还集成到建筑窗户中，以提高建筑在半干旱气候下的能源效率[50]。因此，PCM墙体的性能与不同的变量存在相关性。

本研究旨在探讨在中国五种气候条件下，采用TC屋面和/或PCM屋面的办公建筑的节能潜力。采用EnergyPlus模拟计算了年和月的供热和制冷负荷。并对适应性建筑屋面与传统屋面的性能进行了比较分析。此外，还进行了适应性屋顶节能量随PCM层的位置，厚度和TC涂层厚度变化的敏感性研究。本研究为我国不同气候区适用于TC屋面和PCM屋面的屋面优化设计提供了依据。

表3代表中国不同气候区的五个城市。

2.方法学

2.1 TC/PCM屋面设计

热致变色屋面是在沥青混凝土表面涂覆热致变色涂料而设计的。本研究中使用的TC颜料在转变温度约31℃以下呈现深色，在转变温度以上呈现浅色。图。1(a)说明了TC颜料的分子结构及其随温度的变化。TC颜料的物理性质在以前的研究中已有描述[51，52]。TC涂层是fab-在聚氯乙烯(PVC)中加入5%TC颜料粉制得，如图所示。1(b).用CARY6000I紫外可见红外光谱仪和DRA-积分球仪，研究了TC涂层沥青屋面在300-1800nm波长范围内随温度变化的反射光谱，如图1所示，得到了TC涂层沥青屋面在300-1800nm波长范围内随温度变化的反射光谱，并分析了TC涂层沥青屋面在300-1800nm波长范围内随温度变化的反射光谱。1(c).根据光谱反射率数据，采用加权平均法（ASTM E903-96)[53]计算了TC屋面的太阳反射率。结果表明，随着温度的升高，TC屋顶的太阳反射率从18%～26%增加，可见光范围内的反射率在6%～25%之间。根据不同温度下的反射率值，计算了TC的吸收比（1-太阳反射率）涂层作为温度的函数是使用线性拟合得到的-ting方法，总结见表1

城市

气候条件

空气温度范围（℃）

入射太阳辐射(kWh/m2)

北京

寒冷

-14-37

2401-4690

黑龙江

严寒

-28.7-32.8

1644-5766

南京

酷暑及寒冬

-5.6-37.2

1842-3034

广州

酷暑及暖冬

6.0-37.0

483-3189

昆明

温和

-2.1-30.2

1730-4697

在本研究中，由杜邦生产的PCM板，这种材料由60%的石蜡微胶囊组成，具有非线性晗温函数，以27.1为中心的熔融温度范围，70KJ/KG的潜热，855kg/m的密度、2500j/(kg*k)的比热和可变的热。

图6.不同类型屋面的建筑物在五种气候条件下的性能:（a）冷负荷，（b）热负荷，（c）总能耗

不同气候环境，促进热舒适和能源效率

2.2建筑能源模拟

利用EnergyPlus 8.9.0对一个典型的TC/PCM屋顶的办公楼（图4）进行了能量模拟。办公室高3米，总楼面面积25平方米。屋面由10 mm TC涂层作为外层，15 mm沥青瓦，25 mm屋面保温层，5 mm PCM层和50 mm混凝土组成。墙由200毫米混凝土，50毫米墙体保温材料和10毫米石膏组成，从外到内。表2总结了所用材料的热物理和光学特性。房间的所有墙壁和屋顶假定暴露在室外环境中。模型中，两扇窗墙比为0.33%的1米1米玻璃窗位于房间的南北墙壁上。

关于内部热量增益，办公室房间由以下人员占用8人（0.32人/m2)，一次风通风率为0.0203 m3/s。照明占64 W/m2，电气设备占48 W/m2。暖通空调系统由天然气直接供冷和供热两部分组成。加热设定点分别设定在20℃和冷却设定

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