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相变材料墙板对轻型建筑物能量翻新的有效性
Gianpiero Evola*, Luigi Marletta
Department of Industrial Engineering, University of Catania, Viale A. Doria 6, 95125 Catania, Italy
摘要
为弥补轻型建筑物的小储热容量，夏季通常会出现明显的过热现象，将相变材料（PCM）纳入不透明的外壳是增强热惯性和改善热舒适度的有效方法。特别是在翻新过程中，建议使用PCM墙板，因为它们厚度很小，可以很容易地应用到墙壁和天花板的内表面。
在本文中，对现有轻质建筑中改善夏季热舒适性的PCM墙板的有效性进行了综合研究。该研究基于在样本办公大楼上使用EnergyPlus软件进行的动态模拟。在南欧（意大利卡塔尼亚）到北欧（法国巴黎）的四个不同地点重复进行分析。
模拟结果可以帮助设计人员根据PCM墙板的位置，夜间通风的预定速率和特定PCM的峰值熔化温度值作出正确的选择。
第一章 绪论
现在，有一种倾向于设计轻薄信封的建筑物，以减轻重量，运输成本和施工时间。 不幸的是，这种现代化的轻型建筑在夏季遭受明显的过热，特别是那些以大型玻璃表面为特征的建筑物，因此受到重要的太阳能收益。
为了弥补轻型建筑物的小存储容量，在建筑阶段和翻新过程中，将相变材料（PCM）纳入不透明外壳可能是提高热惯量和提高能源性能的有效方法。 事实上，由于它们的高潜热，PCM在白天熔化时可以储存大量的热能，从而减少太阳能和内部收益产生的室内空气温度波动。 在夜间，热能被释放并且材料可以恢复其固态; 通过用新鲜的室外空气对建筑物进行通风可以增强这个阶段。
有机相变材料是最常用的材料，如石蜡，脂肪酸和聚乙二醇（PEG）等; 它们表现出良好的化学稳定性，高潜热和非常有限的过冷。 不幸的是，它们的导热系数很低，这可能会减少热波向材料核心的渗透以及潜热的充分利用。 此外，常见链烷烃相变材料中最大的部分是易燃的，它们可能不符合美国材料试验协会（ASTM）规定的严格的低可燃性标准。 通过添加阻燃剂来限制可燃性的可能解决方案在下文中进行了讨论[1]。
在建筑物中使用PCM的最简单和最普遍的方式是浸渍到石膏，混凝土或其他多孔材料中。 然而，近来已经开发出微囊化技术：这些技术包括将PCM封装在形成一种粉末的微观聚合物胶囊中; 然后粉末被包含在由PVC或铝制成的容器中[2]。最终产品通常作为面板或墙板分布，易于处理和安装，PCM无法泄漏; 此外，由于可用于热交换的大表面，微胶囊尺寸的减小提高了对PCM的充分利用。 [3]和[4]中详细介绍了最常见的PCM及其在建筑物中应用的技术解决方案。
现在，为了提供关于使用微封装的PCM墙板来翻新轻型建筑物的全面观点，并减少由于太阳能收益而导致的过热，以下将基于样本建筑物的动态热模拟来考虑案例研究。 这项研究扩展到了欧洲的不同气候，并强调了夜间通风的重要作用，以最大限度地提高该解决方案的有效性。 此外，为了使研究更一般化，考虑了两种不同的真实PCM墙板；文中不会提及这两种墙板的商品名称。
第一种墙板（下文称为PCM-A）包括一个铝蜂窝基质，填充了含有60％重量石蜡的化合物，封装在聚合物微球中，直径约为5微米。 如[5]中所述，墙板由两块薄铝板密封，其总厚度为20毫米。 墙板的重量约为11 kg/m2。
第二种墙板（PCM-B）由微胶囊石蜡制成，与前面的不同，如后面所述。 这种墙板的最终形式是一块厚度为5.26毫米的柔性面板，两面覆盖一块非常薄的铝板[6]; 最终的重量是4.5 kg/m2。
第二章 研究方法
2.1 相变材料的特征
用于建筑应用的真正的PCM的熔化过程并不完全在给定的温度下发生，对于纯粹的PCM而言，它则是在一定的温度范围内完成。 为了量化相变过程中PCM吸收的热量，使用等效比热容Ceq。 该参数表示在恒定压力下单位质量PCM中产生单位温度变化所需的热能：
通常，Ceq的评估是通过实验室测试，对PCM样品施加周期性温度波动，然后测量其焓变化来进行的。 等效热容量通常符合高斯曲线，最大值出现在峰值熔化温度TP处。 例如，图1显示了上述两个PCM的等效热容量曲线; 相应的数学公式分别在[7]和[8]中报道。
可以看出，PCM-A的熔化过程在TM = 22℃开始，在TS = 28.5℃完成; 而且，在峰值温度TP = 27.6°C之后，熔化很快实现。 另一方面，图1表明PCM-B的行为有很大不同。 实际上，熔化过程分布在比PCM-A更宽的温度范围（即从TM= 17℃到TS= 27℃），并且等效热容量的最高值比PCM-A的最高值低。 此外，PCM-B具有较低的峰值温度（TP= 22.6°C），这表明该PCM的开发应受益于较低的室内温度。 总体而言，两个PCM墙板的潜热，即完成从TM到TS的整个熔化过程所需的热能，当涉及单位表面时非常相似，因为它达到131.7 Wh·m-2，并且PCM-A和PCM-B分别为134.0Wh∙m-2。
实际上，根据实验室试验，描述凝固阶段等效热容量的曲线并不完全对应于熔化阶段确定的曲线，如图1所示; 事实上，他们略微向低温转移。 这种称为超级冷却的行为是石蜡材料的典型特征; 然而，如果在模拟中忽略它，结果的可靠性不会受到显着影响[9]。
表征PCM的另一个重要参数是热导率。 测得的PCM-A有效热导率为2.7 W·m-1·K-1：与PCM-B相比，该值非常高，其热导率在0.18和0.22 W·m-1之间变化。 这种差异可归因于PCM-A中使用的铝蜂窝基体，这使得热量很容易通过面板传递。
2.2 热舒适性评估
在科学文献中提供的大多数研究工作中，以及关于使用PCM墙板改善建筑物夏季热舒适度的研究工作中，与没有PCM的情况相比，PCMs的有效性通过在短时间内实现的室内温度下降来衡量。
然而，应该指出的是，室内操作温度而不是室内空气温度是直接影响舒适感的参数，正如国际标准ISO 7730[10]和EN中报道的完善的舒适理论所提出的15251[11]。 根据这种方法，在本文中，对结果的讨论基于从模拟获得的操作温度Top的值。
此外，为了更全面地了解PCM对热舒适的影响，不仅仅限于几天，而且还考虑了整个夏季的行为，称为热不适的强度（ITD）指标可以 被采纳。 该指标被定义为当前工作温度与舒适度上限之间的正差值（参见公式2）在占用时间段P上的时间积分。
ITD代表了一种有效的方法来量化因过热引起的不舒服的热感觉：事实上，它同时测量住户感受到的热不适的强度和持续时间[12]。 在公式（2）中，阈值温度Tlim的值取决于具体热舒适性理论的选择。在这项研究中，如标准EN 15251中所述的使用了适应性方法; 因此，阈值在时间上不是恒定的，而是每天根据运行的平均室外空气温度来确定。
2.3 PCM效率的评估
为了准确评估PCM的性能，有必要了解其潜热是否被有效利用以及在何种程度上被有效利用。 为此，计算激活频率（FA）即PCM在实际发生相变的给定时间内的时间百分比[7]可能是有用的。 这发生在PCM-A的TM = 22°C和TS = 28.5°C之间，以及PCM-B的17°C〜27°C范围内（见图1）。
FA可以提供重要信息：当其值很低时，意味着PCM长时间保持其液相或固相，因此其潜热容量不被利用。PCM的理想应用意味着FA=100％，但这并不容易实现，因为PCM的激活受很多情况的影响很大。
然而，由于PCM的热容量与其温度密切相关，所以并非熔体范围内的所有条件在惯性势方面都具有相同的重要性。 例如，PCM-A在峰值温度Tp=27.6°C时的等效比热容几乎是25°C时的5倍，反之亦然（图1）。 因此，在25°C下，PCM-A尽管被激活，其储存容量比在Tp = 27.6°C时低5倍。激活频率本身显然无法解释这种差异。
因此，引入称为PCM存储效率的新指示器似乎是合适的，该指示器测量由PCM实际存储的热能Est与其最大存储容量（即，式（3）中定义的其潜热L）的比率。由于PCM受到每日温度循环的影响，因此必须在P=24小时的时间内评估实际的能量储存[7]。
第三章 案例分析
图2显示了本次调查中考虑的样本建筑：这是典型办公大楼的一个模块，具有由活动百叶窗保护的大玻璃表面，混凝土框架，绝缘良好的信封和非常轻的隔墙。这种建筑类型在夏季通常会严重过热， 因此，改造的一个好策略可能是将PCM墙板应用于隔墙或天花板的内表面，从而增强建筑物的热惯性。
该建筑的正面是正西南方; 每间客房的面积为5米乘3.5米，高度为2.5米。地板和天花板由厚度为200mm（U=2.8 Wbull;m-2∙K-1）的非隔热混凝土板制成; 内部隔板由两块石膏板组成，中间有40毫米玻璃棉层。外墙采用100毫米厚重混凝土层，最外层玻璃棉（70毫米）;其U=0.68 W·m-2·K-1。
此外，每个窗户的尺寸为1.5times;1.7平方米，并配有一个铝框架（宽度为10厘米）和一个带空气填充的4-16-4双层玻璃窗（U=2.7 W·m-2·K-1）。外部百叶帘也可用;这些在模拟期间保持打开，除非窗玻璃上的入射太阳辐射高250 W·m-2。 每层楼房后面的空间都有一个大走廊和一系列面向东北的镜面房。 最后，从08:00到18:00（占用率为0.12人/平方米）的房间被认为是占用的，并且由于人员，人造照明和电器而呈现总体高达360W的合理内部负载。
就通风而言，出于卫生目的考虑恒定的换气率n=0.5h-1。为了检查夜间通风对PCM墙板性能的影响，在21:00至06:00之间引入额外的夜间通风率，换气率n=4h-1或n=8h-1。
本研究所需的动态仿真是在整个夏季（6月- 9月）在EnergyPlus 7.0版本的自由运行条件下进行的。首先，使用米兰（维度45°27#39;N，意大利）的天气数据作为大陆性气候的例子; 在第二阶段，考虑欧洲的其他地点。进行三个系列的模拟：
1.没有PCM墙板
2.将PCM墙板置于试验室内三个隔墙的内表面（图2）
3.将PCM墙板放置在测试室内的天花板内表面上。
第四章 结果与讨论
4.1 PCM墙板对热舒适性的影响
图7显示了试验房内室内操作温度的分布情况，这种由分布在7月的两个晴天模拟有或无PCM墙板的情况下提供。在有PCM情况下，含有PCM-A或PCM-B涂在所有隔墙的内表面上; 所有曲线都在米兰发生，时间为21:00到06:00，夜间通风率为n=4h-1。
如图所示，PCM墙板的安装使两种材料的最高操作温度降低约0.5℃。 另一方面，在一天的中心时间（从12:00到16:00），当使用PCM-A时，这种降低保持在约1.0°C，这在降低室内操作温度波动方面似乎比PCM-B更有效。
然而，正如第2.2节所解释的那样，ITD指标可以提供更多关于安装PCM墙板所确定的改善热舒适度的信息。因此，此指标在以后被用来强调夜间通风的作用以及墙板位置的影响。
这一分析的主要结果报告在图4中，地点仍在米兰。图4传达的第一条信息是，如果将PCM墙板应用在隔墙上而不是在天花板上，那么效率会更高。例如，对于n=4h-1，与没有PCM的情况相比，PCM-A在分区表面上的应用将在季节性ITD中减少51.0％，而改进仅仅相当于如果墙板应用在天花板上，则为9.5％。这两种情况之间存在明显的差距。
这些结果可以通过分区（27平方米）上可用的较大表面积比天花板（17.5平方米）上的较大表面积得到部分证明。然而，不是天花板造成的隔断在白天直接受太阳辐射的影响也是如此;这决定了PCM更快、更强烈的熔化，因此更有效地利用其潜热。还有一个模拟专门用于所有表面都被PCM覆盖的情况（分区加上天花板）：结果与PCM放置在分区上时的情况非常接近。
模拟出现的另一个重要信息是良好的夜间通风策略的重要性，因为这可以提高白天吸收的热量。事实上，图4显示ITD对n非常敏感; 但似乎会出现饱和效应的可能性，因此不推荐超过n=8h-1，因为室内夏季热舒适的益处趋于消失。
另据了解，这种强烈的通风只能在三级建筑物中实施，而这些建筑物应该在夜间不得使用; 此外，如果采用机械手段采购通风设备，应该对用电量进行准确计算，以避免对迄今为止讨论的效益进行严厉处罚。
最后，图4中报告的结果证实，包含PCM-B的墙板在降低测试室中感觉到的热不适的强度和持续时间方面不如PCM-A有效。 例如，当n=4h-1并且PCM墙板应用在隔墙上时，米兰的ITD减少量与没有PCM的情况相比时PCM-A为51.0％，PCM-B的只有29.4％。
其主要原因是PCM-B的相变发生在比PCM-A更低的温度范围内（见图1）。 因此，在夏季通常在自由运行的轻型建筑物中测量的高温情况下，PCM-B的存储容量不能像PCM-A那样有效地被利用。 关于这一点的进一步调查将在下一节中介绍。 全文共9195字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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