基于相变墙与被动式太阳墙的复合采暖热性能试验研究
陈其针，冯国会，刘馨，李国柱，黄凯良，陆梦喆
(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳，110168)
摘要：在结合相变墙体的被动式太阳能建筑构想的基础上，在沈阳地区开展基于相变材料的被动太阳能墙热性能实验研究的现场原型实验研究。通过原型实验，对改造前、后房间内的室内热环境和舒适性进行比较和评价；分析该建筑类型中不同围护结构的传热规律，得到室内空气温度变化情况；对影响室内环境的各个因素的影响权重进行分析，寻求进一步改善建筑热性能的思路，并为理论数学模型的建立提供实验数据。研究结果表明：采用复合采暖房间的室内热舒适水平较对比房间有明显改善，房间在夜晚温度下降缓慢且昼夜温差降低，改善了房间的冬季室内环境，影响室内空气温度的因素权重从大到小依次是相变墙风口热流密度、相变墙室内侧装饰层温度和太阳辐射强度。此采暖系统运行安全、可靠，能显著提高热舒适水平，降低室内温度波动。
关键词：被动式太阳墙；相变墙；热性能
中图分类号：TK512.4 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0217-08
Experimental study on thermal performance of composite heating based on phase change wall and passive solar wall
CHEN qi-zhen, FENG guo-hui, LIU xin, LI Guo-zhu, HUANG kai-liang, LU Meng-zhe
(School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)
Abstract: Based on the idea of passive solar energy building with phase wall, the prototype test study was conducted on heat performance of composite heating based on phase change wall and passive solar energy wall in Shenyang. A comparation and evaluation of indoor heat environment and thermal comfort between pre-transformation and meta-transformation were carried out, the law of heat transfer in different building envelopes in this kind of building was analyzed to know the change of indoor temperature; the weight of each effective factor in indoor environment was analyzed, by searching for the train of thought to improve the building thermal performance; experiment data for mathematical model through the prototype test were provided. The result of the study shows that indoor thermal performance of composite heating room is improved obviously compared with the corresponding room, room temperature drops slowly and range of temperature between day and night decreases, which shows that the indoor environment in winter is improved. The factors affecting indoor air temperature weights from large to small are as follows: the heat flux of phase change wall outlet, adornment layer temperature of indoor side of phase change wall and hot surface temperature of solar energy collection wall. The heating system is safe and reliable, which can significantly improve the thermal comfort and decrease the fluctuation of indoor temperature.
Key words: passive solar wall; phase change wall; thermal performance
有关被动式太阳能建筑的研究已得到较长时间的发展，在实验研究中对涉及被动式太阳能集热墙空气夹层方面开展的研究工作较多。Ong等[1]对0.1 m， 0.2 m，0.3 m空气夹层厚度的集热蓄热墙体的换热效果进行了研究，并发现随着集热蓄热墙高度的增加，夹层内空气的流动速度将加快和温度将升高，但集热墙单位面积的集热量将减小。Akbarzadeh等[2]通过实验研究获得了集热墙夹层内空气努塞尔数Nu的计算方法，分析了不同夹层厚度对换热效果的影响，提出了最佳空气夹层厚度为0.25 m。
在相变蓄能材料研究和相变蓄能技术在暖通空调等领域中的应用等方面，林坤平等[3]对夏季“空调型”相变墙体设计方法进行了研究，提出了评价室内夏季过热不舒适程度的方法。李峥嵘[3]研究了相变墙体在空调降温中的应用效果。钟志鹏[5]对结合夜间通风用相变墙的热性能进行了模拟分析，提出的相变墙板的热设计建议具有参考价值。康艳兵[6]提出利用夜间通风相变蓄能，分析了夜间通风蓄冷的主要技术要点，并建立了该系统的数学模型，为相变蓄冷的推广应用提出了新思路。
本文作者通过对前人研究的归纳和总结，针对被动式太阳能建筑冬季夜间或阴天室内过冷的问题，提出了将被动式太阳能建筑与相变墙体相结合应用的思路，搭建了应用此采暖系统的实验房间，获得该建筑在冬季各建筑构件参数的动态响应信息。通过对房间冬季的室内舒适度，建筑围护结构的热性能及诸多影响室内空气温度因素的影响权重的分析，寻求进一步改善室内环境的有效途径。
1 实验设计
1.1 实验房间的搭建
为了验证复合采暖的应用效果，设计并搭建了结合相变墙体的被动式太阳能实验房间。该实验房位于沈阳建筑大学新校区内。受实验条件所限，采取了在前一个气候周期对改造前房间进行相关环境参数的测试，然后对房间进行改造，并进行相同测试，最后选取室外环境参数基本相同时间段的实验数据进行对比分析。实验房改造后外观如图1和2所示。
实验房间坐北朝南，位于该楼的一层，房间面积为10.56 m2，建筑尺寸为3 250 mm×3 250 mm×2 900 mm，房间有一扇南窗，尺寸为1 750 mm×1 450 mm，一扇东门，尺寸为210 mm×120 mm。房间南墙和西墙为外墙，北墙、东墙和屋顶为内墙。实验房间示意图如图3所示。建筑主要围护结构分为外墙、内墙和地面三部分。外墙为水泥砂浆、空心砌块和保温板，内墙为水泥砂浆和保温板，地面为混凝土、水泥砂浆和保温板。围护结构材料的主要参数见表1。
太阳能集热墙[7-13]位于建筑南墙的外部，如图4所示，尺寸为3 250mm×2 900 mm，墙体下部有连接室内的进风口，并安装导流装置，保证空气沿垂直方向流动。太阳墙的双层阳光板内壁与太阳墙集热面间距40 mm，太阳墙集热面与南墙间加装50 mm的聚苯乙烯保温隔热材料，防止集热面通过南墙墙体向室内传热。太阳墙顶部有出风口连接相变墙和室内，通过电磁阀切换运行模式。
图1 实验房间外观(1楼左侧房间)
Fig.1 Photo of experimental room
图2 相变墙安装墙板
Fig.2 Installing of phase change wall
图3 实验房间的示意图
Fig.3 Schematic diagram of experimental room
图4 太阳能集热墙的示意图
Fig.4 Schematic diagram of solar collector wall
表1 建筑围护结构材料的热物理特性
Table 1 Thermal-physical properties of building envelope
相变墙体安装在房间西墙室内侧，如图5所示，墙体内安装有双排PE排管，管内封装有66%的癸酸和34%的月桂酸的混合材料[14]。PE管直径为20 mm，水平两管间距30 mm，垂直方向间距100 mm。墙体顶部与太阳墙出风口及室内相连，通过电磁阀切换运行模式，相变墙底部有风口用于室内送风，还有排风口用于夏季蓄冷时排出与相变材料换热后的空气。
图6所示为太阳能集热墙、相变墙及室内风口的连接示意图。通过3个电磁阀的不同开闭，实现各种不同的运行工况。由于空气流经相变材料排管时阻力损失较大，因此系统安装风机用于强化通风。
1.2 实验计划
实验旨在通过对比测试，研究相变墙与太阳墙联合运行时的建筑热性能和室内热湿环境改善程度。实验选取室外环境参数基本相同的时间段，对传统、太阳墙单独运行，太阳墙、相变墙联合运行3种工况下的实验效果进行分析比较，了解改进方案对建筑热性能和室内的热湿环境的改善程度。具体实验系统详细启闭控制模式见表2。
图5 相变墙体示意图
Fig. 5 Schematic diagram of phase change wall
图6 太阳能集热墙、相变墙体和室内风口的连接示意图
Fig.6 Schematic diagram of solar walls, PCW and indoor
表2 太阳墙与相变墙联合运行的实验工况
Table 2 Co-operation experiment condition of solar walls and PCM
1.3 测试仪器及设备
本实验测试系统采用的仪器及设备主要有SWP- LCD-SSR-M智能化64路巡检仪、鲁班测试软件、PT100铂-铜热电偶、板式热流计、微电脑时控开关、电源开关、太阳辐射仪、Testo400热球风速仪等。
1.4 测点布置
(1) 室内墙体测点。在北墙的沿墙壁中轴线沿高度方向布置3个测点，东墙沿高度方向布置3个测点，东门布置1个测点，南墙在窗两侧各布置3个测点，地面和屋顶各布置4个测点。
(2) 室内空气测点。分别在距地面0.7 m，1.1 m和1.7 m的高度各布置4个温度测点，室内共有12个空气温度测点。室内空气平均温度为12个温度测点所获得数据的平均值。
(3) 相变墙及太阳墙测点布置。相变墙一方面通过与循环空气的对流换热向室内传热，另一方面通过室内侧装饰层与室内空气的对流换热向室内传热。因此，在室内侧装饰板布置温度和热流测点。
太阳墙集热面和阳光板内表面的测点沿南墙窗户两侧各安置3个温度测点，分别测试集热面上部、中部和下部的表面温度，取6个测点温度的平均值作为太阳墙集热面或阳光板内表面的温度值。集热墙体顶部和底部的风口中心分别设置1个温度测点和1个风速测点，用于测试上风口的空气温度和空气流速。实验中对所有温度测点都进行防太阳辐射处理。
2 冬季运行实验
2.1 实验运行
冬季实验研究分两阶段进行，分别安排在2007年12月和2008年12月。在2007年12月测试实验房间未加装太阳墙和相变墙时房间时的运行工况。在2008年12月完成房间太阳墙改造后，分别进行单独太阳能集热墙运行及相变墙体联合运行工况的测试。上述3种工况测试时间均为15 d。从其中选取太阳辐射强度、室外气温等参数基本相同的连续3 d进行 对比。
2.2 冬季室内环境热舒适性评价
目前，室内环境热舒适性评价方法比较多，常采用采暖日的度小时数HDH18评价室内环境舒适性[15]，计算方法为
(1)
式中：tco为室内舒适温度；
为τ时刻的室内空气 温度。对于同一房间，HDH18值越小说明该房间的热环境处在或接近舒适区的时间越长。由式(1)可知：HDH18与时刻的室内空气温度和室内舒适性温度有关，冬季室内舒适性温度可取定值tco=18 ℃[16]。
从图7可见：采用太阳能集热墙后，无论是否采用相变墙体，房间的采暖度小时数均有明显减少，传统太阳能集热墙房间和太阳能相变墙房间测试日的平均HDH18值减少了60.1 ℃·h和80.3 ℃·h。
比较传统太阳能集热墙房间和太阳能相变墙房间晚6点至早6点的HDH18值，如图8所示。采用相变墙后，房间夜间度小时数较传统太阳能集热墙房间平均减少了27.7%，室内热舒适条件得到改善，夜间度小时数优于全日度小时数，HDH18减少了19.2%。此外，在有日照的条件下，传统太阳能集热墙较太阳能相变墙的使用效果要好，主要是因为相变材料在蓄热过程中吸收了部分能量，从而白天太阳墙直接向室内供应的热量减少。
图7 典型日不同类型房间采暖度的比较
Fig.7 HDH18 values of different rooms in typical days
图8 典型日夜间不同类型房间采暖度的比较
Fig.8 HDH18 values of different rooms in typical night
3 改造后室内环境性能
3.1 建筑围护结构的热性能
3.1.1 阳光板内表面与太阳墙集热面温度的日变化
由图9可见：当白天太阳辐射强度不断增大时，太阳能集热墙系统吸收太阳辐射热量，阳光板内表面温度和太阳墙集热面温度迅速升高，温度随着太阳辐射强度的变化而变化，且趋势基本相同。由此可见，阳光板内表面温度和太阳墙集热面对太阳辐射强度十分敏感；当夜间太阳辐射强度几乎为零时，两表面温度受室外空气温度的影响较大。太阳墙集热面的温度日差可以达到35 ℃。
图9 阳光板内表面与太阳墙集热面日变化
Fig.9 Parameter curves of solar wall in typical days
3.1.2 太阳能集热墙集热面不同高度处的温度变化
由图10可见：太阳墙集热面的温度存在差异。随着墙体高度的增加而逐渐升高，不同高度间的温度差随着太阳辐射强度的增加而增大。在太阳辐射强烈的中午时刻，集热面上部和下部测点的温度差达到 10.9 ℃，而当夜间太阳辐射为零时，集热面不同高度测点的温度基本相同。白天形成垂直温差的原因主要是由于底部距离室内回风口较近，空气温度较低。
图10 冬季太阳能集热墙体集热面不同高度处的温度随时间的变化情况
Fig.10 Surface temperature of solar wall change along height in winter
3.1.3 相变墙室内侧装饰层的表面温度
由图11可见：相变墙室内侧装饰层温度波动较大，最高温度和最低温度的差值可达13.7 ℃，温度变化趋势同太阳辐射强度变化趋势基本相同。而同为室内的北墙始终存在较大温差，白天温差较大，夜晚温差较小，最大温差可达12.9 ℃。相变墙室内侧装饰层通过与其他墙体的辐射换热及与室内空气对流换热，向室内供热。
图11 相变墙室内侧装饰层的表面温度
Fig.11 Surface temperature of phase change wall interior side
3.1.4 相变墙体热流密度的变化
相变墙除与空气对流换热向室内供热外，还通过对相变墙室内侧装饰层的辐射间接影响室内温度，墙体热流随着时间的变化，受日照辐射影响较大，如图12所示。这主要是因为在白天进入相变墙内的空气温度较高，与装饰层直接进行对流换热，导致装饰层温度升高，热流增大。值得注意的是，当没有太阳热辐射时，装饰层热流仍能保持在60 W/m2左右，主要是因为相变材料蓄能后，以辐射换热的形式将热量传递给装饰层，再通过装饰层传递给室内。
3.2 空气温度日变化
图13所示为室内空气温度和太阳辐射强度的日变化曲线。由图13可见：集热墙顶部送风口的送风温度受太阳辐射强度的影响很大，而在夜间没有太阳热辐射时，太阳墙出风口空气温度主要受室外空气温度的影响。相变墙出风口的温度变化趋势与太阳能集热墙出风口的温度变化趋势基本相同，但波动幅度较小，说明相变墙有助于减小空气温度的波动。在早晨和傍晚出现的温度突降主要是由于系统关闭相变墙风口，开启室内风口通风所致。在太阳辐射强度较强的条件下，由于夹层与房间的空气热循环作用，室内空气温度升高较快。在夜间，由于相变墙体将白天蓄存的热量向房间释放，室内空气温度的下降速度较慢。
图12 相变墙内墙热流密度随着时间的变化
Fig. 12 Heat flux of interior side of phase change wall
图13 系统各节点空气温度及太阳辐射的变化
Fig. 13 Air temperature and solar radiation of system
3.3 影响室内空气温度因素的权重分析
以实验期间太阳辐射较强的3 d为研究对象，通过逐步回归分析方法进行多元线性回归，寻求各因素对室内空气温度的影响程度，分析结果如表3所列。
由表3可知：在选取的7个影响因素中，室外空气温度、阳光板内表面温度、太阳能集热墙集热面温度和太阳能集热墙出风口热流密度等因素对室内空气温度影响较小，被剔除。太阳辐射强度、相变墙室内出口温度、相变墙出口空气热流密度对室内空气温度影响较大，回归方程为：tr=5.414+0.121qpa+0.474tpwi+ 0.434E，R2=0.979。
表3 房间室内空气温度的回归系数和偏相关系数
Table 3 Air temperature regression coefficient and partial correlation coefficients
根据表3列出的各因素的偏相关系数，各影响因素对室内空气温度的影响权重从大到小依次是：qpa， tpwi，E，即相变墙出风口热流密度对室内空气温度的影响最为显著。由此可见，在安装相变墙后，相变墙通过加强空气与相变材料排管及相变墙体室内侧装饰层的对流换热来提高系统运行效果。
4 结论
(1) 对冬季房间室内热舒适性的评价，发现采用结合相变墙体的被动式太阳能建筑的室内热舒适水平较一般建筑有明显改善，冬季HDH18值较普通房间的减少80.3。
(2) 对围护结构热性能的分析发现，阳光板内表面和太阳墙集热面温度受太阳辐射强度影响明显，且集热面不同高度间存在温差，冬季太阳辐射最强时温差可达10.9 ℃。
(3) 冬季相变墙体室内侧装饰层温度始终高于其他围护结构的内表面温度，相变墙体通过辐射和对流的形式向室内供热，相变墙体室内侧装饰层热流密度受太阳辐射强度影响明显。
(4) 在冬季蓄热模式运行下，影响室内空气温度的因素权重从大到小依次是相变墙风口热流密度、相变墙室内侧装饰层温度和太阳辐射强。
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(编辑 杨华)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878133)；建筑安全与环境国家重点实验室项目；辽宁省社会发展攻关项目(2011020191-303)；住建部科技攻关项目(2011-k1-74)；辽宁省百千万人才项目(2010921086)；沈阳市科技局项目(F10-208-1-00)
通信作者：冯国会(1964-)，男，辽宁铁岭人，博士，教授，博士生导师；从事相变储能理论与技术研究；电话：13940515506；E-mail: fengguohui88@ 163.com
