浅析住宅建筑墙体热储能的可行性

贾丽霞

墙体热储能应用技术是指在建筑中通过相应的构造设计,大量使用墙体材料来吸收、保存和释放热量。另外,内热源和进入室内的热量也可以通过对流辐射等方式储存在围护结构和家具中,并随着室内外温度的变化而释放或存储能量,建筑围护结构具有蓄热放热特性,因而对墙体储能技术的研究具有重要的理论意义。

1 研究意义

在强调建设资源节约型社会的今天,在建筑热工设计中要求能根据当地的气候状况,合理利用太阳能等气候资源,减少夏季使用空调和冬季采暖造成的能源消耗。在节能建筑设计和规划中太阳辐射数据是需要重点考虑的气象参数。然而太阳能具有间断性和不稳定性,几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热等的太阳能热利用装置都需要储存热能,因而对于能量储存应用技术的研究具有重要的理论意义。结合储能技术的应用,住宅建筑冬季供暖空调系统运行时完全可以通过调控装置对这部分能量加以利用,这对建筑节能、环境保护和提高室内环境舒适性都具有积极作用[1]。

我们知道,利用储能材料的热惰性特征,可实现对建筑的日温差调节,显著减小室内温度波幅,将室温维持在接近人体热舒适温度20℃～26℃这个很小的范围内,此举可为用户节省制热/制冷费用及暖通空调系统的初始投资。实践表明,墙体储能材料的储能效果能维持数小时、数天,甚至数月,对于冬天和夏天常使用常规能源采暖或制冷的建筑具有很高效的节能作用。同时墙体的热储能技术可以与自然通风、太阳能利用、分布式能源技术等相结合,完善建筑节能的技术体系,提高能源的效率,具有很高的节能经济性。

2 国内外研究现状及分析

对于蓄热体,即“Thermal mass”,国外研究者有多种理解：在一部分研究者看来,它是表示一种物质——具有蓄热能力的建筑材料[2];另外一部分研究者认为它是类似于热容量、导热系数等参数、表示材料的一种热物性——表示建筑材料储存热量的能力[3]。在国内,人们一般取Thermal mass为前一种意思,即认为它是具有蓄积热量这一特性的材料的通称。一般情况下,蓄热体包含在外墙、隔墙、天花板以及地板当中,是由高热容量等性质的物质组成。

H.Asan等人计算模拟了墙体的厚度及热容量、导热系数等对时间延迟和衰减因子的影响,考虑当总厚度一定时,研究不同保温材料、保温位置及厚度对轻质、重质墙体的时间延迟和衰减因子的影响。另外,蓄热体的位置设置也很重要,外蓄热体暴露在太阳光下直接吸收太阳辐射热,是蓄热的主要部分,所以应设计使蓄热体尽量多的暴露于太阳光下;内蓄热体主要是由内热源或进入室内的热量通过对流、辐射作用下间接蓄热,但由于内蓄热体能有效地调节室内温度,因此,应设计内蓄热体尽可能多的暴露于室内空间中。结果表明墙体热物性对时间延迟和衰减因子作用明显,墙体厚度存在一个最佳值。

Givoni对建在美国加利福尼亚州北部的实验房进行了测试,分析夏季不同蓄热材料蓄冷对白天降低室内温度的作用。他发现对于重质建筑来说,利用建筑蓄热耦合夜间通风蓄冷是一种非常有效的降温措施。在白天最高温度为38℃时,室内最高温度只有24.5℃,这在潮湿的加利福尼亚州是处于属于舒适性范围的。A.Antonopoulos对内蓄热体(隔墙、天花板、地板和家具)对时间常数和时间延迟的影响进行了研究。结果表明：内蓄热体对时间常数、时间延迟的影响很大,若内蓄热体可提高室内时间常数40%,则其中25%的增加是由内隔墙引起,15%是由于家具的作用。

国内对有关单独储能方面工程应用和专项研究的文献很多,结合能源改革的发展趋势,在热电冷联供系统中设置蓄能装置形式的选择需同时考虑在供冷和供热中的应用问题。建筑墙体材料储能技术将成为研究的热点,而这项研究有着悠久的历史,如干热地区采用厚重的墙体隔热保温,华北地区较多采用的370外墙等都有热储能的效果。如今的研究热点偏向于依靠加入相变材料改进墙体进行热能的储存和释放来提高能源的使用效率。综上所述,国内外许多研究已经表明利用建筑围护结构本身具有的蓄放热特性可以有效降低采暖空调的能耗,冬天可利用其白天的蓄热来减少夜间的热负荷,夏季可以利用夜间的自然冷量来降低白天冷负荷的峰值。具有推广性及可操作性的建筑构造措施。

然而目前研究大多只是从定性的角度来分析建筑蓄热的热性能,建筑蓄热对环境的影响没有定量的分析,不能较为准确的确定建筑蓄热的作用,目前文献中关于建筑蓄热的实验结果受当地气候、建筑特点、建筑结构的限制而不具有通用性,对实际的建筑蓄热设计以及结果预测意义不明显。另外,对蓄热在建筑中作用的研究主要集中在夏季降温和冬季采暖方面,且多物理性能分析,缺少对实际应用的探讨。

总之,本课题对住宅墙体热储能应用技术进行了深入研究,提出的墙体复合蓄热材料的具体措施、建筑材料的热工测试、示范性的建筑应用等具有重要的理论及实践意义,不仅能够优化建筑节能技术设计、改善建筑热环境、提高房间舒适性、节约能源,而且对于建筑能耗的可持续发展,推广绿色住宅均有积极的作用。

3 可行性分析

不论是夏季还是冬季,建筑物内部的蓄热体对于室内空气调节都能起到积极的作用。白天获得的太阳辐射能量都储存起来,在稍后的时间缓慢地释放到室内空气中。冬天白天储存的热量在下午或者更晚些时都传播回室内,这段时间是一天当中最需要热量的时候,这样提供了部分热负荷,同时也避免了一天中太阳辐射强烈时段的过热和不舒适性的问题。

通过了解学习建筑储能在国外的应用技术和国内近几年的相关应用研究,如空腔储能中容器本身(混凝土、岩石或砖)既是建筑围护结构,又是储能体。尽管它的效率较低,但由于它实现了储能与用能的集成优化,因而成为最经济可行的储能方式。根据北美的经验,空腔储能体作为结构构件时的理想厚度为25 mm～65 mm。如太厚、太大,容器吸收和释放热/冷量的时间过长,影响使用效果;如太薄、太小,容器中空气静压增高,需使用风扇等辅助动力来维持气体在容器中的流动,以实现热交换。通常混凝土占2/3,空腔占1/3时的气体容器效率最高,可达到66%。本项目提出的墙体热蓄储能技术概念,就是不直接将热能或冷能转换成电能,而是先将各种能量(电能、热能或其他能量)转换成制冷/制热潜能——工作介质的化学势能,然后进行储存。当用户需要冷或热量时,可通过制冷或热泵运行方式将储存的潜能转换成冷能或热能。

4 关键技术

从墙体的构造上讲,墙体是一种复合的界面形式,室内空间的保温、采光、通风、防潮、防风、防眩光、防噪声、防盗等功能相互关联、相互作用,关系错综复杂。将外围护结构的各个功能相分离,通过增加围护结构层数以及优化改进围护结构构造方式,可以提高围护结构的物理性能。

热储能墙体的关键问题之一就是墙体热储材料的选择及其与建筑材料的结合方式,以实现储能材料与建筑材料基体的相容性、稳定性和耐久性,如果蓄能体是水,则出水温度与间接的区域热网的回水温度有紧密的关系,建筑内的低温供暖系统是优化季节性蓄能系统热输出的前提,如何有机的协调建筑中的用能系统是墙体热储能技术的关键。

再者就是常规能源和太阳能复合,水蓄能与潜能蓄能的结合。储能储存的是一种“潜在”的能量,必须通过某种方式或手段将其转换成热量或冷量。利用储能材料来解决单体建筑日温差问题,在建筑和规划设计中利用储能材料来实现太阳能的跨季节储存问题。墙体蓄能方面的研究焦点目前主要集中在：减少蓄能系统的初投资,并尽量避免占用体积过大。可考虑蓄能体与建筑物的一体化,如利用低温地板辐射采暖,置换式通风等,从而达到降低系统初投资,提高系统经济性的目的。

[1] 杨 昭,郁文红,张甫仁.建筑物冬季太阳得热分析[J].太阳能学报,2005,26(1)：104-109.

[2] C A Balaras.The role of thermal mass on the cooling load of buildings：An overview of computational methods[J].Energy and Buildings,1996(24)：1-10.

[3] Creating a common global language for sustainable buildings thermal mass[EB/OL].http：//www.sustainable-buildings.org/ swk5.htm.