相变蓄能围护结构性能测试实验台的开发及应用

徐小虎，陈雪清，童 蕾，朱官养，林积鹗，陈 贵

（广东机电职业技术学院，广州510550）

相变蓄能围护结构性能测试实验台的开发及应用

徐小虎，陈雪清，童 蕾，朱官养，林积鹗，陈 贵

（广东机电职业技术学院，广州510550）

介绍了相变蓄能围护结构性能测试实验台，对实验台主要结构、实验台功能的实现以及工作原理进行了论述。利用此实验台，通过建立相应的物理模型，可针对不同的室内外环境条件，开展房间冷热过程的实验研究和与之对应的数值模拟研究。另外该实验台还可以进行围护结构材料性能测试，相变蓄能材料性能研究和相变蓄能围护结构节能特性分析等相关实验。该实验台结构设计新颖，相变蓄能材料调整方便，适用范围广泛，是比较理想的围护结构性能测试实验台。

相变蓄能；建筑节能；围护结构；性能测试

0 引言

随着社会生活水平的提高，人们对工作与居住环境的舒适度要求也愈来愈高，与之相应的建筑能耗尤其是制冷、采暖以及空调能耗也随之增加，建筑节能日益受到人们的关注，对建筑围护结构的要求也越来越高［1］。其中相变蓄能建筑材料作为相变蓄能物质 （PCMs）与建筑材料结合的产物，对提高建筑物舒适度、降低建筑能耗以及削弱能源消耗对环境负面影响有显著的效益，在建筑设计和建筑节能领域拥有广阔的应用前景［2］。

从发展过程来看，研究相变材料在建筑上的应用大致经历了3个阶段：20世纪90年代前，主要是分析相变物质用于建材的可行性，筛选适用于建筑体系的相变物质［3-4］；90年代，以完善相变物质与建筑基材的复合工艺为主，重点研究相变物质与建材的相容性、稳定性及使用寿命［5-7］；90年代后至今的工作重点转移到开发新型相变材料和定型技术［8-12］，研制实用化建筑制品，如相变蓄能墙板、相变蓄能混凝土和相变保温砂浆等，并推动其应用于工程实践。目前相变蓄能围护结构材料仍处于研究和试用阶段，迄今为止还没有一部与相变蓄能围护结构材料产品相关的标准出台，特别是对相变蓄能围护结构材料的节能性评价研究还很滞后，这必然不利于市场的规范及产品的应用和推广［2］。

本实验台的建立主要用于相变蓄能围护结构性能测试，研究不同相变材料对相变蓄能围护结构的适应性，并对所用相变蓄能围护结构材料的节能性进行评价分析，为相关材料在建筑领域的运用提供依据。

1 相变蓄能围护结构性能测试实验台结构

1.1 实验台主体结构组成

相变蓄能围护结构性能测试实验台主体为一个1.5×1.5×1.5m的建筑模型，模型四面墙模拟实际建筑外墙，模型底板和顶板仅起保温、支撑作用。模型墙内壁面模拟实际建筑外墙外壁面，模型墙外壁面模拟实际建筑外墙内壁面。

所建实验台使用OSB木板为主体材料，实验台模型外墙材料构成如图1所示。模型墙体由内至外分别采用：木板10mm、PU板70mm、Bio-PCM板10mm、木板10mm。

1.2 实验台框架结构

实验台框架由碳钢方管焊接而成，其结构如图2所示。

将实验台主体墙体固定于框架上，形成最终的实验模型，如图3所示。

图1 模型房间外墙材料构成示意图

图2 实验台框架结构示意图

2 相变蓄能围护结构性能测试实验台功能的实现

2.1 实验台温度控制

为了便于实验台的温度控制，同时为模型房间提供冷源与热源，通过调整热源功率大小，控制模型房间内温度。采用恒温水浴槽作为系统冷源，供应恒温冷水，并将冷水引入位于模型内的风机盘管。采用空气加热器作为系统热源，配合风扇散热。空气加热器的功率采用电力调整器进行控制，通过调节交流电相位，改变负载功率。4～20mA的输入信号对应0～100%的负载功率。系统运行时，根据所设定温度，及反馈机制，生成4～20mA控制信号，使模型内温度稳定在设定温度。实验台温度控制方案如图4所示。

图3 实验台模型三维结构示意图

图4 实验台温度控制方案示意图

上述模型中，恒温水浴槽亦可采用制冷机组代替。考虑到实验系统中有大量温度探头需要校准，建议使用恒温水浴槽，实验开始之前作探头校准用。

2.2 实验台数据采集系统

初步计划，每面墙内外壁面各17个温度探头，房间内外空气温度各使用3个温度探头，共142个温度探头。均使用pt100热电阻。每面墙内外各布置4个热流计，共32个。考虑到同一面墙不同温度测点间温度差异不大，且数据采集仪通道数有限，使用的探头数经测试后适量减少。减少至每面墙内外壁面各5个温度探头，房间内外空气温度各使用2个温度探头，风机盘管进出口各1个温度探头，共46个温度探头。每面墙内外各布置2个热流计，共8个。采集板共60个通道，使用54个，剩下6个通道备用。实验台数据采集系统如图5所示。

图5 实验台数据采集系统

数据采集仪可自动记录存储温度与热流量数据于采集电脑中，方便读取与分析。

3 相变蓄能围护结构性能测试实验台工作机理分析

相变蓄能围护结构性能测试实验台是基于传热学的原理构建起来的。当实验台构筑完成，可以通过调整实验台冷热源功率的大小，来控制模型房间内外的温度，并由实验台数据采集系统采集获得实验台内外温度参数，进而可以计算出实验台所用围护结构传热系数等参数；同时由于实验台内的围护结构材料可以置换调整，这就能对不同的相变材料进行研究，并能对所用相变蓄能围护结构材料的节能性进行评价分析。

4 相变蓄能围护结构性能测试实验台应用

通过建立相变蓄能围护结构性能测试实验台，可以进行如下实验研究。

1）根据实验台特征建立相应的物理模型，可针对不同的室内外环境条件，开展房间冷热过程的实验研究和与之对应的数值模拟研究。

2）对不同组成的相变蓄能材料进行测试，分析相变蓄能材料热工性能，对相变蓄能材料的节能性进行评价分析，为围护结构的选择提供理论依据。

3）对已有相变蓄能建筑围护结构进行性能测试，从而考察建筑物的节能性能，能否满足建筑物节能要求。

4）通过实验研究各种材料的性能，开发新型相变蓄能材料。

5）另外，该实验台同样可以用于普通围护结构热工性能测试，对不同材料围护结构热工性能进行分析比较。

5 结论

相变蓄能围护结构性能测试实验台结构设计新颖，相变蓄能材料调整方便，适用范围广泛，是比较理想的围护结构性能测试实验台。该实验台的建立主要用于相变蓄能围护结构的性能测试，研究不同相变材料对相变蓄能围护结构的适应性，并对所用相变蓄能围护结构材料的节能性进行评价分析，该实验台的开发与应用为相关材料在建筑领域的运用提供依据。

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Exp loitation and App lication of Performance Test Experiment Platform for Phase Change Thermal Energy Storage Envelope

XU Xiaohu，CHEN Xueqing，TONG Lei，ZHU Guanyang，LIN Ji e，CHENG Gui
（Guangdong Mechanical and Electrical College，Guangzhou 510550）

An performance test experiment platform for phase change thermal energy storage envelope was introduced.Themain structure，functions and the experimental principle were discussed.By using the experiment platform，built up the physicalmodel，experimental study and simulation on the room heat transfer processwere carried out under different indoor/outdoor environment condition.In addition，the performance of envelopematerialwas testing，the phase change thermal energy storagematerial performance was researched and the energy saving characteristic of phase change thermal energy storage envelope was analyzed on the experiment platform.The experiment platform had the advantages of novel structure design，convenient adjustment of phase change thermal energy storage material，widely application，was an ideal experiment platform.

Phase change thermal energy storage；Building energy saving；Envelope；Performance test

TU111.4［文献标示码］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.010

ISSN1005-9180（2015）03-055-04

2015-3-2

徐小虎（1988-），男，硕士研究生，研究方向：空调系统节能控制及系统优化。Email：314036853@qq.com

陈雪清。Email：Daniela_Chen@yeah.net