双层定型相变墙体在空调房间应用的节能效果研究

柳鹏鹏，朱娜，胡平放，刘福利，雷飞

（华中科技大学，湖北武汉　430070）

双层定型相变墙体在空调房间应用的节能效果研究

柳鹏鹏，朱娜，胡平放，刘福利，雷飞

（华中科技大学，湖北武汉430070）

双层定型相变墙体能够在夏季隔热、冬季保温，降低建筑物的运行能耗并提高了室内的热舒适性。为了更有效地发挥相变墙体的作用，分析了双层定型相变墙体在空调房间的使用效果，对比分析在装有变频空调和定频空调2种房间的运行能耗，结果表明：在装有变频空调的房间，双层定型相变墙体比普通墙体更加节能，变频空调能更有效地发挥定型相变墙体的自动调温作用。

双层定型相变墙体；变频空调；定频空调；节能

1　概述

定型相变材料（shape-stabilized phase change materials，SSPCMs）是一种具有较大蓄能密度能在相变过程中保持固态形状不变的新型蓄能材料，与空调系统结合使用能降低空调能耗，提高室内热舒适性，是目前国内外的研究热点.

国外对相变材料研究开始较早。Hammou和Lacroix［1］对相变储能墙体结合太阳能和辅助加热设备控制室内热环境进行能耗分析，相变材料在晴天储存太阳能、在用电低峰时储存辅助加热设备的能量，当室内温度下降时释放，可以降低32%的用电量，同时转移了用电时段，超过90%的耗电使用在低谷电价时。Ismail和Castro［2］对墙体和屋顶含有相变材料的房间在运行空调的情况下进行能耗分析，发现含有相变材料房间的空调耗电量降低了，而且空调耗电的模式变为在低谷电价多耗电，峰谷电价时少耗电。Halford和Boehm［3］针对封装有相变材料的屋顶和墙体建立了一维数值传热模型，发现相变房间相比普通房间能延迟空调峰值负荷出现的时间，同时认为相变温度和相变潜热是最重要的影响因素。Diaconu和Cruceru［4］对包含双层定型相变墙体的房间进行了全年运行能耗分析，外层的相变材料相变温度较高，主要在夏季发挥作用，内层相变材料相变温度较低，主要在冬季发挥作用；研究表明，全年的总冷负荷降低了1%，冷负荷峰值降低了35.1%，全年总热负荷降低了12.8%，热负荷峰值降低了35.4%；研究同时指出，对相变温度及其它相关参数的进一步优化能更有效地发挥相变材料的作用。

相变材料在建筑节能中应用的研究也逐渐被国内研究者关注。陈超等［5］利用有效热容法分析相变材料的传热问题，发现在北墙内表面使用适量的相变材料不仅可以提高室内热舒适性，而且在冬季可降低17%的热负荷。周国兵等［6］在太阳房中对定型相变墙板和辅助加热器联合使用的复合热系统进行研究，发现这种复合系统不仅可以提高室内热舒适性，而且能降低47%的峰值热负荷和12%的总热负荷。朱娜等［7］对含有定型相变墙板的房间和普通房间的空调采用不同的控制策略分析空调能耗，研究发现基于分时电价和峰值电价下的2种控制策略，相变房间可以降低11%的空调耗电量和20%峰值耗电，同时提出了提高相变材料应用效果的优化控制策略。

研究表明［1-7］：相变材料用于建筑围护结构中，确实能改善室内热环境并且降低建筑运行能耗，尽管相变墙体可以围护结构热工特性，但在夏热冬冷地区仅仅使用相变围护物结果不能满足室内热舒适性要求，因此，分析相变围护结构在空调工况下的节能效果及应用方式更具实际意义。双层定型相变墙体与空调系统的结合使用，对空调系统的能耗进行分析，目前现有文献很少见到相关研究。

本项目提出一种新型双层定型相变围护结构，如图1所示，外层相变层PCM1具有较高的相变温度，在夏季发挥作用；内层相变层PCM2具有较低的相变温度，在冬季发挥作用。本文对双层定型相变墙体与变频/定频空调系统结合使用的建筑物运行能耗进行了对比分析，研究双层定型相变墙体在空调房间的节能效果，为双层定型相变墙体的应用提供技术支持。

图1　双层定型相变墙体结构

2　建筑负荷模拟及空调选型

由于民用建筑对材料的性质与经济因素有严格的限制，适用于储能建材的相变材料就更少了。用于低能耗建筑的理想相变材料应满足以下几项要求：（1）相变材料的室内设计温度在供暖、空调系统要求的温度范围内；（2）具有足够大的相变潜热；（3）相变时膨胀或者收缩要小；（4）相变的可逆性要好；（5）无毒性、无腐蚀性；（6）制作原料廉价易得［8］。

为简化计算，对室内外环境与复合墙体的传热过程做出了如下假设：（1）只考虑复合墙体水平方向传热，忽略垂直方向传热；（2）墙体各层都是均匀的热物性参数固定不变；（3）仅仅考虑模拟房间空气的显热（忽略潜热），且空气分布均匀；（4）墙体各个层间隙之间的空气热阻忽略；（5）相变材料的相变过程发生在一个微小的温度区间。相变材料的比热容变化曲线如图2所示，本文设定相变半径为0.5℃，凝固点低于熔点1℃。

图2　相变材料的比热容变化曲线

本项目采用的定型相变材料PCM1和PCM2为80%石蜡、15%高密度聚乙烯和5%膨胀石墨的复合物。主体相变材料石蜡由17烷和48#半精炼石蜡的混合物组成，通过二者不同的配比形成不同相变温度的相变混合石蜡。载体材料高密度聚乙烯能够使融化的石蜡聚合不分散以保持形状不变［9］。在本项目中，内、外侧定型相变板的厚度均为30 mm，相变墙板的热物性参数如表1所示。

表1　相变材料的热物性参数

由于外层相变层主要在夏季发挥作用，而内侧相变层主要在冬季发挥作用，故本文分冬、夏季2个工况分别对空调能耗进行模拟计算。

2.1夏季工况

本模拟选定武汉地区，房间尺寸为9 m×5 m×3 m（长×宽×高），墙体材料热物性参数见表2，供冷期为6月1日～9月30日，房间温度设定为26℃，空调开启时间为8：00～18：00。外侧相变层PCM1相变温度为28℃。

全年总冷负荷QC可由式（1）计算：

表2　墙体材料的热物性参数

本文选用TRNSYS建模，模拟得出相变房间与普通房间在供冷季的逐时冷负荷如图3所示。

图3　相变房间与普通房间夏季逐时负荷对比

从图3可以看出，相变房间的冷负荷低于普通房间，通过对逐时冷负荷积分可得出全年总冷负荷QC，然后计算出每年夏季建筑物运行能耗降低了3.1%。

2.2冬季工况

供热期为12月15日～次年3月15日，房间温度设定为18℃，空调开启时间为8：00～18：00。内侧相变层PCM2相变温度为19℃。全年总热负荷QH可由式（3）计算：

模拟得出相变房间与普通房间的逐时热负荷如图4所示。

图4　相变房间与普通房间的冬季逐时热负荷对比

从图4可以看出，相变房间的热负荷低于普通房间，通过对逐时热负荷积分可得出全年总热负荷QH，然后计算出冬季建筑物运行能耗降低了17.7%。

2.3空调选型

依据空调冷热负荷峰值选择空调，本文夏季冷负荷峰值为2032 W，冬季热负荷峰值为2297 W，选择格力1匹变频空调［KFR-23 GW/（23 570）Aa-3］，为了对比计算变频与定频空调分别与相变材料结合使用的效果，还选择了格力1匹定频空调［KFR-23 GW/K（23 556）D1-N1］，空调性能参数如表3所示。

表3　空调性能参数

3　相变墙体在空调房间的应用效果

变频空调的主机是自动进行无级变速的，它可以根据房间情况自动提供所需的冷（热）量；当室内温度达到期望值后，空凋主机以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，从而保证环境温度的稳定。由于变频空调系统在运行过程中，性能系数COP不断变化，所以本文将房间逐时负荷划分为4个阶段，0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%，每一个负荷段给定一个平均COP，由此可以根据建筑物冷负荷估算出变频空调运行能耗。本文采用IPLV值（综合部分负荷性能指数）对变频空调能耗进行估算。

为了分别给定4个负荷段1个COP，文献［10］研究了室外变频空调机制冷量和功率与频率的关系及COP与频率的关系，从变频空调机制冷量和功率与频率的关系可以得出随着变频空调压缩机运转频率的递增，制冷量和功率也随之递增；从COP与频率的关系可以得出COP随着压缩机运转频率的升高而降低。由此可以得知，在低频时的高效运行是变频空调机节能的主要原因，因此从0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%4个负荷段的COP应该是依次降低的。

如果采用传统的定频空调机，其供电频率不能改变，而我国的电网电压为220 V、50 Hz，传统定频空调的压缩机转速基本不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一关之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。根据空调开启的时间和额定输入功率，即可得出定频空调消耗的能耗。

3.1夏季工况空调能耗分析

相变房间的外侧定型相变板厚度为30 mm，相变温度为28℃，在TRNSYS中模拟出建筑物的逐时冷负荷，依据冷负荷峰值选定变频机，然后把逐时冷负荷划分为4个负荷段，计算出夏季空调的耗电量如表4所示。耗电量ω可由式（5）计算得出：

表4　夏季相变房间与普通房间变频/定频空调能耗对比

由表4可知，由于外侧相变板的作用使得相变房间的负荷发生变化，而变频空调是根据室内负荷的需求来调节压缩机的运转而作用于室内的，虽然相变房间的总冷负荷仅仅比普通房间降低了3.1%，但配合变频空调使用可以节能3.81%。而使用定频空调，相变房间比普通房间节能2.56%，节能效果小于均使用变频空调的情况。由此可以得出，相变房间与变频空调结合使用比与定频空调结合使用的效果好。在相变房间分别使用变频和定频空调，发现变频比定频节能39.8%；而在普通房间分别使用变频和定频空调，变频比定频节能39.0%。在相变房间使用变频空调，而普通房间使用定频空调的情况下，节能率为41.4%。

3.2冬季工况空调能耗分析

相变房间的内侧定型相变板，相变温度为19℃，在TRNSYS中模拟出建筑物的逐时热负荷，然后把逐时热负荷划分为4个负荷段，计算出冬季空调耗电量，如表5所示。

表5　冬季相变房间与普通房间变频/定频空调能耗对比

由表5可知，由于内侧相变板的作用使得相变房间的负荷发生了变化，虽然相变房间的总热负荷比普通房间降低了17.7%，但配合变频空调使用可以节能20.90%。而使用定频空调，相变房间比普通房间节能4.56%，节能效果小于均使用变频空调的情况。由此可以得出，相变房间与变频空调结合使用比与定频空调结合使用的效果好。在相变房间分别使用变频和定频空调，发现变频比定频节能73.2%，而在普通房间分别使用变频和定频空调，变频比定频节能67.6%；在相变房间使用变频空调，而普通房间使用定频空调的情况下，节能率为74.4%。

4　结论

双层定型相变墙体在夏季、冬季均能发挥作用。在夏季，外层相变材料PCM1白天吸收太阳辐射热量在夜间释放，防止白天过多的热量进入室内；冬季，室内侧的相变材料PCM2吸收白天室内多余的热量，在夜间室内温度降低的时候释放，减少白天室内温度波动，提高舒适度。双层定型相变墙体在空调房间使用时能降低建筑物运行能耗。本项目针对武汉地区建筑，通过理论分析、数值模拟双层定型相变墙体与空调系统的结合使用，研究分析空调系统的耗能，得出了以下结论：

（1）相变房间和普通房间在使用相同型号空调的情况下，相变房间的空调耗能要低于普通房间，使用双层定型相变墙板达到了降低建筑物运行能耗的目的。

（2）相变房间和普通房间均使用变频空调的效果要优于使用定频空调的，说明定型相变板与变频空调结合使用能充分发挥其节能的作用。

（3）定型相变板在冬季使用的情况明显优于在夏季使用，可以为后期定型相变板的使用位置提供参考。

［1］HammouZA，LacroixM.AnewPCMstoragesystemfor managing simultaneously solar and electric energy［J］.Energy& Buildings，2005，38（3）：258-265.

［2］Ismail K A R，Castro J N C.PCM thermal insulation in buildings［J］.Int.J.Energy Res.，1998，21（14）：1099-1113.

［3］Halford C K，Boehm R F.Modeling of phase change material peak load shifting［J］.Energy&Buildings，2006，39（3）：298-305.

［4］Diaconu B M，Cruceru M.Novel concept of composite phase change material wall system for year-round thermal energy savings［J］.Energy&Buildings，2010，42（10）：1759-1772.

［5］Chen C，Guo H，Liu Y，et al.A new kind of phase change material（PCM）for energy-storing wallboard［J］.Energy&Buildings，2007，40（5）：882-890.

［6］Zhou G，Zhang Y，Wang X，et al.An assessment of mixed type PCM-gypsum and shape-stabilized PCM plates in a building for passive solar heating［J］.Solar Energy，2007，81（11）：1351-1360.

［7］Zhu N，Wang S，Ma Z，et al.Energy performance and optimal control of air-conditioned buildings with envelopes enhanced by phase change materials［J］.Energy Conversion and Management，2011，52（10）：3197-3205.

［8］张亮，晏华，余荣升，等.相变材料的研究进展及其在建筑领域的应用综述［J］.材料开发与应用，2010，25（1）：69-73.

［9］闰全英，王威.低温相变石蜡储热性能的实验研究［J］.太阳能学报，2006，27（8）：805-810.

［10］刘永彬.运行环境对变频空调器转速及能耗影响的理论与试验研究［D］.北京：北京工业大学，2012.

Study on energy saving effect of double layers shape-stabilized phase change material wallboard in air conditioning room

LIU Pengpeng，ZHU Na，HU Pingfang，LIU Fuli，LEI Fei
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

Double layers shape-stabilized phase change materials（SSPCMs）wallboard can insulate heat in summer and preserve heat in winter.It could reduce building operation energy consumption and improve the indoor thermal comfort for the whole year.In order to use the SSPCMs wallboard effectively，the effects of double layers SSPCMs wallboard used in an air-conditioning room was analyzed in this paper.The operation energy consumptions in rooms with and without split variable/constant frequency air-conditioners were compared and studied.The results showed that SSPCMs room with variable frequency air-conditioner consumed less energy than normal room with variable frequency air-conditioner，and the SSPCMs wallboard could adjust indoor temperature automatically with variable air-conditioner system.

double layers shape-stabilized phase change material，variable frequency，constant frequency，energy saving

TU52

A

1001-702X（2015）09-0042-05

国家自然科学基金项目（51508212）；湖北省自然科学基金项目（2015CFB392）

2015-05-26；

2015-06-28

柳鹏鹏，男，1991年生，湖北潜江人，硕士研究生。