使用控温材料降低中国北方建筑能耗的模拟研究

齐乐天,韩 辰,李德宝,孔凡功,王守娟,赵汝和

齐鲁工业大学(山东省科学院) 生物基材料与绿色造纸国家重点实验室,济南 250300

随着社会的发展和对居住环境舒适度要求的提高,建筑物能耗尤其是其中用于住房制冷、取暖、通风等能耗部分迅速上涨,建筑能耗在我国能源消耗中的比重也逐年升高[1]。采用保温材料进行外围维护可以有效降低由太阳能昼夜分布不均而造成的室温波动,从而提升室内温度控制并降低建筑能耗[2]。目前,我国建筑行业中普遍使用各类无机、有机和复合型的保温材料[3-4]加入外墙保温层以提升温度控制效果。近年来我国多地颁布《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》,要求建筑物屋面和外墙的传热系数小于0.15 W/(m2·K),而现有保温材料往往需要较大的铺贴厚度才能满足上述要求[5-6]。因此,新型保温材料的开发成为了建筑行业的研究热点。

控温材料(temperature control material,TCM)是一种具有保温和储热功能的新型储能控温材料,具有储能密大、控温效果好等特点[7]。TCM材料可通过调整储能控温材料的组成、组分比例、使用形式以及使用量来调整其吸放热转换温度以适应使用当地的气候特点。该材料可以实现在白天储热、供冷,夜间放热、蓄冷的功能,从而降低房屋控温能耗。基于上述作用原理,徐龙等用TCM制成复合相变材料并将其作为轻质围护结构调节箱体房室内温度[8]。白音夫等发现TCM材料可用于控制夏季帐篷室内温度[9]。刘森等研究发现TCM可有效抑制被动式太阳能房中的昼夜温度变化[10]。陈滨等研究发现TCM可有效抑制耦合蓄热闭式循环空气层太阳能采暖建筑中的室温波动,并提升室内夜间温度[11]。综合文献研究结果中可以看出,TCM材料可以较好地控制各类建筑物的室内温度,从而降低用于维持室温的制冷制暖能耗。

基于上述分析,本研究使用Energy Plus模拟软件构建模拟房优化TCM在建筑中的使用形式,并进一步探究TCM材料在我国不同气候区,特别是北方地区建筑中的控温节能性能。

1 实验与方法

1.1 模拟房构建

研究采用Energy Plus(V 9.1.0)软件构建模拟房尺寸为8 m×6 m×3 m,房屋坐北朝南。调整开窗4 m×2 m于南侧墙体,居中放置,窗墙比为0.33,使用1 000 W灯泡为房内模拟热源。设定屋内温度控制设置为:制热至20 ℃,制冷至24 ℃。模拟房屋示意图如图1。

1.1.1 屋顶保温参数

为消除屋顶传对墙体保温影响,模拟房屋顶采用较厚的保温层,调用软件数据库中Medium Roof/Ceiling模型,屋顶结构层从外至内依次为:

1)M14a 100 mm heavy concrete；

2)I06 244 mm batt insulation；

3)I03 75 mm insulation board；

4)I06 244 mm batt insulation；

5)F05 Ceiling air space resistance；

6)F16 Acoustic tile。

1.1.2 窗户参数

模拟房窗户采用建筑行业普遍使用的三层玻璃,调用软件数据库中DOUBLE PANE WINDOW模型,构建玻璃结构为:

1)CLEAR 3MM；

2)AIR 13MM；

3)CLEAR 3MM。

1.1.3 外墙保温参数

外墙保温参数调用软件Medium Exterior Wall模型,外墙结构层从外至内依次为:

1)F14 Slate or tile；

2)I02 50 mm insulation board；

3)M01 100 mm brick；

4)F04 Wall air space resistance；

5)G01a 19 mm gypsum board。

1.1.4 外墙保温参数

地面参数调用软件数据库中Medium Floor模型,地面结构层从外至内依次为:

1)F16 Acoustic tile；

2)F05 Ceiling air space resistance；

3)M14a 100 mm heavy concrete。

1.2 TCM相变储能控温材料

该材料由加拿大哥伦比亚大学研发,并由加拿大查韦环境研究院(Tri-Y Environmental Research Institute)提供。上述储能控温材料以管状封装于铝复合隔膜中,封装尺寸为175 mm×45 mm×25 mm,重约120 g。TCM相关热力学参数设置参照文献方法[7],其中相变点为18～26 ℃,潜热144 kJ/kg,热导率0.6 W/(m·K),比热1.7 kJ/(kg·K)。

TCM材料以管状封装,作为内墙保温材料紧密排布在墙体中,用量为10 kg/m2。TCM层是由TCM管和空气组成,其中TCM占体积百分率为38.45%。在模拟TCM层时,根据不同的加入方式,分成4种类型进行模拟,分别记做Type1,Type2,Type3和Type4,其相应墙体结构见表1。在模拟计算时将TCM视作一块20 mm厚的平板,Type1和Type2的模拟方式将TCM厚度计为7.69 mm,其余部分为12.31 mm的空气层。具体地,Type1是在基础墙体上从外向内依次加入空气层和TCM(7.69 mm)；而Type2是在基础墙体上从外向内依次入了铝箔、空气层和TCM(7.69 mm)。Type3和Type4是将TCM层视为20 mm后分布均匀的混合保温层,因此Type3是在基础墙体的机构上直接添加TCM(20 mm),Type4则是在基础墙体上从外向内依次加上了铝箔和TCM(20 mm)。上述TCM材料在模拟计算时的基础热力学参数设置如表2。

1.3 模拟计算

表1 不同的TCM嵌入形式及相应内墙保温层的构建

实验模拟参照文献方法[12],根据中国气候分区选定模拟房所在城市,调用Slab程序结合不同城市历史气温Weather File文件进行计算当地地温,随后将月平均地表温度带入模拟房文件中,调用预设房屋、墙体以及TCM材料参数构建模拟房,计算装有TCM控温板的模拟房(实验房)与未安装TCM控温板的空白对照房在中国不同气候地区全年制冷及制热能耗情况。数据处理中,模拟房全年能耗总和为全年制冷能耗和制热能耗相加而得。

表2 不同类型的TCM基础热力学参数

2 分析与讨论

2.1 TCM材料嵌入的方式优化计算

根据中国气候分区,筛选出五大气候区的代表城市进行初步优化计算,根据其地理位置自北向南五个代表性城市依次为:严寒地区-乌鲁木齐；寒冷地区-北京；夏热冬冷地区-上海；温和地区-昆明；夏热冬暖地区-海口。在上述五大气候区城市中分别进行四种不同TCM嵌入形式的模拟计算,其结果如图2。TCM材料在不同气候区城市的应用效果有着较为明显的差异,同时,TCM在墙体中的加入方式对模拟计算结果有着至关重要的影响。总体上说,四种不同的嵌入方式节能效果按照从高到低依次为:Type2>Type1>Type3=Type4。因此,嵌入形式为Type2的模型节能效果较为明显,而Type1,Type3和Type4的节能效果较差,在Type3和Type4的模拟过程中甚至出现了全年节能总量为负值的情况。文献研究已经证实TCM作为墙体保温材料可显著抑制室内气温波动,并降低制冷制热能耗[7-11]。因此,图示节能数值为负值的Type3和Type4型TCM嵌入方式显然不具有模拟代表性。Type1和Type2嵌入方式的主要区别在于后者嵌入时加入了铝箔包裹。根据图2中的计算结果可以看出Type2嵌入形式在5个代表城市中的节能效果均优于Type1,因此Type2型嵌入方式可以作为理想的TCM保温层使用方式。

同时,模拟计算结果还初步表明了Type2型TCM的节能效果在5个代表城市中节能效果从高到低依次为:乌鲁木齐(严寒地区)>北京(寒冷地区)>上海(夏热冬冷地区)>昆明(温和地区)>海口(夏热冬暖地区),该计算结果符合预期,因此可使用Type2模型进一步计算。

2.2 TCM在中国五大气候区代表城市中的应用分析

采用优选的Type2型嵌入方式进一步扩大TCM保温材料在我国五大气候区中25个代表性城市中的节能效果,相关计算结果按照节能效率自高至低排列于表3。根据计算结果可知TCM材料在中国严寒地区(灰色)、寒冷地区(蓝色)节能效果显著,年均节能比例可达到7%以上；而夏热冬冷地区(黄色)、温和地区(绿色)和夏热冬暖地区(橙色)的代表型城市中节能比例普遍在3%～7%之间。

表3 五大气候区代表城市全年控温能耗计算

考虑到TCM材料的工作原理为夜间储冷、放热,日间释放冷量并吸热,从而抵消室温浮动造成的控温能耗,达到降低全屋综合能耗的目的。因此,该材料应在温度跨度较大,昼夜温度可反复跨越TCM材料的相变温度区间(28 ℃)的地域。通过分析当地历史气温数据可知,以严寒地区和寒冷地区为代表的我国北方地区普遍昼夜温差较大,全年有较多日期昼夜气温均可跨越TCM的相变温度,因此可以最大程度地发挥该材料的节能控温效果。Tpye2的TCM保温层在上述地区呈现较好的节能效果,再次证实了该模拟方法的合理性。

综合表3中数据结果说明,本研究中使用的Type2型TCM控温材料通过调整组分将相变温度区间控制为28 ℃左右,从而在我国北方地区的严寒和寒冷地域普遍展现较好的节能效果。

2.3 TCM在我国北方地区的应用分析

基于筛选计算结果,本研究进一步扩大了TCM在我国严寒城市和寒冷城市中的筛选范围,计算了其在133个代表性城市中的控温效果,部分结果展现于表4(严寒地区)和表5(寒冷地区)中。通过计算结果可以看出,TCM材料在我国北方的严寒地区和寒冷地区普遍具有较好的节能效果,可以使房屋全年控温能耗降低7%以上。其中,TCM在我国严寒地区的城市中有较好的控温节能效果,部分城市节能效果高达26%～28%。以绥芬河和百灵庙地区为例,两地对照房全年控温能耗分别为19.3 GJ和17.1 GJ,其中制热能耗分别为18.8 GJ和16.2 GJ,上述供热能耗占全年控温能耗的比例高达97.4%和94.7%。TCM控温材料的使用可显著降低两地模拟房的制热能耗分别至13.0 GJ和11.5 GJ,从而使两地的全年控温能耗分别降至13.7 GJ和12.5 GJ。由于我国北方严寒地区普遍昼夜温差较大,TCM材料通过日间吸热夜间放热的方式可有效抑制该地区夜间的气温波动,降低全屋制热能耗,从而大幅降低建筑控温能耗。

表4 严寒地区代表城市全年控温能耗计算

从表5数据中可以看出,TCM控温材料对我国寒冷气候区城市也有不错的节能降耗效果,年均节能比例可达7%～9%。相较于严寒地区,寒冷地区城市所处环境相对温和,因此全年控温能耗普遍低于严寒地区。以寒冷地区代表性城市北京和济南为例,两地对照房全年控温能耗分别为9.34 GJ和9.38 GJ,其中制热能耗分别为6.67 GJ和6.27 GJ,上述供热能耗占全年控温能耗的比例为71.4%和66.8%。上述控温和制热能耗均远小于严寒地区城市。TCM控温材料的使用同样可以降低两地模拟房的制热能耗至6.05 GJ和4.76 GJ,从而使两地的全年控温能耗分别降至8.66 GJ和7.90 GJ。

表5 寒冷地区代表城市全年控温能耗计算

上述TCM在我国北方严寒和寒冷地区的应用模拟结果说明该地区主要控温能耗为制热能耗,而TCM材料可通过日间吸热夜间放热的方式降低全屋制热能耗,从而大幅降低建筑控温能耗,具有较好的应用前景和实用价值。

3 结 论

本项目采用Energy Plus软件建模优化TCM材料作为保温层加入建筑墙体的嵌入方式,并探究了其在我国各气候区中的控温节能效果。该材料可以在日间储热并在夜间放热,该特性普遍适用于我国北方严寒地区和寒冷地区。经测算,TCM的应用可以使我国北方地区模拟房全年控温能耗降低7%以上,部分地区可以达到28%,具有较好的应用前景,可产生较高的社会经济效益。