ABSTRACT

Phase change materials (PCMs) have great potential to stabilize indoor temperature fluctuation and improve thermal comfort when be applied in modern building. This type of material can also increase the energy saving by absorbing clean solar energy to achieve peak clipping. The influence of PCMs on building indoor temperature and energy consumption at different climate conditions were discussed in this paper. In various climate conditions, different types of PCMs with distinct melting points should be selected. PCMs are suitable to be applicated in locations with high altitude or places with large temperature difference between daytime and night, but not applicable to constantly hot or cold zone. Two types of PCMs with different melting temperatures should be considered in the areas with distinct climate between seasons. In the case of constant climate, PCM with the melting temperature of 20˚C - 26˚C should be considered.

Keywords:Phase Change Materials, Climate, Temperature, Energy Saving

相变材料在不同气候区域的建筑节能率及舒适度研究

李帆^*，陈红霞，武发德，朱清玮，戚婷婷，张晓菲

北新集团建材股份有限公司，北京

收稿日期：2019年4月21日；录用日期：2019年5月6日；发布日期：2019年5月13日

摘 要

相变材料(Phase change materials, PCMs)在现代建筑材料中应用，具有稳定室内温度波动、提高热舒适性的巨大潜力；利用清洁能源太阳能，存储/释放热量，可降低建筑能耗，或达到削峰填谷的作用。本文重点讨论了不同气候条件下，PCMs对建筑室内温度和建筑能耗的影响；不同气候区域需选用不同相变温度的PCMs。PCMs适合应用在高海拔或早晚温差较大的地区，而不适宜应用在常年炎热或寒冷地带；四季气候分明的地区可采用两种相变温度的PCMs，而四季温和地区可采用相变温度为20℃~26℃的PCMs。

关键词 :相变材料，气候，室内温度，节能效率

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1. 引言

近年来，化石能源消耗和二氧化碳排放已导致全球环境问题 [1]。调查表明，2015年，包括住宅和商业建筑在内的建筑行业占全球能耗的近21%。随着人们生活水平的提高，对家电、个人设备和商业服务的需求增加，建筑用电量每年增长2%；2015年至2040年建筑能耗预计将增长32% [2]。这种增长推动了可再生能源利用的研究，尤其是太阳能。然而太阳能具有间歇性、不稳定的特点，解决的办法之一是利用热能存储技术。利用储存介质以热能的形式吸收和释放，达到削峰填谷的作用，最大限度地降低建筑的空间采暖/制冷能耗 [3] [4]。潜热蓄能被认为是在热能储存中最有前景的技术，因为它具有稳定的工作温度，较高的能量密度 [5]。

近年来PCMs的研究备受关注，将PCMs应用到储能系统中是目前最先进的提升能源使用效益的技术。当温度高于相变温度时，PCMs吸收热量，形成了热能的储备；当温度低于相变温度时，相变储能材料可以释放热量；将PCMs应用在建筑中，不仅可以缓解室内温度波动，提升室内舒适度，减少负荷，降低建筑能耗，还能降低化石能源使用，降低二氧化碳排放 [6]。但PCMs在建筑的热性能受材料本身特性、建筑结构、地理位置、气候差异等因素的影响，限制了其在建筑中的应用。因此，本文综合考虑PCMs本身特性和全球气候的分布，分析总结不同气候下PCMs对室内温度调控的情况 [7] [8] [9] [10]，并对其建筑节能效率 [11] [12] [13] [14] [15] 进行评价，最终给出不同气候条件区域下，相变材料选用方面的建议。

2. PCMs的选择

在建筑中应用PCMs，能够强化建筑的隔热功能，降低建筑物室内的热流波动，保证室内环境的舒适性，降低建筑物空调和供暖系统运载负荷，减少能源消耗 [16]。有研究者以相变温度和相变潜热为变量建立了一个PCMs的数据库 [17] [18]，数据库中有300多种可应用的PCMs，部分或全部满足应用的基本要求，如相变焓值高、相变过程体积变化小、导热系数高、耐老化、化学性质稳定、无毒、不易燃等。如图1体现了这些物质的相变温度与相变潜热的关系图，图1(a)中不同颜色意味着不同应用领域的相变材料。黑色代表可在商业中应用的PCMs，相变温度有高有低，可根据商业需求选择适宜的相变材料；绿色代表适用于生活环境的相变材料，相变温度在18℃~30℃，相变焓值在90 kJ/kg~250 kJ/kg；蓝色代表应用于冷却系统的相变材料；红色代表可用于保温系统的相变材料。图1(b)不同颜色代表了不同类型的相变材料，如包括石蜡、脂肪酸、无机水合盐等。如紫色代表石蜡类，C14相变温度在4℃~5.5℃，焓值在150 kJ/g~230 kJ/g，C16相变温度在17℃左右，焓值在230 kJ/g左右。根据建筑对PCMs的要求，选定适宜相变温度，在数据库中为给定相变温度选择相变点潜热较高的物质；同时综合权衡PCMs在化学、热力学、动力学和经济性等多方面因素 [19]，最终在数据库中选出最佳的相变材料。

图1. PCMs数据库 [17]

3. 全球气候分布情况

相同的PCMs建筑条件，不同气候条件下，其PCMs对室内温度调控的情况及建筑节能效率不同。而气候是大气物理特征的长期平均状态。它具有稳定性，但受纬度位置、海陆分布、地形地势、大气环流、洋流等因素的影响。本文采用Koppen-Geiger [20] 气候分类方法在全球形成了31个不同的气候区域，如图2，气候详细内容见表1。

图2. Köppen-Geiger世界地图气候分布图 [20]

表1. 颜色、代码、气候对应表

本文涉及的地区气候均采用柯本气候分类法进行分析总结。以便获得不同气候区域对建筑室建筑节能率及室内舒适度的影响规律。

4. 不同气候下，PCMs在建筑中的应用

PCMs在建筑中的相变蓄能作用是由于发生了相变效应，PCMs相变效应取决于温度是否达到相变温度 [21]。而PCMs的相变功效主要体现在室内温度变化及建筑能耗指标。

4.1. 不同气候下，PCMs对建筑室内温度的影响

Ubinas等 [7] 建立试验房和对照房，将两者对比研究，用于验证PCM express模拟的准确性，比较了西班牙五个不同城市PCMs、窗墙比及遮阳系数等变量对室内温度的影响。研究表明，PCMs有助于增加室内体感舒适度的时间，降低热峰值，减少室内温度波动。然而，不同城市气候下PCMs对热舒适性的影响不尽相同，如表2，五个城市中，PCMs可使热舒适时间增加超过1000 h，尤其毕尔巴鄂增加1699 h。索里亚全年热舒适度时间占全年时间的87.5%，与无PCMs相比，增加27.7%，而塞维利亚热舒适度增加最少，仅增加11.2%。在最佳参数下，与无PCMs相比，PCMs降低了室内温度峰值如图3所示，结果表明PCMs使热峰值降低6℃，内部温度波动降低60%。

表2. 不同城市气候下PCMs对热舒适性的影响

图3. PCMs对峰值温度降低的影响 [7]

Sharifi等人 [8] 利用典型气候的年度数据进行计算模拟，研究了不同城市掺有PCMs的墙板的建筑热性能。结果表明PCMs的效率受环境温度的影响。所采用PCMs的相变温度为28℃，焓值为151 kJ/kg，体积掺量为50%，在毕晓普(CA，常湿温暖气候-夏季温暖型)地区，室内不舒适时长减少了19%，而汉福德(WA，夏干温暖气候-夏季炎热型)地区不舒适时长减少了12%。

由此可见，相同的PCMs在不同地区体现的相变效应不同，同样，相同地区不同季节，PCMs的应用效果也不相同。Siddiqui等人 [9] 使用TRNSYS分别模拟多伦多地区冬季和夏季PCMs对建筑室内温度变化的影响，如图4。在冬季，有、无PCMs的室内温度变化趋势相同；在夏季，相变房间(PCMs掺量为20%)室内最高温度较无PCMs相比，降低了8℃，与5.08 cm厚水泥板相比，降低近4℃，且温度峰值后移。Kuznik和Virgone1等人 [10] 具有相同研究成果，夏季和春秋季节PCMs对室内温度调控更明显。

图4. 多伦多气候条件下室内温度曲线((a)冬季，(b)夏季) [9]

本文分析总结了不同气候下PCMs对建筑室内温度的影响规律，如表3，通过增加舒适度时长小时数，增加舒适度时长百分比或室内最大温差来表征。结果表明，对于温带气候地区，温和性气候(b)较炎热型气候(a)，PCMs能发挥更大的作用。此外，相变建筑所处环境温度需在PCMs的相变温度上下波动，PCMs才能实现对温度进行调控的作用。

表3. 不同气候下相变材料对建筑温度的影响

4.2. 不同气候下，PCMs对建筑节能的影响

Saffari等人 [11] 采用EnergyPlus v8.4与GenOpt®v3.1.1模拟不同气候下，PCMs对建筑能耗的影响。结果表明，建筑室内应用PCMs的相变温度应在20℃~26℃之间，PCMs的最佳相变温度与气候条件密切相关。一般来说，在以需要降温为主导的气候地区，PCMs的最佳相变温度是26℃，而在以加热为主导的气候地区，PCMs的最佳相变温度是20℃。在大部分的高海拔地区，使用PCMs技术可以大幅度降低建筑能耗，节能率大于10%。相反，在赤道–季风气候区的建筑使用PCMs会增加建筑能耗。因此，建筑中应用PCMs应根据不同的气候来确定PCMs的相变温度，使其最大发挥相变效应，实现建筑总能耗的降低。

Pop等人 [12] 根据表观热容随温度的变化开发了PCMs热行为的模型，研究了三种PCMs (性能如表4)在12个不同气候下建筑冷却系统的节能效果，如表5。由表可知，Df (常湿冷温气候)应用PCMs，节能率高达40%左右，Cf (常湿温暖气候)与BWh (热带沙漠气候)节能率比较相似，在26%~37%之间，BSk (温带草原气候)和Cs (地中海型气候)节能率较低，为10%左右。

表4. PCM相关性能指标

表5. 不同气候下城市建筑的节能效果

Wu等 [13] 采用热湿耦合传递(HAMT)模型，分析了中国北京和广州、法国巴黎、美国亚特兰大四个典型的气候下PCMs对建筑节能效率的影响。PCMs相变温度为25℃~27℃时，在夏季PCMs有较好的相变效应，使建筑达到了较高的节能效率。北京、广州、巴黎和亚特兰大，建筑节能效率分别为10.22%、8.76%、19.57%和17.82%。巴黎和亚特兰大有更高的节能效率，是因为这两个城市的气候温和，室外温差很大。而广州常年温度较高，长期高于PCMs的相变温度，PCMs实现相变储能放热过程的天数有限，因此节能效率最低。

Ascione等 [14] 基于“一维传导有限差分”方法，依据热平衡，研究了五种不同气候下，建筑节能效率与PCMs相变温度(26℃、27℃、28℃、29℃)、PCMs墙板厚度(0.5 cm、1 cm、2 cm、3 cm)的相关性。结果表明，相变温度是影响节能效率的主要因素，PCMs最优相变温度为29℃，PCMs墙板最佳厚度为3 cm。但在不同气候下，节能率有所不同。在温带大陆性气候的安卡拉(Ankara土耳其)节能率高达57.1%，相同气候的塞维利亚(Seville西班牙)节能率仅为29.3%，地中海气候三个城市，马赛(Marseille法国)和那不勒斯(Naples意大利)具有较高的节能率，分别为52.7%和47.6%，而雅典(Athens希腊)仅为27.0%。

Berardi等 [15] 将两种熔融温度(熔化温度为21.7℃和25℃)的复合PCMs系统集成到高层公寓中，利用Energy Plus TM软件模拟量化，研究了多伦多(温带大陆性湿润气候)和温哥华(温带海洋性气候)气候条件下公寓建筑室内温度和建筑能耗的变化，评价了这种复合PCMs系统的有效性。结果表明，复合PCMs系统通过降低温度波动，改善了室内温度；多伦多和温哥华的制冷能源需求分别减少了6%和31.5%。

上述各研究均表明，应用PCMs建筑的能耗与其区域气候相关，为实现更高的相变效应，还需要根据当地气候选择适宜的相变温度。此外，Xie等人 [25] 研究了中国五个不同地区使用PCMs墙板的热工性能，PCMs墙板在不同区域的传热能力和热性能在不同月份出现显著变化。Ye等人 [26] 提出采用ESI的概念从能量的角度直观地评估组件或材料的性能。当ESI > 0，表示检测的材料或元件节省的能量多于浪费的能量，表明该材料或元件是节能的；当ESI < 0，意味材料或组件浪费能源，不建议使用。结果表明，实验房应用PCMs相变点区间为33.41℃~38.79℃，北京、上海地区PCMs墙板的ESI大于零，但数值远小于保温材料(EPS)，对于广州，ESI小于零，该地区不适宜应用此相变区间的PCMs。

本文分析总结了不同气候下PCMs对建筑节能效率的影响规律，如表6，通过节能率来表征，不同研究者因采用模型不同，相同气候下节能效率差异较大，但仍可参照对比。结果表明，热带气候(A)不适合将PCMs应用于建筑中；对于沙漠(B)或高山气候，昼夜温差大，白天具有充足的太阳能，更适合应用PCMs；同时与上述结论相似，温带气候地区，温和性气候(b)较炎热型气候(a)，PCMs建筑具有更高的节能效率。

表6. 不同气候下相变材料对建筑节能效率的影响

5. 结果与建议

相变材料应用在建筑中主要考虑其相变温度、相变潜热和价格情况。建筑室内所应用相变材料的相变温度范围应为18℃~34℃。在不同气候条件下，相变材料起到的作用不同，结论如下：

一是针对温度长期偏高或长期偏低的地区，不适宜使用相变温度与环境温度相差较大的相变材料；而在高海拔地区或早晚温差较大的地区，更适合采用相变材料。

二是针对四季分明的地区，可采用两种熔点的相变材料，以加热主导的气候适合采用低熔点相变材料，以冷却主导的气候适合采用高熔点的相变材料。

三是针对一年四季气候变化不大的地区，适合采用相变温度为20℃~26℃左右的相变材料，缓解室内波动，提高环境舒适度。

同一地区，节能效率存在很大差异。因为目前相变材料对建筑节能多采用软件建模数字模拟或小型装置来演示，不能代表相变材料对建筑实际产生的作用。因此，建议今后更多研究能够从实际出发，使用建筑实际数据来进行分析，这样才会更利于相变材料的推广应用，降低建筑能耗，减少化石能源的消耗和二氧化碳的排放。

基金项目

“十三五”国家重点研发计划“功能型装饰装修材料的关键技术研究与应用”(2016YFC070090000)。

文章引用

李 帆,陈红霞,武发德,朱清玮,戚婷婷,张晓菲. 相变材料在不同气候区域的建筑节能率及舒适度研究
The Effects of Phase-Change Materials on Building in Different Climatic Regions: En-ergy Saving and Indoor Thermal Comfort[J]. 材料科学, 2019, 09(05): 437-446. https://doi.org/10.12677/MS.2019.95056

参考文献