太阳能新风与相变复合技术对建筑热特性影响的分析_secret.doc

太阳能与相变复合技术对建筑热特性分析*基金项目：国家外国专家局重点项目（DZ20062100070）；建设部科技攻关项目（05-k3-26）；辽宁省教育厅科技攻关项目（2004D253）作者简介：于水（1983年生），硕士研究生，主要从事相变储能方面的研究。 于水1 冯国会1 王庆辉2 李威1 孙阳1 江向阳1（1沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳110168）（2辽宁省建设科学研究院，辽宁 沈阳110168）摘 要：可再生能源以及新型节能技术的开发及应用已成为学术界关注的重大问题，太阳能新风与相变储能复合技术的应用，不仅可以降低建筑能耗，而且能够改善建筑环境的舒适性，它的研究与开发对于能源的可持续利用具有重要的价值。通过建立以太阳能为热源的太阳能新风与相变地板房间，利用温度、热流巡检仪以及便携式热舒适仪等装置对太阳能新风与相变地板房间与普通房间的温度、热流、PPDPMV等参数对比实验。分析了冬季工况下太阳能新风与相变地板房间热特性，探讨太阳能新风以及相变储能技术对改善室内热环境，减少建筑能耗的可行性。研究表明，在相同的室外环境下，太阳能新风与相变地板房间的室内温度温度比普通房间高出12且温度波动幅度小于普通墙房间，提高了室内的热舒适性。新型材料和技术的使用使得公共建筑节能率低于50%。太阳能与相变复合技术为降低建筑能耗和改善建筑环境的热舒适性提供了新的方法。关键词：太阳能新风 相变地板 热特性 建筑能耗由于社会经济的迅速发展，人们对建筑环境的舒适性要求越来越高，使得建筑能耗也越来越高，如何在不提高建筑能耗同时提高建筑环境的舒适性，甚至可以达到节能效果成为绿色建筑的一个研究目标。太阳能新风与相变储能复合技术的应用为降低建筑能耗的同时改善建筑环境的舒适性提供一种新的途径。1 太阳能新风系统太阳能新风系统又称为“太阳墙”系统，其本质上属于被动式太阳能系统，该系统利用了可再生能源太阳能，使得建筑与大自然共同“呼吸”，可以提高建筑的热舒适性和降低建筑能耗。冬季，太阳能新风系统以为建筑提供新风，以及热量；夏季，可以防止太阳辐射产生的热量透过围护结构进入室内。太阳能新风系统有良好的新风系统，尤其对于密闭良好的建筑来说，冬季获取新风和保持室内适宜温度很难兼得，而该系统可以把预热的新鲜空气送入室内，解决了密闭良好建筑存在的问题；同时该系统还具有保护外墙、较高的经济效益等优点。2 相变地板在建筑上，相变储能技术常采用的形式为在建筑围护结构中加入相变材料，利用相变材料的特性进行储放能量，达到降低室内温度波动，提高热舒适性等。相变地板是相变储能技术应用的一个方面，根据热源形式狭义上可分为有源和无源相变地板。无源相变地板的最大优点就是不消耗不可再生资源，只需一次性投资。此次实验地点的相变地板采用以聚乙烯树脂封装有机相变材料和混凝土直接混合的形式，该定形相变材料避免了与混凝土直接混合使用的不稳定性和相变材料泄露等缺点，而且不会影响地板的承压能力，通过研究封装后的相变材料和混凝土混合后稳定性和材料的热性能都基本不变1。3 实测分析依据我国建筑节能要求的第三阶段，公共建筑节能率50%，辽宁省建设科学研究院综合试验楼节能改造工程率先响应了我国建筑节能要求，采用了多种新技术来降低建筑能耗，和改善室内热环境，其中采用了具有可研究性的太阳能新风和相变储能技术。为确定采用的新技术对建筑热环境和建筑能耗的影响、以及客观的评价建筑的热环境，试验采用了64路巡检仪测试系统和便携式热舒适仪等，测试和分析了室内温度、热流密度和热舒适性随时间变化，以及确定了实际建筑的围护结构的传热系数。此次试验选取了相变地板房间和普通地板房间、太阳能新风房间和无太阳能新风房间分别进行了对比试验。 3.1 太阳能新风技术应用实测分析太阳能新风系统是依靠太阳辐射使空气获得热量，只有在被加热空气温度大于设定温度1时候，系统才能够启动，为室内提供新鲜热空气，所以其使用时间是有限的。实验中系统的设定温度为19，太阳能新风口处空气温度如图1所示，可以看出在13:0015:30，两个多小时内可以提供高于21的新鲜热空气，从而提高了室内的温度和空气的质量。通过图2太阳能新风启停随时间的变化图（1代表启动，1代表停止）可以看出13:0015:30间太阳能新风是可以连续运行，一天内系统累计运行时间可以达到34个小时。由于实验地点为改造工程，建筑物朝向无法改变，所以实验房间的太阳墙板只能朝西安装，使得可获得的太阳光照时间有限，对于南向安装的太阳墙板的效果将比实际测试的结果要好的多。 图1 太阳能新风系统风口处温度随时间的变化 图2 太阳能新风系统启停随时间变化建筑环境的热舒适性评价指标常采用预测平均评价PMV（Predicted Mean Vote）和预测不满意百分比PPD（Predicted Percent Dissatisfied），ISO7730对PMVPPD指标的推荐值在0.50.5之间，相当于人群中允许有10的热感觉不满意2。由于实际条件的限制只能通过客观的测试来确定各项指标值。通过对太阳能新风房间和对比房间的热舒适值比较如图3和图4，可以看出太阳能新风房间的温度波动比较小，最大温度波动为2.25，平均PMV值为0.29，平均PPD为6.74%，而无太阳能新风房间的温度最大波动为3.13，平均PMV值为0.25，平均PPD为7.07%，而且太阳能新风房间的平均温度比对比房间的温度高出12，从而可以看出太阳能新风房间的热舒适性要好于对比房间的热舒适性，而且可以降低一部分建筑热负荷。由于送风的风速较小，工作区处的风速几乎为零，因此风速对室内的热舒适性的影响可以忽略。 图3 有太阳能新风房间热舒适性图 4 无太阳能新风房间热舒适性3.2 相变储能技术应用实测分析通过图5地板表面热流密度随时间的变化曲线和图6室内温度随时间变化曲线可以看出相变地板表面热流波动比较大，主要在夜间1:305:00左右室外气温最低的时候出现负值，即相变地板在室外和室内温度相对较低的时候向室内释放能量，使得室内温度变化的幅度比较小，进而提高了室内环境的热舒适性；而普通地板房间地面的热流变化幅度比较小，而且一直是正值，即普通地板不能向室内释放能量。同时相变地板房间的室内温度比普通房间的温度高出12。 图5 地板表面热流密度随时间的变化曲线 图6 空间温度随时间的变化曲线通过对相变地板房间和普通地板房间的热舒适性比较如图7和图8，可以看出相变地板房间的温度波动比较小，最大温度波动为1.94，平均PMV值为0.13，平均PPD为5.33%，而普通房间的最大温度波动为2.52，平均PMV值为0.27，平均PPD为6.51%，从而可以看出相变地板房间的热舒适性要好于普通地板房间的热舒适性。 图7 相变地板房间热舒适性 图8 普通地板房间热舒适性3.3 围护结构传热系数建筑围护结构传热是房间冷热负荷和建筑能耗的重要组成部分，同时其在维持稳定的室内热舒适性和实现建筑节能方面起着关键的作用，其中外墙的热损失约占45%，其余热损失分别（约）为：屋顶5%，地板3.5%，门窗传导20.5%，换气22%，所以需要在重点要搞好外墙的保温的同时采用新技术来进一步降低建筑能耗和改善室内热环境。依据围护结构的内外表面温差以及内围护结构的热流确定实验房间不同材料围护结构的实际传热系数（）如下表：表1 围护结构传热系数围护结构形式墙体窗体屋面材料聚氨酯硬泡聚苯板聚氨酯板普通玻璃low-e玻璃聚苯板设计传热系数(W/m2.k)0.480.480.482.51.90.35实际传热系数(W/m2.k)0.240.440.312.011.40.31实际改造公共节能建筑围护结构的传热系数是依据50%设计的，通过表1可以看出实际检测的围护结构传热系数要小于设计的围护结构的传热系数，也就是实际节能率将大于50%，同时室内的热舒适性也得到提高。4 结论(1) 太阳能新风系统可以提高了室内空气的质量和热舒适性， 太阳能新风房间比无太阳能新风房间的温度提高12，尤其在日照充足的冬天，最高可以将室外空气加热到40左右。(2) 无源相变地板仅需一次投资，即可在建筑使用寿命内长期收益，可以减小室内温度的波动，在夜间最低气温时1:305:00为室内提供白天储存的能量，提高了室内的热舒适性。(3) 改造后的节能建筑在舒适性上都满足了ISO7730对PMVPPD指标的推荐值，不满意的人群低于10%，而且对于采用了新技术的房间的不满意人群百分比要低于未采用新技术的房间。(4) 新型材料和技术的使用使得改造的节能建筑的节能率大于50%。相变储能和太阳能新风技术为解决降低建筑能耗和提高室内热环境这一矛盾体提供了一个新的途径。参考文献1 秦鹏华,杨睿,张寅平,林坤平. 定形相变材料的热性能J.清华大学学报(自然科学版),2003,43(6):833-8352 ASHRAE.ANSI/ASHRAE 55-1992. Thermal environmental conditions for human occupancy M. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning EngineersInc,19923 金招芬,朱颖心.建筑环境学M.北京:中国建筑工业出版社,2001. 4 曹广宇. 夜间通风相变墙房间热性能研究D 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，2005.5 张寅平,胡汉平,孔祥冬,等.相变贮能理论和应用M.合肥：中国科技大学出版社，1996.6 Zhong,Zhipeng. Thermal performance study in PCW room with ventilation in night.Beijing:Tsinghua University, 2001.7 Gulseren Baran, Ahmet Sari. Phase change and