控温材料对太阳能采暖效果的影响

     作者：郑晓蒙              

    本文利用被动式太阳能实验房进行了温控材料的环境调控性能的实验研究，根据不同采暖工况及TCM布置方式，重点探讨温控材料对被动式太阳能采暖房屋热稳定性、热舒适性的影响，为未来太阳能建筑的推广应用提供参考。

    1实验概要

    1.1实验对象

    本研究对象为一栋被动式太阳能实验房和一栋对比房，建筑面积均为2 700 mmx3 000 mm，高度为3 000 mm(图1)。 

    实验房的南外墙由200 mm厚混凝土外加120 mm厚XPS保温板组成，外墙表面布置有太阳能空气集热模块，其余墙体均由200 mm厚矿渣空心砖外加120 mm厚XPS保温板组成：墙内侧为15 mm的石灰砂浆表面涂层，外侧为20 mm厚的水泥砂浆表面涂层。实验房屋由120 mm厚混凝土板、200 mm厚空气间层、200 mm厚XPS保温板和轻钢屋面板构成。对比房的屋顶由120 mm厚混凝土板、80 mm的XPS保温板和轻钢屋面板构成。由于集热模块和空气层的影响，实验房的基础室温较对比房高1.5 0C，这点在后面的分析中已经考虑。

    实验所采用的TCM是加拿大查韦环境研究院研究开发的新型节能环保建筑材料，经中国国家建筑材料测试中心检验,30 mm厚TCM墙板的传热系数为0.26 W/(m2.K)。封装后的TCM产品如图2所示。利用预制塑料膜安装袋，紧贴墙壁面安装，钉于墙壁面预先安装好的木条上，袋中插入“TCM管”，按照5 kg/m2布置。为了便于热流和内表面温度的测量，用30 cmx30 cm的石膏板覆盖，安装和测点布置如图3所示。

     1.2实验方法

    测试参数包括室外气象参数及室内空间温度分布、相对湿度、内外表面温度、黑球温度、热流等。室外气象参数由E-LOG里氏气象站获得，每隔10 min自动记录太阳辐照度、室外温湿度及风速和风向。实验房和对比房室内空气温湿度、黑球温度及通过围护结构的热流分别采用TR-72U温湿度自记仪、JNT-04黑球辐射温度计和JNT-06多通道温度和不均匀辐射仪测量。实验工况列于表l。测试时间为2014年3月2～19日。为确保实验数据对比的有效性，给出了几种运行T况的室外太阳辐射照度以及室外空气温度的变化（图4、图8）。室外空气温度变化基本一致，太阳辐射照度除3月13日的部分时间段有波动外，其余工况基本相同。 

    2数据分析及结果

    2.1对室内空气温度的调节作用

    图5为不同采暖方式下，TCM布置面积和位置对室内温度变化的影响=按照测试仪器的设定，每一种工况的记录时间均为0：00~24:00。

     由图5的拟合曲线可知：在工况相同的情况下．太阳能空气采暖实验房较对比房的室内平均温度Tin分别提升2.0，4.3，5.4，5.9℃（表2）。 

    图6为4种TCM布置条件下，太阳能空气采暖实验房室内温度的逐时变化。 

    由图6可知：①太阳能空气采暖系统白天工作时，实验房工况5与工况4相比，室内空气温度相差不大；实验房T况4的室内空气温度略高于工况3，这是因为TCM强化了外围护结构的保温；②在夜间的非采暖阶段，TCM呈现良好的蓄放热特性，白天储存的热量向室内散热，抑制了室温的波动。测试结果表明，实验房工况5的室温分别较工况4和工况3约高1.5 cC和3.3℃。

    2.2房屋的热稳定性

    图7所示为实验房不同墙面布置TCM前后的壁面温度和热流变化。由图7可以看出，在8:00～17:00的采暖期间，当TCM分别布置在北墙和顶棚，可以使壁面温度提高2~4 oC：当TCM分别布置在东西北3面墙上，虽然壁面温度整体有听提高，但是并不明显。在非采暖时间内，当TCM布置在东西墙，布置前后的壁面温度差值为2~3℃：当TCM布置在北墙和顶棚，布置前后的壁面温度差值仅为0.5～1 0C。

     当围护结构和室内物体的吸热能力越大时，室内的温度波动越小，其热稳定性也越好。为了说明图7中所出现的差异性，通过吸热系数B来进行分析㈣。吸热系数B是表征围护结构表面的热流波幅与热流所引起周围介质的温度波幅之比，其表达式为

     式中：y1为围护结构表面的吸热系数，W/( m2.oC)；aB为围护结构内表面的对流换热系数，

W／(m2．℃)。

    对于垂直表面，aR=3.08 W/( m2.℃)。对于水平面，当屋顶内表面温度低于室温时，取aB=4.05W／(m2．℃)；当屋顶内表面温度不低于室温时，取a8.0.92 W/( m2.℃)。不同围护结构表面的吸热系数如表3所示。 

    对于不同工况下的B值分析如下。

    东西墙布置TCM的前后，在采暖时段的B值之和分别为0.203  W／( 1112．℃)和0.208

W/( m2．℃)；布置TCM前后，在采暖工况下的吸热能力基本相同。相同布置工况和采暖条件下，北墙和顶棚的B值之和分别为0.249  W/( m2.℃)和0.228  W/( m2．oC)。这说明北墙和顶棚布置TCM所引起的壁面温升较东西墙布置TCM所引起的壁面温升大。

    在非采暖期间，对应于上述相同的布置工况，东西墙B值之和分别为0.04 W/(m：．℃)和0.018 W/( m2.℃)，北墙和顶棚B值之和分别为0.025 W／(m2.oC)和0.029 W/(m2．℃)。这说明在非采暖期间，北墙和顶棚布置TCM对内壁面的温升效果不及在东西墙布置TCM。

    以上分析与图7显示的数据趋势基本一致。这说明在采暖期间，适当增加北墙和顶棚的

TCM布置量更有利于提高室内热稳定性：在非采暖期间，应尽量增大东西墙的TCM布置量。

    2.3平均辐射温度

    采用平均辐射温度分析TCM在不同布置工况下对室内热舒适性的影响。图8是不同布置工况下实验房平均辐射温度随时间的变化。为了便于分析，给出几种工况的室外空气温度作为参照，除最不利工况外，其他工况的温度基本相同。在白天采暖期间，没有明显地表现出平均辐射温度的差异。在夜晚非采暖期间，工况5的实验房平均辐射温度较其余3种工况的平均辐射温度依次高出了3.5.4.5，5.5℃：工况4的实验房平均辐射温度较工况3的平均辐射温度提升了1℃左右。

     图8中虚线框所示区域表示在室外空气温度处于最不利条件下的平均辐射温度的变化。可以看出，在最不利条件下，室外温度在-2.5～0℃波动，而室内平均辐射温度并没有表现出波动。这说明TCM通过自身的蓄放热特性抑制了平均辐射温度变化，提高了室内热舒适性。

    2.4不均匀辐射

    图9是利用多功能室内环境无线测量系统得到的集热器送风时的室内温度场分布图。在采暖阶段，集热模块送风方向始终正对北墙区域。靠近出风口处的温度较高，远离出风口处的温度较低，导致温度场分布不均匀。各个围护结构表面通过辐射和对流得到的热量也不同，进而造成表面辐射温度的差异，产生不均匀辐射。 

    图10和图11分别是利用红外热像仪所得到的，在实验房北墙和东墙布置TCM前后的壁面温度场分布图。可以明显看出，北墙和东墙布置TCM后，白天增强了墙体蓄热，夜间提高了外墙内壁面温度。

     为量化分析TCM对不均匀辐射的影响，以垂直于东西墙中间的平面作为分界面，将实验房划分为南半空间和北半空间。将Rlog-7730型热舒适仪的测试面以垂直微小面放置，测试有无TCM时两个空间的不均匀辐射量，其结果如图12所示。根据实测数据可得，实验房在工况5的条件下可以使不均匀辐射量降低20%左右。这进一步说明布置TCM可以提高室内热舒适性。 

    3结论

    在太阳能空气采暖建筑中，采用控温材料(TCM)可以有效地抑制室内温度的昼夜波动。

TCM的布置位置对室温调控效果的影响较大。实验证明，将TCM布置在北外墙和顶棚，其调控效果好于将TCM布置在东西墙。TCM可以降低围护结构的不均匀辐射。在东墙、西墙、北墙和顶棚布置TCM.均比无布置TCM时的不均匀辐射降低20%左右。

    4摘要：分析了控温材料(TCM)在不同采暖方式及不同布置形式下对室内温度的影响；利用吸热系数B分析了TCM对房屋热稳定的影响；比较了各布置工况的平均辐射温度及布置前后的不均匀辑射变化；研究了对室内热舒适性的影响。研究结果显示：在太阳能采暖系统停止工作的夜间，TCM可以抑制室温的波动；太阳能空气采暖系统白天工作时，增大北墙和顶棚的TCM布置量，夜间非采暖阶段增大东西墙的TCM布置量，更有利于提高房屋的热稳定性：东西北墙和顶棚布置TCM，比无TCM布置时的辐射不均匀度降低了20%左右。