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user: 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%。 Table 2 Effects of PCMs on thermal comfort in different urban climate 城市 气候 最佳窗墙比 最优遮阳系数 舒适增加时长 无PCMs舒适时长占比 有PCMs舒适时长占比 巴塞罗那 夏干温暖气候(夏季温暖型) 20% 90% 1568 60.0% 79.1% 毕尔巴鄂 常湿温暖气候(夏季温暖型) 30% 70% 1699 61.5% 81.2% 马德里 夏干温暖气候(夏季温暖型) 20% 90% 1533 60.3% 78.8% 塞维利亚 夏干温暖气候(夏季炎热型) 10% 90% 1086 59.0% 70.5% 索里亚 常湿温暖气候(夏季温暖型) 50% 50% 1559 59.8% 87.5% 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。 Table 3 Effects of phase change materials on building temperature in different climate 序号 相变温度 城市 气候 PCM对温度影响 1 [ 7 ] 26℃ 巴塞罗那 Csb 增加舒适度时长1568 h 毕尔巴鄂 Cfb 增加舒适度时长1699 h 马德里 Csb 增加舒适度时长1533 h 塞维利亚 Csa 增加舒适度时长1086 h 索里亚 Cfb 增加舒适度时长1559 h 2 [ 8 ] 28℃ 毕晓普 Csb 增加舒适度时长19% 汉福德 Cfa 增加舒适度时长12% 3 [ 9 ] 23℃~26℃ 多伦多 Dfb夏季 最高温度降低8℃ 多伦多 Dfb冬季 温度差异不大 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。 Table 4 Related performance index of PC 状态 T s T p T e I PCM [kJ/kg] RT20 [ 22 ] 熔化 18 21 23 138.3 凝固 22 22 19 143.4 RT25 [ 23 ] 熔化 22 25 26 133.7 凝固 26 25 22 139.6 RT27 [ 24 ] 熔化 27 28 29 144.9 凝固 29 27 28 149.2 表4. PCM相关性能指标 Table 5 The energy-saving effect of urban building in different climate 城市 国家 气候 PCM类型 PCM用量/kg PCM /m 2 模拟月份/季节 节能效果 克卢日 罗马尼亚 常湿冷温气候(夏季温暖型) RT20 1.20 5-9 39% 布加勒斯特 罗马尼亚 常湿冷温气候(夏季炎热型) RT20 1.29 4-9 39% 布达佩斯 匈牙利 常湿温暖气候(夏季温暖型) RT20 1.87 5-9 36% 巴黎 法国 常湿温暖气候(夏季温暖型) RT20 1.31 6-9 27% 米兰 意大利 常湿温暖气候(夏季炎热型) RT25 1.68 4-19 33% 柏林 德国 常湿冷温气候(夏季温暖型) RT25 1.42 5-8 41% 塞维利亚 西班牙 常湿温暖气候(夏季炎热型) RT25 1.08 4-9 31% 卡泰里尼 希腊 温带草原气候 RT25 1.28 6-9 12% 罗马 意大利 夏干温暖气候(夏季炎热型) RT25 1.11 6-9 7% 布莱斯 美国 亚热带沙漠气候 RT27 2.55 1-11 30% 开罗 埃及 亚热带沙漠气候 RT27 2.60 1-11 37% 菲尼克斯 美国 亚热带沙漠气候 RT27 2.70 1-11 26% 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。 Table 6 Effects of phase change materials in different climates on building energy efficienc 序号 相变温度 城市 气候 节能率 1 [ 11 ] 26℃ 玛瑙斯 Am −9.0% 加尔各答 Aw 1.4% 印多尔 As 3.3% 阿布达比酋长国 Bwh 1.8% 拉斯维加斯 Bwk 2.6% 塞维利亚 Csa 3.5% 亚的斯亚贝巴 Cwb 12.0% 奥马哈 Dfa 1.5% Linxi Dwb 1.9% 2 [ 12 ] 18℃~23℃ 克卢日 Dfb 39% 布加勒斯特 Dfa 39% 布达佩斯 Cfb 36% 巴黎 Cfb 27% 22℃~26℃ 米兰 Cfa 33% 柏林 Dfb 41% 塞维利亚 Csa 31% 卡泰里尼 BSK 12% 罗马 Csa 7% 27℃~29℃ 布莱斯 BWh 30% 开罗 BWh 37% 菲尼克斯 BWh 26% 3 [ 13 ] 25℃~27℃ 北京 Dwa 10.22% 巴黎 Cfb 19.57% 亚特兰大 Cfa 17.82% 广州 Cwb 8.76% 4 [ 14 ] 29℃ 安卡拉 Csa 57.1% 塞维利亚 Csa 29.3% 马赛 Csb 52.7% 那不勒斯 Csb 47.6% 雅典 Csb 27.0% 5 [ 15 ] 21.7℃和25℃ 多伦多 Dfb 6% 温哥华 Csb 31.5% 表6. 不同气候下相变材料对建筑节能效率的影响