李春瑩 趙 帆 唐海達(dá)

(1.深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院/本原設(shè)計(jì)研究中心，廣東 深圳 518000；2.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210036)

1 概述

近年來，高等教育事業(yè)發(fā)展迅速，全國高校數(shù)量和在校學(xué)生人數(shù)逐年增長。在快速發(fā)展的同時(shí)，高校的能源和資源消耗量顯著增長[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國大學(xué)數(shù)量已達(dá)2 000余所，在校學(xué)生人數(shù)達(dá)2 300多萬，大約消費(fèi)社會總能耗的8%。數(shù)據(jù)顯示，我國大學(xué)生生均能耗、水耗分別是居民人均能耗的4倍和2倍。校園人口密集，建筑數(shù)量龐大，用能相對集中，具有巨大的節(jié)能潛力[2]。本文探討一種基于相變蓄熱技術(shù)的活動遮陽，可廣泛用于高校既有宿舍建筑的節(jié)能改造。

2 相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

相變蓄熱技術(shù)主要是利用相變材料(PCMs)進(jìn)行能量的儲存與釋放，是一種高效、綠色、節(jié)能的能量利用技術(shù)。相變材料具有儲能密度大、溫度恒定、過程易控制、可以多次重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能、電力、余熱利用等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外學(xué)者將相變材料用于建筑節(jié)能領(lǐng)域，利用相變材料的相變潛熱來貯存熱量，從而提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱容，改善室內(nèi)熱環(huán)境，能夠有效降低建筑能耗并提高舒適度。

王昭俊[3]和李元昊等[4]將相變材料用于建筑墻體，對其傳熱理論與保溫性能進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并基于研究結(jié)果進(jìn)行性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。張存寶[5]和石峰等[6]學(xué)者研究了相變材料在建筑屋面中的應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)，證實(shí)將相變材料應(yīng)用于屋面可降低建筑的制冷負(fù)荷，同時(shí)改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境。孫高峰[7]和張國君等[8]研究了雙層及三層玻璃的空腔中添加相變材料的相變窗的傳熱特性，證實(shí)其可起到遮陽隔熱作用，從而有效降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，節(jié)約建筑運(yùn)行成本。劉昌宇[9]將相變材料用于玻璃屋頂，并針對其光熱傳輸特性進(jìn)行分析。

建筑節(jié)能相關(guān)研究表明窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量交換最為顯著的部位，其引起的采暖和制冷能量損失往往占到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的一半以上。因此，窗體節(jié)能是建筑節(jié)能的重要組成部分，其設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適與空調(diào)、照明系統(tǒng)能耗等因素。合理設(shè)置建筑遮陽構(gòu)件可阻隔或降低太陽輻射熱量進(jìn)入室內(nèi)，提高制冷季節(jié)的室內(nèi)熱舒適度，減少空調(diào)使用，從而有效降低建筑能耗;遮陽構(gòu)件亦可避免室內(nèi)眩光問題，使光照分布更加均勻，提高室內(nèi)光環(huán)境舒適度，并減少人工照明的使用，進(jìn)一步降低建筑能耗。

值得注意的是，前述將相變材料用于窗體的隔熱遮陽技術(shù)，雖然節(jié)能效果較好，但由于相變材料在固體狀態(tài)時(shí)的不透光特性，可能遮擋視野，不利于室內(nèi)人員觀賞室外景觀，并影響建筑物的美觀性。基于此，本文提出將相變材料用于可調(diào)節(jié)角度的遮陽構(gòu)件，安裝于新建或既有建筑的窗口上方，從而達(dá)到建筑節(jié)能目的。相變蓄熱活動遮陽板不會影響窗口視野，可廣泛用于多氣候區(qū)高校既有宿舍建筑的節(jié)能改造。

3 相變蓄熱活動遮陽的工作原理

相變蓄熱活動遮陽的提出是基于建筑能耗水平過高等問題提出的：

1)過量的太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)，可能會引起眩光和窗邊人員的不舒適；同時(shí)，帶來夏季空調(diào)制冷負(fù)荷的升高，從而消耗大量電能；

2)廣泛使用于建筑物外立面的固定和可調(diào)節(jié)遮陽系統(tǒng)只是將太陽輻射反射和少量吸收，無法有效利用太陽能量；

3)既有研究中所涉及的相變材料窗體在非蓄熱狀態(tài)時(shí)多為不透明或者半透明，會遮擋室內(nèi)人員的視線，且影響建筑物的美觀性。

因而，本文提出一種基于相變蓄熱的活動遮陽技術(shù)，將相變材料用于遮陽板內(nèi)部夾層，在遮陽的同時(shí)，可以有效吸收儲存太陽輻射能。在寒冷的冬季夜間，可以利用這部分儲存的熱能用于室內(nèi)保溫。從而在提高室內(nèi)環(huán)境舒適度的同時(shí)，減少采暖能耗。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。

白天，當(dāng)太陽輻射猛烈，此遮陽板與窗口成垂直角度，或者根據(jù)需要調(diào)整至適當(dāng)夾角，既可以有效避免眩光，又不會遮擋窗外景觀；遮陽板可大幅減少通過窗口進(jìn)入室內(nèi)的熱量，從而提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適，降低空調(diào)制冷負(fù)荷，有助于節(jié)能減排和降低電費(fèi)開支。同時(shí)，遮陽板吸收太陽輻射而溫度升高，位于上、下層遮陽面板之間的相變材料夾層發(fā)生相變，將多余熱量儲存起來，并逐漸由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。

夜晚，遮陽板的溫度高于環(huán)境溫度，將緩慢向外界放熱。在冬季夜間，可利用鉸聯(lián)構(gòu)件調(diào)整遮陽板角度，使其貼近窗玻璃，相變材料夾層將部分儲存的熱量以對流傳熱的形式傳入室內(nèi)，起到保溫、供暖作用。而夏季夜間周圍環(huán)境溫度較高，可只利用遮陽板的遮陽功能，而不使用保溫功能。由以上工作原理可知，這種相變蓄熱活動遮陽特別適合用于住宅、宿舍和酒店等全天使用的場所。

4 相變蓄熱活動遮陽在高校宿舍建筑的應(yīng)用

高等學(xué)校的宿舍建筑是大學(xué)生學(xué)習(xí)、休閑和休息的重要場所，其室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)直接影響學(xué)生們的身心健康，宿舍的照明、采暖和空調(diào)制冷能耗也是高等學(xué)校能耗的重要組成。近年來，全國多個(gè)高校開展針對既有建筑的節(jié)能改造工作，所采用的技術(shù)手段主要是外墻、屋面、外門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱改造等。比較而言，相變蓄熱活動遮陽的節(jié)能效果顯著，施工周期短，材料成本不高，特別適用于針對既有宿舍建筑的節(jié)能改造。

相變蓄熱活動遮陽板的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮美觀性，窗體高度，當(dāng)?shù)貧夂?，成本造價(jià)等方面?？紤]到大學(xué)生的身體健康和遮陽構(gòu)件的使用壽命，相變蓄熱活動遮陽板內(nèi)的相變材料選擇至關(guān)重要。相變材料應(yīng)當(dāng)無毒、無腐蝕性、成本低廉且制造方便，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)具備合適的相變溫度，能夠滿足其功能需要，且具有相對較高的熔化潛熱值，從而在相變過程中貯藏或放出較多的熱量。

碳原子個(gè)數(shù)為22、相變溫度點(diǎn)為44.4 ℃的石蠟材料可作為活動遮陽內(nèi)部蓄熱材料使用。當(dāng)遮陽板在日間吸收太陽輻射，溫度逐漸升高并達(dá)到石蠟材料的相變溫度點(diǎn)。此后，石蠟逐漸由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，并將大量熱量以潛能的形式儲存起來。在冬季夜間，可放下遮陽板并貼近窗玻璃，相當(dāng)于有一層溫度約為44.4 ℃的保溫板持續(xù)不斷向室內(nèi)傳遞熱量，大幅減少室內(nèi)空氣向外界環(huán)境散失熱量，很好的起到供暖保溫的作用。

以尺寸為1.5 m(高)×1.5 m(寬)的典型宿舍窗口為例，設(shè)計(jì)相變活動遮陽寬度為1.5 m，長度為1.0 m(挑出距離)，其中相變材料層的厚度設(shè)計(jì)為0.02 m，總體積為0.03 m3。而碳原子個(gè)數(shù)為22的石蠟材料密度780 kg/m3，熔化潛熱為249 kJ/kg。因此，本案例中的相變活動遮陽的相變蓄熱量為5 826.6 kJ。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋸?qiáng)度和室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)需要，靈活設(shè)計(jì)相變材料的夾層厚度，從而獲得最為適宜的相變蓄熱量。

5 未來研究方向

為更好的發(fā)揮相變蓄熱活動遮陽的節(jié)能與室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)效果，實(shí)現(xiàn)其在高校宿舍建筑，以及其他類型建筑中的大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)從以下方面展開深入研究：

開展相變蓄熱活動遮陽的實(shí)驗(yàn)研究，通過對太陽輻射強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等室外氣象參數(shù)和室內(nèi)溫度、照度分布的現(xiàn)場實(shí)測，確定這種新型遮陽的外形、尺寸、外層材料性能、相變材料特性、相變材料夾層厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)與室內(nèi)光、熱環(huán)境的耦合機(jī)理，并進(jìn)行物理建模。結(jié)合不同氣候區(qū)域的全年氣象參數(shù)，進(jìn)行室內(nèi)空調(diào)、照明能耗模擬，并預(yù)測室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適性，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合優(yōu)化。

開展不同類型的相變材料遮陽設(shè)施研究，將不同特性的相變材料與水平遮陽、豎向遮陽、百葉遮陽、擋板遮陽、綜合式遮陽結(jié)合起來，研究其遮陽隔熱的性能及優(yōu)化策略。同時(shí)，結(jié)合建筑物的使用規(guī)律，可以考慮將相變材料與中間遮陽(夾在雙層玻璃之間的遮陽設(shè)施)和內(nèi)遮陽(位于室內(nèi)一側(cè)的遮陽設(shè)施)相結(jié)合，探究其可能的建筑節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)效果，并進(jìn)行優(yōu)化。

針對相變蓄熱活動遮陽設(shè)施的外觀優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)與建筑外立面的有機(jī)結(jié)合，有助實(shí)現(xiàn)建筑協(xié)調(diào)、美觀的造型效果。優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從遮陽的形狀，表面凸凹、顏色和質(zhì)地等多個(gè)方面入手，結(jié)合光、熱性能計(jì)算和建筑物理環(huán)境模擬，遴選兼顧節(jié)能和美觀的最優(yōu)設(shè)計(jì)。繼而，開展這種新型遮陽設(shè)施的全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益研究，并采取合理措施降低其投資回收期。

6 結(jié)論

基于高等學(xué)校能源消耗量大，節(jié)能任務(wù)艱巨的背景，本文創(chuàng)新性的提出相變材料在遮陽裝置中的節(jié)能應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要有：遮陽裝置與墻面夾角可調(diào)，可根據(jù)實(shí)時(shí)的太陽高度角提供最佳的遮陽效果，同時(shí)不影響窗外視野；在冬季的夜晚可根據(jù)實(shí)際需求減小遮陽構(gòu)件與墻面之間的夾角，利用白天存儲的熱量向室內(nèi)供暖。

相變蓄熱活動遮陽的材料成本不高，施工周期短，節(jié)能效果顯著，且有利于室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適，特別適用于針對高校既有宿舍建筑的節(jié)能改造。在未來，可針對其設(shè)計(jì)優(yōu)化、外觀設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)效益開展深入研究，為其大規(guī)模應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息和理論支撐。