相變石膏板圍護結構隔熱應用實驗研究

張鑫璐 王志毅 徐遲 袁麗婷

摘 要： 為研究相變石膏板圍護結構在過渡季節的儲熱性能，搭建了兩間尺寸相同的實驗對比房，將相變石膏板貼敷于圍護結構內側，測試對多種工況下實驗對比房的室內溫度及壁面溫度，通過房間熱性能分析探討其在過渡季節的適用性。石膏板中的相變微膠囊以石蠟（正十八烷）為芯材，聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）為壁材，相變溫度28 ℃，相變潛熱180 kJ/kg。在相同的室外氣候條件下，進行一個月的多組工況實驗研究，測試了室內空氣溫度和墻體表面溫度的變化規律，并與普通房間進行了室內熱環境對比分析。結果表明：相變石膏板熱性能穩定;在杭州地區過渡季節最高可降低室內峰值溫度1.10 ℃，減緩壁面溫度波動1.18 ℃，延遲峰值時間40 min，降低室內溫度不舒適度6.82 ℃·h/d，有效緩解了室內的溫度波動，增強了圍護結構的熱惰性。此外，與夜間自然通風相比，相變圍護結構在夜間通風的情況下可以減少室內不舒適度時間約2 h，減少累計室內溫度不舒適度2.08 ℃·h/d，有效提高室內熱舒適性。該研究通過對比實驗驗證了相變石膏板應用于圍護結構的隔熱效果，可為后續模擬研究提供參考。

關鍵詞： 相變材料；過渡季節；圍護結構；保溫隔熱；熱舒適性

中圖分類號： TU111.24中圖分類號

文獻標志碼： 文獻標志碼A

文章編號： 1673-3851 （2024） 03-0238-07

Experimental study on the thermal insulation application of phase-change plasterboard enclosure structure

Abstract： ?To study the heat storage performance of the phase-change plasterboard enclosure structure during the transition season， two experimental comparison rooms of the same size were built， the phase-change plasterboard was affixed to the inner side of the enclosure structure to test the indoor temperature and wall temperature of the experimental comparison rooms under various working conditions， and its applicability in the transition season was discussed through the thermal performance analysis of the rooms. To prepare the phase-change micro-capsules in the plasterboard， paraffin （n-octadecane） was used as the core material， and polymethyl methacrylate （PMMA） as the wall material， with the phase-change temperature being 28 ℃ and phase-change latent heat being 180 kJ/kg. Under the same outdoor climate conditions， a month of multi-group experimental research was carried out. The variation rules of the indoor air temperature and wall surface temperature were tested， and the indoor thermal environment was compared with that of ordinary rooms. The results show that the performance of the phase-change plasterboard is stable. When it is applied in Hangzhou during the transition season， the maximum indoor peak temperature can be reduced by 1.10 ℃， the wall temperature fluctuation can be reduced by 1.18 ℃， the peak delay time can reach 40 min， and the indoor temperature discomfort can be reduced by 6.82 ℃·h/d， which effectively alleviates the indoor temperature fluctuation and enhances the thermal inertia of the enclosure structure. In addition， compared to natural ventilation at night， the phase-change enclosure structure combined with night ventilation can reduce the indoor discomfort time by about 2 hours， reduce the cumulative indoor temperature discomfort by 2.08 ℃·h/d， and effectively improve indoor thermal comfort. This study verifies the thermal insulation effect of the phase-change plasterboard applied to the enclosure structure through comparative experiments， which can provide reference for subsequent simulation research.

Key words： phase-change material; transition season; enclosure structure; thermal insulation; thermal comfort

0 引 言

我國部分地區過渡季節晝夜溫差較大，有比較適宜的室外氣象條件；通過利用室外自然條件，被動式設計策略減少人工冷熱源的運行時間，可以實現節能減排［1］。相變材料（Phase-change material，PCM）作為一種新型的潛熱儲能材料，已經成為國內外的研究熱點［2-3］。相比于相同質量或體積的顯熱儲熱材料，相變儲能材料可以在很小的溫度變化情況下儲存較多的熱量，因此通過相變儲能材料與建筑圍護結構的結合，可實現建筑圍護結構熱能的儲存和釋放，從而起到節能的效果［4-5］。

近年來，國內外關于相變石膏板圍護結構的研究方式主要采用模擬研究和實驗研究。在模擬研究方面，Borreguero等［6］基于一維傅里葉熱傳導方程建立數學模型，并使用自制的相變微膠囊石膏板熱表征實驗裝置證實了該模型的性能，研究結果表明：相變石膏板應用于圍護結構可以有效提高建筑的舒適性，石膏板中每增加質量分數5.0%的相變微膠囊可以減小8.5%的石膏板厚度。張正松等［7］將相變石膏板安裝在輕質保溫墻體的外表面以取代傳統的保溫隔熱材料，采用模擬研究方法對不同相變溫度墻體內表面單位面積的熱流密度變化和室內得熱量進行對比分析，發現：相變石膏板的最佳相變溫度為28 ℃，此溫度下的蓄能墻體能在最大程度上緩解室內空調冷負荷需求。Mohseni等［8］通過使用DesignBuilder軟件模擬研究典型住宅建筑加入相變層后熱性能的提升效果，結果發現：加入相變層的模型能夠提高室內舒適度，減少熱負荷、冷負荷和溫度波動；當相變層厚度從5 mm增加至10 mm時，建筑制冷能耗降低23%，制熱能耗降低12%。

在實驗研究方面，Beemkumar等［9］提出了一種新型相變屋頂，通過在屋頂中使用新型PCM聚乙二醇減少建筑物中的溫度波動，對比實驗發現：相比于未使用PCM的建筑，在屋頂加入相變層可使室內平均峰值溫升降低1～2 ℃。Kong等［10］使用石蠟為底材制備了相變溫度為25 ℃的相變墻板，貼附于室內墻面和天花板，通過搭建兩間相同的實驗房測試相變墻板在天津地區夏季的使用效果，實驗結果表明：相變墻板與輕質建筑圍護結構結合可以被動調節室內空氣溫度，在夏季經過高溫循環后下降溫效果明顯，具有顯著的應用潛力。葉海等［11］為探究相變蓄能圍護結構在冬季采暖時節能潛力，在上海搭建了兩個實驗艙，從熱舒適改善等角度進行對比實驗，并選取典型氣象下的數據進行分析，結果表明：使用PCM可以有效提高墻體的蓄能隔熱能力，降低了室內溫度波動，熱舒適時間有所提高。喬宇豪等［12］基于相變墻體在雙向周期性熱作用下的熱工性能，在人工模擬氣候環境下對比分析了相變墻體不同材料層順序對其熱工性能的影響，結果表明：墻體構造由外向內為“保溫材料－基層墻體－相變蓄熱層”時內表面蓄熱性能較好，可以有效減小室內峰值溫度。羅振宇等［13］將不同相變溫度的定型相變板分別應用于輕質實驗房南墻內外側，研究其在武漢地區夏季應用的隔熱特性，結果表明：外層定性相變板在夏季發揮作用，能夠很好地吸收太陽輻射的熱量，可以有效降低室內溫度峰值，提高室內環境熱舒適性。

PCM作為節能材料應用于建筑，能夠在一定程度上調節室內溫度，起到改善室內熱舒適的作用。但是目前的研究主要關注其在夏季或冬季的應用，缺少對過渡季節應用效果的關注。本文基于杭州地區過渡季節的氣候特點，通過搭建實驗對比房，在室外實際氣象條件下開展多組工況進行測試，對比分析室內空氣溫度和墻體表面溫度的變化規律，以討論過渡季節條件下相變石膏板圍護結構的傳熱特性，評估其實際應用效果，為后續模擬研究提供參考。

1 實驗設計及氣候分析

1.1 實驗裝置

實驗對比房的搭建場所為杭州某大學實驗樓南側，其外觀如圖1（a）所示。相變房內壁面及頂面貼滿300 mm×300 mm×10 mm的相變石膏板，對比房內貼有相同尺寸的普通石膏板作為對照。相變石膏板外觀如圖1（b）所示，石膏板表面光滑平整，無石蠟泄漏現象。相變石膏板中PCM的質量分數為20%，石膏板中的相變微膠囊以石蠟（正十八烷）為芯材、聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）為壁材，相變溫度為28 ℃，相變潛熱為180 kJ/kg。實驗對比房均為正南朝向，尺寸均為1500 mm（長）×1500 mm（寬）×1500 mm（高），其屋頂結構由外向內分別為20 mm水泥砂漿找平層、30 mm保溫層、40 mm混凝土找平層、20 mm水泥砂漿找平層、100 mm鋼筋混凝土屋面板和10 mm相變石膏板。外墻圍護結構由外向內分別為110 mm基層墻體、20 mm 1∶3水泥砂漿和10 mm相變石膏板。實驗對比房的外墻圍護結構和屋頂結構如圖2所示，其材料的物性參數如表1所示。兩間實驗對比房的南墻開設鋁合金玻璃門，尺寸為800 mm×1000 mm。北墻開設鋁合金玻璃窗，尺寸為800 mm×1000 mm。外窗、外門均可開啟，可通過開啟門窗加強夜間自然通風，最大程度地利用PCM的性能。

1.2 儀器設備及測點布置

實驗所需測量的數據包括2個實驗對比房內的室內空氣溫度、內表面壁溫、室外空氣溫度和太陽輻射強度。室內溫度及壁面溫度由JHT藍牙溫濕度計進行測量，分別布置于房間中心位置以及各壁面中心位置，共12個。JHT藍牙溫濕度計的溫度測??量范圍為-40～125 ℃，溫度測量精度為±0.3 ℃，溫度分辨率為0.01 ℃，采樣間隔從1 min到24 h不等，溫度探頭防水防腐蝕，具有較強的穩定性。室外空氣溫度和太陽輻射強度由PC-4光伏電站環境監測儀進行測量，監測要素包括太陽總輻射、散射輻射、直接輻射、風向、風速、環境溫度等。其中，環境溫度分辨率為0.01 ℃，測量范圍-50～80 ℃，精度為±0.2 ℃，輻射測量分辨率為1 W/m2，測量范圍0～2000 W/m2。環境監測儀距地1.5 m，放置于實驗房東側空曠無遮蔽位置。藍牙溫濕度計和光伏電站環境監測儀的采樣間隔均為5 min。

1.3 過渡季節氣候分析

在2023年5月，對室外天氣進行了為期一個月的測試。圖3為環境監測儀測得的5月室外溫度和太陽輻射強度的情況。由圖5可知，室外溫度最低為12.09 ℃，最高溫度為36.26 ℃，平均溫度為21.76 ℃。晝間平均太陽輻射強度為289.18 W/m2，最大輻射強度為882.63 W/m2，測試期間包括晴天、多云、陰雨等不同外部氣象條件，也包括連續降溫、連續升溫等天氣變化，能夠充分體現過渡季節的氣候特征。

2 實驗結果與分析

2.1 典型氣候條件下的室內溫度對比

過渡季節室外氣溫變化比較劇烈，本文選取室外溫度為持續降溫天氣的無相變階段和持續升溫天氣的相變階段進行分析討論。圖4所示為兩間實驗對比房在連續降溫工況下的室內外空氣溫度監測結果。溫度采樣間隔均為5 min。從圖4中對比可以發現，5月5日室內溫度達到相變條件，相變房的峰值溫度相比于對比房降低了0.51 ℃，相變石膏板的存在減緩了室內溫度的波動，起到了“削峰填谷”的作用。5月6日—5月7日的室外天氣為降溫過程，由于未達到相變溫度，兩間實驗對比房內的峰值溫度幾乎相同。當室外氣溫驟降時，相變房的降溫速率明顯低于對比房的降溫速率，溫度最大相差0.26 ℃。這是由于PCM具有一定的絕熱功能，使得相變石膏板的蓄熱能力高于普通石膏板，相變石膏板的存在提高了圍護結構的整體保溫性能。

圖5為達到相變條件時連續升溫天氣的室內外空氣溫度監測結果，其中溫度采樣間隔均為5 min。在晝間，當室外溫度升高且大于28 ℃時，對比房內溫度也隨即升高，而相變房由于相變石膏板的相變作用，吸收室內熱量，減緩了溫度上升速率。在5月26日—5月27日，相比于對比房，相變房內的室內峰值溫度分別降低了0.58 ℃和0.38 ℃。在夜間，由于PCM凝固放熱且具有高蓄熱能力，夜間相變房的室內溫度下降速率低于對比房，相變房的最低溫度相比于對比房分別高了0.18 ℃和0.11 ℃。5月28日室外溫度驟升至34.26 ℃，此時相變房內的PCM完全融化，室內峰值溫差達到1.10 ℃。5月29日，室外溫度在24 ～34 ℃范圍內波動，而室內溫度持續處于28 ℃以上的高溫狀態，PCM一直處于熔融狀態，無法進行凝固放熱再進行下一次蓄熱。因此，對于持續高溫的天氣，需要結合夜間通風使PCM凝固放熱，在最大程度上發揮蓄熱性能。

5月30日晝間，溫度持續超過28 ℃。為探究夜間通風對室內溫度的影響效果，在5月30日18：30—5月31日8：00同時打開兩間實驗對比房的南向玻璃門進行通風。圖6為夜間通風工況下的室內外空氣溫度監測結果。由圖6可知：在18：30之后，經室內外空氣換熱，室內溫度快速下降；在19：00左右，兩間實驗對比房的室內溫度與室外溫度趨于一致。由此可知，相比于5月30日凌晨未通風工況，夜間通風可以將夜間PCM凝固放出的熱量散至室外，有效改善室內過熱問題，有利于PCM的下一次熱循環。

2.2 內壁面溫度對比分析

選取實驗獲取的所有壁面溫度數據，將頂面和周圍4個壁面（共5個面）的溫度取平均值，得到壁面平均溫度；通過計算得到相變房、對比房以及室外溫度的每日溫度波動值，結果如圖7所示。由圖7可知，在31 d的實驗結果中，相變房的溫度波動基本小于對比房的溫度波動，相變房最大溫度波動為7.70 ℃，最小溫度波動為0.80 ℃，對比房的最大溫度波動為8.50 ℃，最小溫度波動為1.00 ℃。壁面平均溫度波動差最大值出現在5月28日，差值為0.93 ℃。此外，從圖7中可以發現，晝夜溫差越大，室內溫度波動越大，相變房與對比房的壁面溫度波動差值越明顯，5月1日、5月9日、5月28日的晝夜溫差分別為13.44、12.12 ℃和13.17 ℃，相變房相比于對比房的壁面溫度波動分別降低1.09、1.12 ℃和1.18 ℃。

2.3 房間熱性能分析

為了評價相變墻體對于房間熱性能的提升效果，選取5月達到相變條件的時間段，采用時間延遲因子（φPCM）［14］來評估相變墻體對室內峰值溫度的延遲作用，時間延遲因子越大說明相位延遲作用越好。φPCM可用式（1）計算：

φPCM=τPCM，max-τair，max（1）

其中：τPCM，max為相變房室內溫度達到峰值的時間，min；τair，max為對比房室內溫度達到峰值的時間，min。

采用溫度衰減因子（fPCM）［14］比較室內溫度波幅的差別，溫度衰減因子越大說明相變石膏板的儲熱效果越明顯。fPCM可用式（2）計算：

其中：tPCM，max和tPCM，min分別為相變房室內溫度的最大值和最小值，℃；tair，max和tair，min分別為對比房室內溫度的最大值和最小值，℃。

采用累計室內溫度不舒適度（IDCT）［15］評價相變墻體對于室內熱舒適的調控作用，室內溫度不舒適度越小說明相變墻體對于室內熱舒適的提升效果越好。IDCT可用式（3）計算：

其中：tin為室內空氣溫度，℃；td為設定的舒適溫度上限，℃。參照 GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，夏季的熱舒適溫度范圍為22～28 ℃，故本文選擇td =28 ℃。

圖8所示為相變房相比于對比房的時間延遲因子和溫度衰減因子計算結果，由圖可知：在達到相變條件時，相變房達到峰值溫度的時間有明顯的推遲效果。由于實驗對比房建造在室外露天環境，受室外天氣變化影響較大，且每天的相變程度并不相同，因此時間推遲因子不盡相同，推遲時間15～40 min不等，平均推遲時間為26 min。由圖8中溫度衰減因子曲線可知，在達到相變條件時，相變房對減小室內溫度波幅的作用較為明顯，溫度衰減系數平均為0.9，最小達到0.83。

由圖3可知，5月26日—5月29日為連續升溫過程，測試所得室內外溫度結果和計算所得到的累?? 計室內溫度不舒適度（IDCT）結果列入表2。結合對比實驗房室內溫度與累計室內溫度不舒適度計算結果可知，5月26日—5月27日相變房的累計室內溫度不舒適度都為0。這是因為相變房達到相變條件，吸收室內熱量，抑制了室內溫度的上升，使得室內溫度均處于熱舒適范圍，但是與對比房相比，差值分別為1.95 ℃·h/d和1.19 ℃·h/d，效果不明顯。這是由于室內溫度超過28 ℃的占比較少，PCM沒有完全發生相變作用，仍有部分PCM仍處于固態而未發生吸熱過程。5月28日PCM完全發生相變，相比于對比房，峰值溫度降低1.10 ℃，室內溫度不舒適度降低6.82 ℃·h/d，體現最佳效果。由于5月29日全天溫度超過28 ℃，全天處于不舒適溫度范圍，無法體現材料特性。

為探究通風對實驗對比房熱性能的影響，選擇室內峰值溫度接近的兩天（5月16日未通風、5月30日通風）的室內溫度進行進一步的分析討論，對這兩天的室外氣候條件進行對比分析，發現：5月16日最高溫度為30.54 ℃，最低溫度為24.84 ℃，平均太陽輻射強度為222.47 W/m2，5月30日最高溫度為30.26 ℃，最低溫度為25.31 ℃，平均太陽輻射強度為232.52 W/m2。室內溫度結果如圖9所示，峰值溫度差值及室內不舒適度結果如表3所示。由圖9可知，5月16日相變房的室內峰值溫度為29.16 ℃，對比房為29.48 ℃，5月30日相變房的室內峰值溫度為29.24 ℃，對比房為29.72 ℃，室內外的溫度差值均小于0.50 ℃，說明這兩天的室外氣候條件和室內工況均類似，可以進行對比分析。經統計發現：未通風時，相變房室內溫度超過熱舒適上限的時間為9 h，對比房為9 h 45 min，通風時，相變房室內溫度超過熱舒適上限的時間為7 h，對比房為7 h 15 min。未通風時，由于PCM在夜間凝固放熱，導致相變房內的最低溫度高于對比房，而進行通風時，空氣對流可以加速相變房內的熱量散發，減少室內不舒適度時間約2 h，減少累計室內溫度不舒適度2.08 ℃·h/d，提高了室內熱舒適度和PCM的使用效率。

3 結 論

本文搭建了內壁貼敷相變石膏板的實驗對比房，開展過渡季節多種工況下的室內溫度及壁面溫???度實測研究，通過房間熱性能分析探討其在過渡季節的適用性，研究結論如下：

a）相變房由于相變石膏板的蓄熱作用使得圍護結構熱惰性顯著增強，減少了白天進入室內的熱量。與對比房相比，相變房不僅可以緩解室內溫度波動，還可以降低并延遲室內溫度出現的峰值。

b）在過渡季節氣晝夜溫差大的氣候條件下，相變圍護結構能有效提高房間熱性能，降低室內熱不舒適時間，提高室內熱舒適性。

c）在過渡季節氣連續高溫氣候條件下，相變圍護結構作用不明顯，結合夜間通風可以有效改善室內過熱問題，最大程度發揮PCM作用。

本文通過實驗研究僅驗證了相變石膏板應用于圍護結構在杭州地區過渡季節的隔熱效果，對于相變石膏板的優化設計以及在其他地區過渡季節的適用性和經濟性有待進一步研究。

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