建
筑
蓄
能
结
构
（一）建筑蓄能结构的概念
这里所讨论的蓄能结构在建筑功能上首先是建筑围护结构的功能，是建筑正常使用中不可缺少的一部分，比如是建筑的外墙、屋顶或建筑的内隔墙；其次，由于其材料与结构的特殊性，使得该结构具有较大的热容量，能够蓄存一定的热量或冷量，因此该结构又是一种蓄能结构。为了与其他蓄能结构或建筑围护结构相区别，特定义其为建筑蓄能结构。
（二）建筑蓄能结构的作用
建筑的围护结构不仅决定了室内可利用空间的形式与大小，而且决定着建筑室内和室外环境之间、不同室内环境之间的复杂热传递过程，其主要目的是在夏季控制来自室外的建筑得热和太阳辐射，在冬季减少通过外围护结构的热损失，降低建筑空调负荷。蓄能技术在建筑围护结构上的使用，强化了围护结构的后一种功能，增加了自然能源在现代建筑中使用的可能性和规模。
1、工作原理
蓄能结构的工作原理与其它蓄能结构一样，包括冷、热量的存储和释放过程，每两个相邻的能量的存储与释放过程构成了蓄能结构的一个工作周期。下面以实例说明其工作原理。
假设在早晨的某个时间，室内空气温度、建筑蓄能围护结构与室外空气温度相同(t0)，随着太阳的升起，室外温度逐渐上升(t1)，必然导致蓄能结构的外表面温度上升，产生一个向建筑内部传递的热流（如下图2-12中的a）。该热流首先加热蓄能结构，使其温度上升或发生物相变化，由于该结构具有较大的热容，因此被加热的同时就将热量蓄存了起来（蓄热过程，如下图2-12中的b ）。当蓄能结构被加热到一定程度，其内表面温度大于室内空气温度时，热流将穿越蓄能结构向建筑内部空间传递。到了傍晚室外空气温度(t3)低于蓄能结构外表面温度的时候，蓄能结构在向室内传热的同时，将产生一个向室外传递的热流（如下图2-12中的c ），此时蓄能结构进入放热过程。放热过程持续一段时间后，蓄能结构将重新进入下一个蓄热过程。
图 2-12 建筑蓄能结构的工作周期
2、优点
建筑蓄能结构的工作周期一般为24小时，即白天充分蓄存太阳辐射或（和）室外空气热量，在下午或晚上将蓄存的热量缓慢释放出来。很多研究结果表明蓄能结构在建筑的中应用为降低夏季和冬季空调负荷都具有积极的意义。
冬季，由于室外气温比室内低，热量将从室内向室外散失，由于蓄热结构具有比较小的导热系数，因此与其它围护结构相比较，这种建筑结构的热损失比较小。同时，由于蓄能结构可以在白天充分吸收太阳辐射热量，并将其存储起来，通过合理调节的蓄、放热周期，使得蓄存起来的热量从傍晚需要加热的时间开始缓慢向室内释放，满足建筑部分热负荷的要求。这样不仅降低了建筑的热负荷，而且有助于设备的节能运行。
在夏季的白天，室外空气温度比室内空气温度一般要高得多，热量将从室外向室内传递，同样由于蓄能结构具有比较小的传热系数，使建筑的冷负荷比其它常规建筑小。同时，来自室外的热流将首先加热蓄能结构，只有当蓄能结构被加热到一定温度后，热量才能通过该蓄能结构传递到室内，因此，传递到室内的热流与室外热流相比较，具有一定的延迟时间，延迟时间的长短取决于蓄热材料的热容，热容越大，延迟时间越长。如果这种延迟时间很长，以至于蓄能结构的蓄热时间可以维持到室外空气温度低于室内温度的时间内，然后将建筑结构蓄存的热量直接向室外排放，就可以在很大程度上降低了建筑得热，节约了空调系统的运行负荷。从建筑负荷曲线的变化看，与没有蓄能结构的轻型建筑相比较（见下图2-13），在早晨和晚上，有蓄能结构的建筑空调负荷曲线比轻型建筑的大，而在中午前后，则比轻型建筑的空调负荷小，因此蓄能结构在这里的实际作用类似于“移峰填谷”的效果，使得建筑负荷曲线变化平缓，不仅降低了空调负荷，而且降低了空调机组的装机容量，提高了能源使用效率。特别是对于夜间不使用的办公、商场类建筑，可以将白天的冷负荷转移到夜晚，通过晚间通风等被动供冷手段，可以以最低的能源消耗代价将原来属于白天的负荷转移到夜晚排除。例如，有些研究结果显示，将该技术与被动供冷技术配合后，用在商业建筑上，可以节约高达20%的建筑能耗。
图2-13 建筑负荷变化曲线的对比
蓄能结构在过渡季节使用的优势尤其明显。在常规没有蓄能结构的建筑中（例如轻型结构），由于建筑蓄能能力比较差，如果不使用空调系统，室内空气温度将紧随室外空气温度变化而变化，导致春秋季节的建筑，在中午可能需要制冷，而其它时间可能需要加热，如下图2-14；而对于采用蓄能结构（一般可以称为重型结构）的建筑，在中午室外温度比较高的时间内，蓄能结构可以充分蓄存热量，阻碍室内空气温度的上升，到了室外空气温度低于室内空气温度时，蓄能结构将蓄存的能量逐步释放出来，用以维持室内空气温度在允许的范围内，从而避免了建筑为维持室内空气温度稳定而产生的加热、制冷需求。
图2-14 蓄能结构对室内空气温度的调节作用
从上图中也可以明显看到，由于蓄能结构的存在，阻碍了围护结构内表面温度和室内空气温度变化的幅度，有利于保证室内热环境的稳定，可以提高室内环境的舒适度。这也是蓄能结构的一个显著优势。
（三）影响蓄能结构运行效率的因素
蓄能结构作为一种特殊的系统，通过该结构的传热量以及该结构的使用效果，取决于很多参数，例如建筑材料热物性、建筑朝向、建筑保温性能、通风系统、气候条件等。下面对其中部分影响因素做简单分析。
1、环境的影响
首先，蓄能材料蓄存的能量主要来自太阳辐射热与周围空气中所蕴藏的能量。例如冬季，希望蓄能结构存储的热量越多越好，因此当时、当地的气候条件与建筑方位直接决定了蓄能结构在白天能够蓄存的太阳辐射热量大小，同时，由于此时室外空气温度一般比建筑外表面积低，在周围风速的影响下，蓄能结构将通过对流换热过程将部分吸收的热量散失到周围室外空气中，从而影响了蓄能结构效率的发挥。而蓄能结构的放热（冷）对象主要是周围的空气，因此，蓄能结构的表面风速决定了该结构与空气之间的热交换过程，风速越大，热交换的速度越快。
其次，在南方炎热地区，蓄能结构一般与晚间通风系统配合使用，即白天蓄存的热量主要通过通风过程尽可能多地散发到室外，从而降低空调系统的运行负荷。因此，室外空气的温度条件是决定蓄能结构使用效果的关键因素之一。根据有关研究，对于室外空气温度日较差大于10度的地方，在白天加强建筑的保温，减少热量渗透，在夜晚结合通风系统向室外散热，可以节省建筑空调系统运行能耗达20%。
2、建筑材料
在正常的工作周期内，蓄能结构的工作可以分蓄能阶段和放能阶段。从工作效果上说，希望蓄能结构的单位体积蓄能量越大越好，同时希望蓄能和放能的速度可以有利于蓄能和放能的进行。这种物理过程当然受到蓄能结构所处的周围环境参数的影响，但是蓄能材料的能物理性质也非常重要。
首先，蓄能材料必须具有一定的密度ρ、比较大的比热容c和导热系数λ。良好的导热系数可以保证能流能够从外部进入蓄能结构中，合适的密度和比较大的比热容(即ρc的乘积比较大)可以保证蓄能结构在单位体积内能够尽可能多地蓄存能量。根据这一点可以认为，一般使用的建筑保温材料，由于具有比较小的密度、比热容和导热系数，在防止建筑热损失问题上虽然具有良好的作用，但是却不能作为蓄能材料使用，因此在调节建筑空调系统运行、充分利用自然能源降低建筑能耗、改善室内热舒适等方面远不及蓄能材料。
其次，蓄能材料还必须具有比较高的导温系数α（α=λ/ρcp）。导温系数确定了室外周期性变化的能流在蓄能材料中的渗透深度，导温系数越大，渗透深度越大。排除蓄能结构厚度的影响，如果蓄能材料导温系数比较小，周期性变化的室外热流不能深入蓄能结构，在夏季夜晚产生的室外冷量无法充分冷却室内空气和建筑蓄能结构，从而降低了蓄能结构的利用效率；在冬季白天产生的热量也无法充分加热室内空气和建筑蓄能结构，蓄能结构的吸热效率和存储热量的效率必然比较低。
目前常用的蓄能材料可以分为两类：显热蓄能材料，即包括（λρc）比较大的砖、混凝土等建筑材料；另一类是潜热蓄能材料，即依靠物质相变过程中必须吸收或放出大量相变潜热的物理现象进行能量的存储和释放。由于单位体积的潜热蓄能材料能够蓄存的能量远远大于单位体积的显热蓄能材料能够承受的范围，因此潜热蓄能材料在蓄能结构中的应用正越来越引人注目。
3、蓄能结构的位置与分布
不同的蓄能结构放置位置将产生不同的效果。一般而言，蓄能结构可以根据其吸收热量种类的不同分为两类：一类是直接吸收太阳辐射热量（直接型），另一类是吸收长波辐射热量和室内空气的对流热量（间接型）。直接型的蓄能结构必须放置在建筑的外围，以直接吸收太阳辐射热量，或者放置在建筑内围护结构的表面，以吸收穿过建筑门窗辐射进来的瞬时太阳辐射热量。间接型的蓄能结构吸收的热量是来自建筑某结构吸收太阳辐射热、温度升高后发射出来的长波辐射热量。从蓄能效率来说，直接型的蓄能结构比间接型的结构效率高得多。另外，根据有关研究，蓄能结构的分布应根据其所在位置的朝向和希望的延迟时间的不同具体分析。例如，由于建筑北向的得热量很小，因此设置在朝北方向的蓄能结构不需要具有时间延迟性。朝东方向的蓄能结构要么具有很长的时间延迟性，最好超过14小时，使得该方向的蓄能到晚上才释放出来，要么具有很短的时间延迟性，使得建筑外进入的热流很快变成室内空调负荷，立即排除，而不至于积累到空调负荷峰值发生的时间才释放出来，增加空调系统负担；比较而言，后者更容易实现。对于朝南和朝西方向的蓄能结构具有8小时的时间延迟性就可以将蓄能的释放过程推迟到晚上开始。
4、建筑保温材料的影响
建筑保温技术是人们比较熟悉的一种减少建筑热损失的方法，几乎所有国家的节能法规都强制性要求在建筑上必须使用保温材料。尽管建筑保温材料和蓄能材料都对维持室内一定的热舒适环境具有重要意义，但是，两者在应用上仍然具有一定差异。例如在北方地区，冬季室外气温比较低，而且持续时间比较长，建筑能耗以采暖为主，因此增加建筑的保温性能具有非常重要的意义，所以保温材料在这些地区非常重要；而在南方的炎热地区，建筑能耗以空调制冷为主，对于夜间不使用的建筑而言，可以充分利用蓄能材料将白天的负荷转移到晚上、并通过自然冷却过程散发到室外，从而达到降低建筑能耗的目的，因此蓄能结构的应用更具有积极意义。
需要注意的是，如果蓄能结构与保温材料同时使用，两者的相对位置不能颠倒，即蓄能结构必须放置在保温材料的外面，以保证蓄能材料能够充分吸收到太阳辐射热和室外空气热量。
另外，由于蓄能结构不仅增加了建筑的保温性能，而且通过热量的蓄存和释放调节了建筑的空调负荷曲线，因此，对于蓄能结构的热性能评价将比对保温材料的热性能评价复杂的多。
（研究室李峥嵘教授编写）