相變儲能材料在建筑節(jié)能中的運(yùn)用

1、相變儲能材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用隨著人們生活水平以及對工作與居住環(huán)境舒適度要求的提高， 空調(diào)能耗隨之大幅度增高， 造成能 源消耗過快、 環(huán)境污染增加、 電網(wǎng)負(fù)荷峰谷過大、 峰負(fù)荷時電力供應(yīng)嚴(yán)重不足等建筑能耗增加的 問題，目前歐美發(fā)達(dá)國家的建筑能耗已達(dá)到全社會總能耗的40 ，在我國建筑能耗約占全國總能耗的 278，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，建筑能耗的比重將進(jìn)一步增 加。因此， 建筑節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)前建筑和建筑材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。 目前廣 泛應(yīng)用的外墻外保溫和內(nèi)墻內(nèi)保溫技術(shù)雖然可以降低能量的消耗， 但由于材料本身的熱容量有限， 不能充分地將能量進(jìn)行儲存利用， 因而限

2、制了建筑節(jié)能的能力。 如何在維持可持續(xù)發(fā)展的前提下， 使用最低能耗達(dá)到居住環(huán)境舒適度最大化？這里就要用到相變 儲能材料。相變儲能材料（Phase Change Materials , PCMs）是在發(fā)生相變的過程中，可以吸收環(huán) 境的熱（冷）量，并在需要時向環(huán)境釋放出熱（冷）量，從而達(dá)到控制周圍環(huán)境溫度的目的，由 于相變物質(zhì)在其物相變化過程 （熔化或凝固 ）中，可以從環(huán)境吸收或放出大量熱量，同時保持溫度 不變， 可以多次重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)， 將其應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域不但可以提高墻體的保溫能力，節(jié)省采暖能耗，而且可以減小墻體自重，使墻體變薄，增加房屋的有效使用面積，因此可以說，相變 儲能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)

3、能的重要途徑。 相變儲能建筑材料是通過向傳統(tǒng)建筑材料中加入相變材料 制成的具有較高熱容的輕質(zhì)建筑材料， 具有較大的潛熱儲存能力。 通過用相變儲能建筑材料構(gòu)筑 的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以降低室內(nèi)溫度波動，提高舒適度，使建筑供暖或空調(diào)不用或者少用能量， 提高能源利用效率，并降低能源的運(yùn)行費(fèi)用。因而具有廣闊的應(yīng)用前景。 對于相變儲能材料，比較系統(tǒng)的科學(xué)研究是在第二次世界大戰(zhàn)以后展開。美國麻省理工的 M.Telkes 和 G.A.Lane 等人在相變材料的配制和性能研究、相平衡、結(jié)晶、相變傳熱、相變儲能 系統(tǒng)設(shè)計等方面做了大量工作。 20 世紀(jì) 70 年代初，第一次能源危機(jī)爆發(fā)，西方發(fā)達(dá)國家受到 巨大沖擊，

4、 但促進(jìn)了社會和工程界對相變儲能材料和建筑節(jié)能技術(shù)的重視，相變儲能材料的理論和應(yīng)用研究也得到了長足的進(jìn)步和發(fā)展。 目前， 相變材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為其最為重要 的利用途徑之一，它在太陽能系統(tǒng)、工業(yè)余熱利用、電力調(diào)峰、紡織業(yè)等都有很廣泛的利用?？?以預(yù)計， 在今后相當(dāng)長的時間里， 相變儲能建筑材料在環(huán)境材料和建筑節(jié)能等領(lǐng)域都將扮演極其 重要的角色。相變儲能材料 11.1 相變材料的相變形式相變是物質(zhì)集態(tài)或組成的變化。相變的形式有以下4 類：（ 1）固固相變； （ 2）固液相變； （ 3）液汽相變； （ 4）固汽相變。一般來說，從（ 1） 到（ 4）相變潛熱逐漸增大。由于第（ 3）、（ 4）

5、類相變過程中有大量氣體，相變物質(zhì)的體積變化 很大，因此，盡管這 2 類相變過程中相變潛熱很大，但在實(shí)際應(yīng)用中很少被選用。與此相反， 固固相變由于體積變化小，對容器要求低（容器密封度、強(qiáng)度無需很高），可以直接加工成任意形狀，因此，往往是實(shí)際應(yīng)用中希望采用的相變類型。但是固一固相變的潛熱較小，相變溫度一般也較高，對中低溫的應(yīng)用不理想，所以，大多數(shù)傳統(tǒng)的PCMs是通過固-液相變來儲存和釋放能量，但是由于該相變過程中會岀現(xiàn)液體，必須進(jìn)行封裝處 理，因而也限制了其應(yīng)用范圍。有時，為了應(yīng)用需要，幾種相變類型可同時采用。1.2相變材料的分類大量的有機(jī)材料、無機(jī)材料和共晶混合物因?yàn)樘赜械娜劢鉁囟群蜐摕醿Υ婺芰?/p>

6、而被定義為相變儲 能材料，已知的相變儲能材料幾乎可以滿足任何溫度范圍的使用需求。與傳統(tǒng)的顯熱儲存方式不同的是，相變儲能材料能夠提供更高的儲能密度，且能量的儲存和釋放是一個等溫或近似等溫的過程，相變儲能材料的這種特點(diǎn)是其具有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)的原因。相變儲能材料可以按照材料的性質(zhì)和組成進(jìn)行分類，具體的類別如圖1所示。1.3不同相變材料優(yōu)缺點(diǎn)的比較根據(jù)上述相變儲能材料的分類，各種不同材料的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。表1不同種類的PCM的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)項(xiàng)目（1）單位體積）固態(tài)時導(dǎo)熱性能較低；（2）固化時沒有明顯過冷21）適應(yīng)溫度范圍廣；（有機(jī) 現(xiàn)象；（3）結(jié)晶速 率高；（4）與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料兼儲熱能力差；（3）容易燃燒

7、；（4）和無機(jī) 相變?nèi)菪院?；?）化學(xué)性能穩(wěn)定；（6）安全無 毒，無相變材料相比成本較高材料）熔解熱高（8腐蝕；（7）循環(huán)利用性能強(qiáng)；（1）單位體積儲熱能力強(qiáng)；（2）成本低廉，易于（1）過冷是固-液相變中的主要問題；（2） 無機(jī)獲?。唬?）導(dǎo)熱系數(shù)高；（4）熔解熱比較高；（5）有析出現(xiàn)象；（3）體積變化較大。相變不易燃燒；（6）有明確熔點(diǎn)。材料 共晶（1）與純物質(zhì)相似，也有明顯的熔點(diǎn)；（2）儲熱研究開發(fā)不多，能夠使用的這種材料有限 混合物能力略高于有機(jī)混合物。1.4相變材料的選擇依據(jù)具有相變儲能特征的材料數(shù)量龐大，種類繁多。在實(shí)際的科學(xué)研究和工程應(yīng)用中結(jié)合具體情況選擇和配制合適的相變材料，是必

8、須認(rèn)真考慮的問題。表2給岀了選擇相變材料的一些基本原則和依據(jù)。表2 PCMs的選擇依據(jù)項(xiàng)目選擇依據(jù)熱力學(xué)性能 （1）具有合適的相變溫度；（2）具有較高的相變潛熱；（3）具有較高的比熱和導(dǎo)熱性能； （）在相變 過程中體積變化較小，產(chǎn)生的蒸汽壓較低。4動力學(xué)性能 （1）具有較高的結(jié)晶成核能力，以避免過冷現(xiàn)象；（2）具 有較快的晶體成長速度，使得所需的能量能夠從儲存體系中快速返回?；瘜W(xué)性能 （1）具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性；（2）具有完全可逆的凝固、溶解循環(huán)；（3）在大量相變循環(huán)以后沒有明顯降 低；（4）無毒、無腐蝕、耐火。經(jīng)濟(jì)性）使用分為廣。2）成本低；（1 （相變材料在建筑節(jié)能上的應(yīng)用、22.1 相關(guān)

9、研究的意義和目標(biāo) 目前，全球能源危機(jī)仍在加劇，石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的需求量每年都在增加，但是可再生能源的替代性卻遲遲無法實(shí)現(xiàn)。我國能源總量豐富，但是人均能源可開采儲量遠(yuǎn)低于世界平均水平。 從能源利用效率來看，目前國內(nèi)能耗高，能源效率低，與此同時，我國建筑能耗的總量逐年上升，在能源總消費(fèi)量中所占的比例已從20世紀(jì)70年代末的10%,上升到近年的 27.5%。國家建設(shè)部科技司研究表明，隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，我國建筑耗能比例最終還將上升至35%左右。如果任由這種狀況繼續(xù)發(fā)展，到2020年，我國建筑耗能將達(dá)到1089億t標(biāo)準(zhǔn)煤，空調(diào)夏季高峰負(fù)荷將相當(dāng)于10個三峽電站滿負(fù)荷能力，如

10、此龐大的建筑耗能已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的沉重負(fù)擔(dān)。目前，我國已明確提岀了“十一五”期間所要達(dá)到的建筑節(jié)能目標(biāo)，而要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，需要各種節(jié)能技術(shù)的改善和發(fā)展?；谏鲜鲈颍瑥慕ㄖ?jié)能的角度來看，對相變儲能建筑材料的研究工作十分緊迫。綜合過去的研究成果，對相變儲能建筑材料的研究需要達(dá)到以下幾個基本的目標(biāo)7: （1 ）在指定的溫度范圍內(nèi)能夠儲存和釋放適當(dāng)?shù)哪芰?；?）能夠在任何傳統(tǒng)的建筑制品中使用；（3）施工人員在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上能夠方便安裝；（4）在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行生產(chǎn)；（5）節(jié)能所獲得的經(jīng)濟(jì)效益高于安裝、使用相變儲能建筑材料的費(fèi)用。2.2相變儲能建筑材料的形成工藝相變儲能建筑材料是將 PCM!加

11、入到傳統(tǒng)的建筑材料中。相變儲能建筑材料能夠做建筑結(jié)構(gòu)材料， 承受載荷；同時有具有較大的蓄熱能力。PCM和建材集體的結(jié)合工藝一直是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前研究的具體實(shí)施方法主要是：其一，共混而成，即利用兩者的相容性，熔融后混合在一起而 制成成分均勻的儲能材料。 許多新型固-固 PCM不斷開發(fā)也推動了這一工藝的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于，結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)更均勻，更易做成各種形狀和大小的建筑材料。其二，采用封裝技術(shù)，即把載體 基質(zhì)做成微膠囊、多孔泡沫塑料或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再把相變材料灌注于其中，主要微觀仍是發(fā)生固-液相變，但在整個儲能材料宏觀上仍是保持其固體形狀。其優(yōu)點(diǎn)在于，無需容器成裝，可直接加工成型，不會發(fā)生過

12、冷現(xiàn)象，使用安全方便。其三，通過浸泡將PCMB入多孔的建材基體中。 其優(yōu)點(diǎn)在于，可以使傳統(tǒng)的建筑材料按要求變成PCM建材。2.3相變儲能建筑材料在建筑節(jié)能中的主要應(yīng)用）相變材料所儲存的能量可以來自于主動或被動接收的太陽能，也可以是儀器設(shè)備、照1 （.明或生產(chǎn)加工過程的廢熱能， 或者是一些熱空氣滲透、遷移所帶來的能量，以及人類活動所產(chǎn)生 的熱能(如在教室、劇院、餐廳、廚房等) 。顯然，這些能源都是廉價的可再生能源或者是廢棄 的熱能，如果無法得到回收和利用，就將流失浪費(fèi)。 因此， 相變儲能建筑材料在利用太陽能和廢 熱能方面，有著積極的作用。(2) 相變儲能建筑材料的使用有助于能量在不同時間上的遷移

13、。在許多地區(qū)，經(jīng)常會出現(xiàn)白天 溫度較高而夜間溫度較低的情況， 如果將白天多余的熱能遷移到夜間釋放， 則有助于人居環(huán)境的 改善， 而相變材料恰恰能夠做到這一點(diǎn)。 隨著大家節(jié)能意識的增強(qiáng)， 人們紛紛把目光投向了建筑 節(jié)能領(lǐng)域，并開發(fā)出各式各類的相變材料用于混凝土、砂漿、天花板、墻體、窗戶和地板中。利 用相變儲能建筑材料可有效利用太陽能來蓄熱或電力負(fù)荷低谷時期的電力來蓄熱或蓄冷， 使建筑 物室內(nèi)和室外之間的熱流波動幅度減弱、 作用時間被延遲， 從而降低室內(nèi)的溫度波動， 提高舒適 度，以及節(jié)約能耗。從理論上看，即使是進(jìn)行跨季節(jié)的蓄熱和蓄冷也是完全有可能的。另外，相 變材料的這一特點(diǎn)將有助于人們更多地避

14、開電力消耗高峰時期使用蓄冷或蓄熱設(shè)備， 而在電力消 耗低峰時期如夜間使用這些設(shè)備， 由于夜間的購電成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白天， 因此可以使建筑物能耗費(fèi) 用大大降低。(3) 相變儲能建筑材料的使用有助于能量在不同空間上的遷移。相變儲能材料在建筑物的屋面 使用時， 可以起到收集太陽能的作用， 收集到的能量可以通過熱傳導(dǎo)系統(tǒng)傳遞到房屋天花板、 地 板和墻體等部位并釋放出來，從而使得能量在不同空間進(jìn)行遷移，以滿足人們的使用需求。(4) 相變儲能建筑材料可以有效改善人居環(huán)境，降低建筑物制冷或制熱設(shè)備的負(fù)荷。相變材料 可以降低建筑物室內(nèi)溫度波動、縮減各種熱能設(shè)備、降低能源支出和提供健康舒適的 室內(nèi)環(huán)境，可以利用低峰

15、電力、削峰填谷、降低電能消耗、緩解電力緊張。尤其是近年來，隨著 高層建筑的快速發(fā)展， 大量采用輕質(zhì)建筑材料。 而輕質(zhì)建筑材料的熱容比較低， 不利于抑制室內(nèi) 溫度波動。在輕質(zhì)建筑材料中加入相變材料是解決這一問題的有效方法。(5) 現(xiàn)代建筑向高層發(fā)展，要求所用圍護(hù)結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)材料。但普通輕質(zhì)材料熱容較小，導(dǎo)致室 內(nèi)溫度波動較大。這不僅造成室內(nèi)熱環(huán)境不舒適， 而且還增加空調(diào)負(fù)荷， 導(dǎo)致建筑能耗上升。 目 前，采用的相變材料的潛熱達(dá)到170J/g甚至更高，而普通建材在溫度變化 1C時儲存同等熱量將需要 190 倍相變材料的質(zhì)量。 因此， 復(fù)合相變建材具有普通建材無法比擬的熱容， 對于房間內(nèi) 的氣溫穩(wěn)定及

16、空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)是非常有利的。當(dāng)室外溫度有較大波動( 波峰與波谷的距離較大) 時，墻體溫度波動不大，這樣室內(nèi)溫度波動也不大，同時，相變房間的熱流密度也明顯比普 通房間低，因此相變儲能材料起到了調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的效果。(6) 相變儲能材料在建筑節(jié)能中的展望儲能建材的研究涉及三個方面的問題：PCEM的熱物性、PCEM與建材基體的相容性和經(jīng)濟(jì)性。PCEM的熱物性表現(xiàn)為以下幾個方面：(1) 相變溫度正好是室內(nèi)設(shè)計溫度或供暖、空調(diào)系統(tǒng)要求控制的溫度。(2) 具有足夠大的相變潛熱。(3) 導(dǎo)熱系數(shù)大，密度大。(4 )相變時膨脹或收縮性要小。(5) 相變的可逆性要好。 因此如何選取環(huán)保且與建材基體相容性很好的

17、廉價材料進(jìn)行研究制備符合各種要求的相變儲 能材料成了日后研究的主題。 為此，相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究應(yīng)注重以下方面的內(nèi) 容：(1) 針對不同的室內(nèi)外環(huán)境條件及不同的使用目的，開發(fā)出具有合適的相變溫度與相變焓并在長期使用過程中物理化學(xué)性能穩(wěn)定的相變材料。 (2) 普通建筑材料中摻入相變材料后， 相變材料與普通建筑材料的相容性及混合后材料的儲熱、 傳熱特性的研究。(3) 在應(yīng)用了相變儲熱裝置或相變儲熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)， 具有不同熱 (冷) 源形式的供暖、 空調(diào)系統(tǒng)中， 針對不同的使用條件 （ 包括氣象條件 ） ，開展房間熱過程的數(shù)值模擬研究和與模擬對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。3 結(jié)語相變材料具有良好的熱物理性

18、能， 是一種高效的儲能物質(zhì)， 相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域 具有良好的應(yīng)用前景。 盡管相變儲能建筑材料已經(jīng)逐步進(jìn)入了實(shí)用階段， 但還存在著以下的問題： 首先， 目前的研究主要集中在價格便宜的無機(jī)鹽類和石蠟， 但由于存在各自的缺點(diǎn)， 在實(shí)際應(yīng)用 中受到了制約； 其次， 相變儲能建筑材料保溫隔熱性能的測定是一個研究難點(diǎn)。 相變傳熱本身具 有非線性的特點(diǎn)，同時還伴有液相流動、體積變化、 相變材料與器壁間熱阻等負(fù)雜因素，使得對 其熱工性能的分析變得非常困難；再次，PCM與基體材料融合性問題。PCM與基體材料的相容性、長期穩(wěn)定性、結(jié)合形式都會對相變儲能建筑材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力變化等性能發(fā)生影響。最后， 相變儲能建筑材料的使用需要考慮相變材料的種類，相變溫度范圍，與傳統(tǒng)材料復(fù)合的百分比， 使用區(qū)域的氣候以及使用建筑物的結(jié)構(gòu)等因素。