相變儲(chǔ)能材料在節(jié)能建筑中的應(yīng)用

相變儲(chǔ)能材料在節(jié)能建筑中的應(yīng)用

1外墻節(jié)能改造是我國(guó)建材行業(yè)面臨的新課題隨著世界能源危機(jī)的日益增加，如何節(jié)約能源，有效利用能源已成為人們的目標(biāo)和研究熱點(diǎn)。尤其在我國(guó)建筑領(lǐng)域,建筑節(jié)能已深入人心,尋求新的建筑材料來(lái)降低建筑能耗,提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適度,是我國(guó)建材領(lǐng)域面臨的新課題。相變儲(chǔ)能材料能將一定形式的能量在特定的條件下貯存起來(lái),并在特定的條件下加以釋放,有效地降低了能源消耗,收窄室內(nèi)溫度的波動(dòng)幅度,改善了室內(nèi)環(huán)境,是建筑節(jié)能領(lǐng)域具有良好發(fā)展前景的一種新型建材。2潛熱儲(chǔ)能材料的應(yīng)用一般儲(chǔ)能材料按照蓄熱方式的不同,可分為潛熱儲(chǔ)能、顯熱儲(chǔ)能和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能三類(lèi)。顯熱儲(chǔ)能材料雖然在操作性方面比較簡(jiǎn)單方便,但是材料自身的溫度也在不斷變化,其釋能的誘導(dǎo)條件來(lái)源于周?chē)h(huán)境,因此無(wú)法達(dá)到控制環(huán)境溫度的目的,并且該類(lèi)材料貯能密度較低,裝置體積大,因此它的應(yīng)用價(jià)值不是很高。化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能材料雖然具有儲(chǔ)能密度大的特點(diǎn),但應(yīng)用技術(shù)和工藝太復(fù)雜,目前僅在太陽(yáng)能領(lǐng)域受到重視,離實(shí)際應(yīng)用尚較遠(yuǎn)。而潛熱儲(chǔ)能材料(也叫相變儲(chǔ)能材料)是利用材料自身相變過(guò)程中吸熱或放熱來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能或釋能的,其材料蓄能密度大、效率高,吸熱或放熱不影響環(huán)境溫度變化,被廣泛用于太陽(yáng)能利用、廢熱回收、智能空調(diào)建筑物調(diào)溫、控溫、工程保溫隔熱材料等各個(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步提高,相變儲(chǔ)能材料與傳統(tǒng)的建筑材料相結(jié)合,在生產(chǎn)、施工,尤其是節(jié)能等方面具有很大的優(yōu)越性,因此相變儲(chǔ)能材料的研究和應(yīng)用是推動(dòng)我國(guó)建筑節(jié)能深入發(fā)展的新途徑之一。3能源材料在節(jié)能建筑中的應(yīng)用3.1變儲(chǔ)能材料的特點(diǎn)將相變材料摻入到現(xiàn)有的建筑材料中,制成墻體、地板、天花板等建筑結(jié)構(gòu),具有良好的蓄熱性能。使用相變儲(chǔ)能材料作為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu),不僅可以大大增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱功能,提高能源的利用率,而且還具備以下特點(diǎn):(1)減弱建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動(dòng)幅度,延遲作用時(shí)間,從而降低建筑物供暖、空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷,節(jié)約能源;(2)提高墻體的蓄熱能力,減少建筑物負(fù)荷和溫度波動(dòng),改善室內(nèi)環(huán)境舒適度。3.1.1相變材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物能耗的影響相變儲(chǔ)能墻體材料是一種新型的建筑材料,它利用相變調(diào)溫機(jī)理,通過(guò)蓄能介質(zhì)的相態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能儲(chǔ)存,從而根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于一定值時(shí),相變材料由液態(tài)凝結(jié)為固態(tài),釋放熱量,當(dāng)環(huán)境溫度高于一定值時(shí),相變材料由固態(tài)熔化為液態(tài),吸收熱量,使室溫相對(duì)平衡。與普通的墻體材料如加氣混凝土砌塊、多孔磚、空心磚等材料相比,有相變儲(chǔ)能材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅蓄熱效果明顯,而且還具有改善室內(nèi)環(huán)境,減少建筑物能耗的特點(diǎn)。從圖1有相變材料和無(wú)相變材料(普通墻體材料)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的建筑物室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律可以看出:有相變儲(chǔ)能材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于相變材料的蓄熱特性,其構(gòu)成的建筑物房間溫度波動(dòng)要小于無(wú)相變材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的建筑物,提高了房間舒適度。另一方面,從室外通過(guò)相變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳向室內(nèi)的熱流滯后且小于無(wú)相變材料圍護(hù)結(jié)構(gòu),且熱流的波動(dòng)較小,減輕了傳熱量,從而減小了建筑物的負(fù)荷。因此,使用相變儲(chǔ)能墻體材料,可以將能源二次利用,收集多余熱量,適時(shí)平穩(wěn)釋放,有效降低損耗量,調(diào)節(jié)室溫趨于穩(wěn)定。并可充分利用夜間低價(jià)電蓄熱,供次日白天作輔助熱源,減少空調(diào)、暖氣使用時(shí)間和空調(diào)開(kāi)啟次數(shù),有助于它們避開(kāi)用電高峰工作而平移用電時(shí)間,從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的,具有可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。3.1.2提高建筑物的自調(diào)節(jié)能力相變儲(chǔ)能采暖地板是通過(guò)將相變材料與地板材料基體復(fù)合制成的儲(chǔ)能地板,由于相變材料的蓄熱特性,增加了地板的熱惰性,使室內(nèi)外之間的熱流波動(dòng)幅度被減弱、作用時(shí)間被延遲,易于室內(nèi)溫度的調(diào)控,提高了建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力。同時(shí)它還可以利用低品位的熱源或太陽(yáng)能以及夜間廉價(jià)電運(yùn)行,提供全天的采暖。減少了采暖地板結(jié)構(gòu)厚度,減輕建筑物自重,具有節(jié)能降耗和提高舒適度的作用。應(yīng)用于相變采暖地板結(jié)構(gòu)中的相變材料必須要滿足其相變溫度在地板采暖容許的范圍內(nèi),且具有較高的相變潛熱,同時(shí)還要滿足化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不泄漏、長(zhǎng)期循環(huán)不變質(zhì)、與建材相容等特點(diǎn)。3.2獨(dú)立儲(chǔ)層材料在加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用3.2.1空氣及輔助加熱器帶相變蓄熱器的空氣型太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)由空氣型太陽(yáng)能集熱器、集熱器風(fēng)機(jī)、相變蓄熱器、負(fù)荷風(fēng)機(jī)以及輔助加熱器組成。空氣在太陽(yáng)能集熱器和相變儲(chǔ)熱器之間,相變儲(chǔ)熱器和負(fù)荷之間形成兩個(gè)循環(huán)環(huán)路。相變蓄熱器包含多個(gè)供空氣流動(dòng)的矩形斷面的通道,這些通道相互平行并用相變蓄熱相變材料隔開(kāi),利用相變材料蓄存白天的太陽(yáng)能并在夜間加熱通道內(nèi)送風(fēng),以滿足夜間房間負(fù)荷的需要。3.2.2蒸發(fā)器側(cè)冷媒水系統(tǒng)帶相變蓄熱器的太陽(yáng)能水源熱泵供熱系統(tǒng),熱泵機(jī)組的冷凝器作為空氣加熱器置于供暖房間,蒸發(fā)器側(cè)冷媒水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、相變蓄熱器、蒸發(fā)器以及循環(huán)水泵組成,相變蓄熱裝置為殼管式結(jié)構(gòu),相變材料被封裝于管側(cè)。該系統(tǒng)利用相變儲(chǔ)能材料蓄存吸收太陽(yáng)能,并通過(guò)冷媒水將太陽(yáng)能釋放給蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑,從而達(dá)到供暖通風(fēng)的效果。3.2.3內(nèi)通熱水熱水供熱相變蓄熱地板輻射供暖系統(tǒng)是利用相變儲(chǔ)能材料將白天的太陽(yáng)能或夜間廉價(jià)的電力進(jìn)行儲(chǔ)熱,并通過(guò)固定于相變材料中的電加熱絲或緊貼相變材料層的水管(內(nèi)通熱水作為熱媒),將儲(chǔ)存的熱量傳遞給其上面的熱阻材料和地板層,從而達(dá)到供熱的目的。這種供暖系統(tǒng)不僅將地板輻射供暖系統(tǒng)所需熱媒的溫度較低、熱舒適性好的特點(diǎn)與相變材料蓄熱儲(chǔ)能效果好,溫度波動(dòng)穩(wěn)定特點(diǎn)相結(jié)合,而且充分地利用了太陽(yáng)能等各種廉價(jià)的低品位能源,系統(tǒng)的節(jié)能效果將非常顯著,是適合于太陽(yáng)能集熱器、熱泵等作為熱源的理想供暖方式。3.3內(nèi)部夾緊元件的應(yīng)用3.3.1空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉該空調(diào)系統(tǒng)利用吊頂內(nèi)的空間向房間內(nèi)送風(fēng),不必設(shè)置專(zhuān)用的風(fēng)道,系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。夜間電價(jià)低時(shí),空調(diào)系統(tǒng)通向房間的送風(fēng)閥關(guān)閉,空氣在天花板和樓板之間的吊頂空間內(nèi)循環(huán)流動(dòng),冷卻天花板和樓板,樓板中的相變材料發(fā)生相變以?xún)?chǔ)存冷量;日間送風(fēng)閥打開(kāi),送風(fēng)被樓板冷卻后送到空調(diào)房間內(nèi),滿足房間負(fù)荷的需要。同常規(guī)的吊頂空調(diào)相比,采用相變儲(chǔ)能的吊頂送風(fēng)方式房間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)峰值負(fù)荷,比較經(jīng)濟(jì)。3.3.2平板式容器相變蓄冷空調(diào)新風(fēng)機(jī)組是設(shè)置有平板式相變儲(chǔ)換熱器的新風(fēng)機(jī)組。板式儲(chǔ)換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由一組扁平的平板式容器堆積組合而成,每?jī)蓚€(gè)平板式容器之間用扁平的矩形風(fēng)道隔開(kāi)。相變材料封裝在平板式容器中,容器中還裝有若干水平水管,埋在相變材料中。利用夜間廉價(jià)的電力進(jìn)行蓄冷。蓄冷時(shí)通入冷媒水,冷媒水將冷量傳遞給相變材料,使其凝固蓄冷;釋冷時(shí),室外新風(fēng)通過(guò)風(fēng)道,相變材料熔化釋冷,使空氣降溫然后送入室內(nèi)。4相變儲(chǔ)能技術(shù)節(jié)能建筑是建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。在節(jié)能建筑中,相變儲(chǔ)能材料的使用可以充分利用太陽(yáng)能、季節(jié)溫差能等可再生能源,有效降低建筑物室內(nèi)溫度波動(dòng)、縮減各種熱能設(shè)備、降低能源支出,也可以利用低峰電力、削峰填谷、降低電能消耗、緩解電力緊張,是建材領(lǐng)域中一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦筒牧?。近年?lái),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,不利于平抑室內(nèi)溫度波動(dòng)。在輕質(zhì)建筑材料中加入相變物質(zhì)是解決這一問(wèn)題的有效方法。將相變物質(zhì)儲(chǔ)藏在多孔的建筑材料中,使這些建筑材料同時(shí)具有承重和儲(chǔ)能的雙重功能,成為結(jié)構(gòu)、功能一體化建筑材料。采用這樣的多功能建筑材料,無(wú)需占用額外建筑空間,降低建筑成本,是性?xún)r(jià)比較高的新型建筑材料,具有明顯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前,關(guān)于相變材料的研究和應(yīng)用工作還處于起步階段,其相變儲(chǔ)能機(jī)理還有待進(jìn)一步探明,其熱工性能、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步提高。對(duì)于相變儲(chǔ)能材料而言,今后其在節(jié)能建筑中的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:進(jìn)一步篩選符合環(huán)保的低價(jià)的有機(jī)相變儲(chǔ)能材料,進(jìn)一步提升相變儲(chǔ)能建筑材料的生態(tài)意義。繼續(xù)探討相變儲(chǔ)能材料與普通建筑材料的結(jié)合方式,并加強(qiáng)對(duì)在普通建筑材料中摻入相變材料后,相變材料與多孔隙建筑材料的相容性及混合后材料的儲(chǔ)熱、傳熱特性的研究,提高其應(yīng)用性能的有效途徑。針對(duì)相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域,開(kāi)發(fā)多種復(fù)合手段和復(fù)合技術(shù),研制出多品種的系列復(fù)合相變材料。結(jié)合建筑材料與暖通空調(diào)等領(lǐng)域,針對(duì)不同的使用條件(包括氣象條件),開(kāi)展房間熱過(guò)程的數(shù)值模擬研究和與模擬研究對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)如何利用相變儲(chǔ)能建筑材料使節(jié)能建筑達(dá)到最佳的節(jié)能效果進(jìn)行探討。對(duì)相變儲(chǔ)能材料自身耐久性、經(jīng)濟(jì)性、儲(chǔ)能性能進(jìn)行研究,尋求物理性能良好,不易破壞,性?xún)r(jià)比高的小巧和輕便的高儲(chǔ)能材料。5暖