相变储能材料在建筑节能中的应用

摘要：相变材料具有储能密度大、效率高以及近似恒定温度下吸热与放热等优点。 将该材料用于墙体天花板和地板，可提高建筑物热容量，从而可以降低室内温度波动，提高舒适度。本文介绍了相变储能材料的机理及其分类，综述了目前国内外相变节能材料的研究进展，分析了相变材料用于建筑上的应用方面，列举了相变材料在示范性建筑中的使用情况，最后提出相变储能材料的不足之处及应用前景。

关键词：建筑节能，相变，蓄能，建筑材料

Phase Change Materials and Its Application in the Construction of Energy-efficient

Ji yongyu

(Xi'an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055)

Abstract: A phase change material having a large energy density, high efficiency, and other advantages approximately constant temperature of the endothermic and exothermic. The materials used for walls ceilings and floors, the building thermal capacity can be increased, which can reduce the indoor temperature fluctuations and improve comfort. This paper describes the mechanism of phase change material and its classification, review the progress of the current domestic and international research phase change energy-saving materials, analysis of phase change materials for applications in buildings, citing the phase change material in an exemplary buildings usage, concludes the phase transition inadequacies energy storage materials and application prospects.

Keywords: building energy efficiency, phase transformation, storage, construction materials

0 引言

近年来随着中国的经济快速发展以及人们生活水平的日益提高，人们对室内环境舒适度的要求也越来越高。在影响室内环境舒适度的诸多因素中，室温是一个非常关键的因素，而维持室温在 16.0~28.0°C 是保持室内环境舒适度的关键。为达到这一标准，人们通过利用空调和供暖系统来调节温度，但是相应的会造成能耗大幅度增加和能源消耗过快、环境污染加剧等问题。如何在室内环境舒适度、节能、环保中保持平衡已经成为建筑设计以及节能领域的热点问题

在众多的节能方法中, 近年新出现的相变储能材料, 逐渐走进人们的视野, 成为建筑节能开发的新宠。相变储能材料在很多领域都有应用, 但应用于建材的研究始于1982 年, 由美国能源部太阳能公司发起, 在我国才刚刚起步。相变储能材料的英文全称为Phase Change Material, 简称为PCM。相变储能材料是指随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质，在一定的温度范围内,利用材料本身相态或结构的变化, 当环境温度升高或降低时, 它可以向环境自动吸收多余热量储存起来或释放储存的热量能起到保温作用。

1 相变储能材料介绍

1.1 相变储能材料机理

由于现代建筑的围护结构大部分为轻质材料, 热容小, 造成室内温度昼夜波动较大, 这不仅影响了室内环境的舒适度, 而且也增大了空调的负荷, 加大了能源的消耗。如果把相变蓄能材料加入普通建筑材料中做成建筑物的围护结构, 如储热墙体或储热地板, 就可以制成具有较高热容的轻质建筑材料。在冬季, 白天可以将照在外墙或通过窗户进入室内的太阳能储存在储热材料中, 晚上则由储热材料向室内释放热量, 从而使室内温度波动减小; 在夏季, 可通过相变储热材料的吸热作用, 延缓室温的升高, 增加居住环境的舒适度, 而且也能够降低用于室内空调的能量消耗。

图1 相变材料板材与普通板材随温度变化曲线

Figure.1  Normal phase change material and the sheet with the sheet temperature curve

如图1 所示: A ) 未加相变储能材料板材; B ) 加相变储能材料板材; C ) 天气温度变化曲线。从图1 中可以看出, 当气温较高时, 加相变储能材料的墙体内温度比未加相变储能材料的墙体内温度要低5~ 6 e , 气温较低时, 加相变储能材料的墙体内温度比未加相变储能材料的墙体内温度要高3~ 4 e 。由于相变储能材料具有相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能, 因而通过恰当的设计将相变材料引入建筑材料中, 达到储存能量或控制环境温度的目的。

1.2 相变储能材料的分类

相变储能材料的相变形式一般可分为四类：

固—气相变、液—气相变、固—固相变、固—液相变，目前研究与应用最多的仍然是固—液类相变材料，有文献[1]对国际上报道的相变材料进行了归纳总结，但总的来说应用于建筑中的理想的相变储能材料必须满足以下条件：①相变温度接近人体的舒适度16.0～28.0 ℃；②具有足够大的相变焓和热传导性；③相变时膨胀或收缩性要小；④相变的可逆性要好；⑤无毒性、无腐蚀性、无异味、无降解；⑥制作原料廉价易得。表1 为目前建筑方面使用较多的相变材料。

表1 水合盐与有机相变材料

Table.1  Hydrated salts with an organic phase change material

相变材料应用于建筑的研究开始于1982年,由美国能源部太阳能公司发起。1988年起由美国能量储存分配办公室推动此项研究。Lane在其著作《太阳能储存———潜热材料》一书中对20世纪80 年代初以前相变材料和容器的发展作了总结。20世纪90年代以相变材料处理石膏板、墙板与混凝土构件等建筑材料的技术发展起来了,随后,相变材料在石膏板、墙板与混凝土构件的研究和应用得到了发展,主要目的是增强轻质结构的热容。美国Neeper估计相变墙板能转移居民空调负荷中90%的显热负荷到用电低谷期,可降低30%的设备容量。Oakbridge 国家实验室在1990年得出结论:在太阳房中,相变墙板能明显降低附加能量的消耗,回报期大约是5年。日本的Kanagawa大学和Tokyo Denki大学的研究人员对相变墙板的储热性能进行了研究。他们得出了相变墙板的使用使得热负荷更加平缓,辐射域更加舒适,用电量下降,有消减峰负荷的可能的结论。

国内对相变建筑材料的研究起步较晚,张寅平研究了无水乙酸钠和尿素的共混物,其相变温度在28～31℃。同济大学则主要以工业级的硬脂酸丁酯为相变材料进行建筑节能混凝土材料的研究。

2 相变材料在建筑领域的应用

相变蓄热材料在建筑节能领域的应用主要体现在以下3个方面:相变蓄能维护结构、供暖储能系统和空调蓄冷系统。

2.1相变蓄能维护结构

将相变材料掺入到现有的建筑材料中,制成相变蓄能围护结构,可以大大增强围护结构的蓄热功能,使得少量的材料就可以储存大量的热量。由于相变蓄能结构的储热作用,建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减弱,作用时间被延迟,从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷,达到节能的目的。如果将相变储能围护结构与合适的通风方式相结合,相变蓄能围护结构的节能作用将更为明显。如在相变储能墙体中设置风道,利用夜间通风,在冬季可以由空气将墙体日间所蓄热量带入室内,供室内夜间采暖用;在夏季可以将墙体在夜间散入室内的热量带出室外,降低夜间空调系统的负荷。还可以在相变蓄能墙体或楼板中设置电加热器、冷热水管,利用夜间廉价的电力蓄冷或蓄热。

2.2供暖储能系统

(1) 相变蓄热地板辐射供暖系统

相变蓄热的地板辐射供暖系统所需热媒的温度较低,热舒适性好,是适合于太阳能集热器、热泵等作为热源的理想供暖方式。由于利用了低温辐射方式供暖,室内水平温度分布均匀,垂直温度梯度小,符合人体生理需要,可使人体获得非常理想的热舒适感。另外,地板辐射采暖室内设计温度可比通常方式低2℃,而且又由于可以利用廉价的低品位能源,所以节能效果显著。相变蓄热地板由上至下依次为相变材料层、水管(内通热水作为热媒) 和隔热材料。可以使用水—水热泵作为热源,利用夜间廉价的电价进行储热以供次日白天使用。也可以考虑采用平板式太阳能热水器作为热源, 节能效果将更加显著。

(2) 带相变蓄热器的空气型太阳能供暖系统

此系统由空气型太阳能集热器、集热器风机、相变蓄热器、负荷风机以及辅助加热器组成。空气在太阳能集热器和相变储热器之间、相变储热器和负荷之间形成两个循环环路。相变蓄热器包含多个供空气流动的矩形断面的通道,这些通道相互平行并用相变材料隔开。相变材料蓄存日间的太阳能并在夜间加热通道内送风以满足夜间房间负荷的需要。

2.3 空调蓄冷系统

(1) 利用楼板蓄冷的吊顶空调系统

空调系统利用吊顶内的空间向房间内送风,不必设置专用的风道,系统简单,造价低。夜间电价低时,空调系统通向房间的送风阀关闭,空气在天花板和楼板之间的吊顶空间内循环流动,冷却天花板和楼板,楼板中的相变材料发生相变以蓄存冷量; 日间送风阀打开,空气被楼板冷却后送到空调房间内,满足房间负荷的需要。同常规的吊顶空调相比,采用相变储能的吊顶送风方式房间内不会出现峰值负荷,比较经济。

(2) 相变蓄冷空调新风机组

相变蓄冷空调新风机组是设置有平板式相变储换热器的新风机组。板式储换热器结构简单,由一组扁平的平板式容器堆积组合而成,每两个平板式容器之间用扁平的矩形风道隔开。相变材料封装在平板式容器中,容器中还装有若干水平水管,埋在相变材料中。利用夜间廉价的电力进行蓄冷。蓄冷时通入冷媒水,冷媒水将冷量传递给相变材料,使其凝固蓄冷; 释冷时,室外新风通过风道,相变材料熔化释冷,使空气降温然后送入室内。上述的相变空调蓄冷系统,相对于空调冰蓄冷系统而言,属于“高温”蓄冷系统,即此种系统的制冷机出口冷媒水温度高于冰蓄冷系统的冷媒水出口温度,可以有效克服冰蓄冷系统蓄冷运行时制冷压缩机性能系数较低的缺点。

3 应用相变建筑材料的示范性建筑

3.1 德国路德维希港的公寓楼Sabine Glaser

德国路德维希港的公寓楼Sabine Glaser，是德国第一座从大能耗住宅改建为节能住宅的旧楼房。由于最新绝缘技术和建筑技术的应用，Sabine Glaser100平方米公寓的供暖费用从每年700欧元猛减至每年100欧元。其房屋的内墙涂有一层特殊的石膏，有助于夏天房间不使用空调的情况下就可以保持凉爽。这种石膏是由BASF设计，石膏含有充满蜡粒的微囊体，蜡粒中储存潜热，如果外面温度很热，蜡就融化从而吸收热量，而不会让室内温度升高。试验显示，2cm厚的新石膏涂层与20cm厚的木砖墙具有相同的热吸收能力。

3.2 两个在卡尔斯鲁厄的EnBW办公室以及在维尔茨堡大学的会议室项目

这个项目的目标是支持和推动含有相变材料的建筑产品和系统推向市场。将PCM系统纳入示范楼和实际条件下做测量，其可用于被动冷却、减少室内温度和冷却负荷高峰。除了产品开发，这个研究项目主要侧重于介绍及示范此类建筑物。他们做出相关类型的参考建筑向公众开放，并通过媒、体(互联网，专业期刊，会议等)传播，以利于市场推出PCM系统。研究者在卡尔斯鲁厄的EnBW的两个办公室以及在维尔茨堡大学的会议室安装了PGM系统，是一种后面有通风冷却的PCM天花板。见图2

图2  在盒状金属板上插入PCM铝箔袋（图片来自：http://www.pcm-demo.info/objective.htm）

Figure 2  In the box-shaped metal plate inserted into the PCM foil bags

将装有盐水化合物的PCM铝箔袋放置在被动冷却吊顶系统(金属天花板)的背面。这种系统很容易安装，可产生被动冷却能40 WIm2。若天花板材料不是金属而是低热导率的材料，例如，石膏板，这个系统的冷却能力会明显下降p另外在背面需要安装机械通风系统。夜间该系统的再生是通过室外的冷却空气来实现的。

图3  温度变化曲线（图片来自：http://www.pcm-demo.info/objective.htm）

Figure 3  Temperature curve

图3中红色线记录的是天花板安装了PCM材料，并结合背面通风的办公室的温度变化曲线。蓝色是没有PCM材料的温度变化曲线，比较二者，可看到红色的温度峰值比蓝色的低了大约2Ko在夜间，通过后面的通风冷却系统，PCM夫花板被室外的冷空气降温，实现循环再生。

图4  插入了PCM的天花板吊顶（图片来自：http://www.pcm-demo.info/objective.htm）

Figure 4  PCM is inserted Ceiling

图5  必要的后面通风系统（图片来自：http://www.pcm-demo.info/objective.htm）

Figure 5  Necessary back ventilation system

图6  斯图加特应用科技大学的演讲厅的示范吊顶构件（图片来自：http://www.pcm-demo.info/objective.htm）

Figure 6  Stuttgart University of Applied Sciences Lecture Hall demonstration ceiling elements

与卡尔斯鲁厄的办公室一样，装有 PCM 材料的冷却天花板也安装在斯图加特应用科技大学的演讲厅。冷却吊顶构件已被安装成上图的样子，以便于翻转和观察。

图 7  在卡尔斯鲁厄的一个办公室装的 PCM 百叶窗（图片来自：http://www.pcm-demo.info/objective.htm）

Figure 7  PCM blinds in an office filled Karlsruhe

当人们靠近窗户时，从垂直百叶窗进入的热辐射会让人感觉不舒服，该项目在常规百叶窗上加入了 PCM 材料，每个板条约 1 厘米厚，通过 PCM 可吸收过量的太阳辐射，再通过夜间通风，让外部的冷空气将 PCM 再生。

4 相变储能材料存在的问题

相变材料是一种高效的贮热物质,应用在建筑中,可以提高室内的舒适度,减少电力的峰谷差,优化电力的负荷等特性。目前国内外对相变材料在建筑中的应用进行了大量的研究,并且已有少量的应用,取得了一定的效果。但相变复合材料的耐久性以及其经济性等仍是主要问题。相变储能材料的研究和应用方面主要有以下问题:

(1) 相变储能材料的耐久性问题。首先,相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化;其次,相变材料从基体材料中泄露出来,表现为在材料表面结霜；再则，相变材料对基体材料的作用,在相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏。

(2) 相变复合材料的经济性问题。相变复合材料的经济性问题也是制约其广泛应用于建筑节能领域的障碍,表现为各种相变材料及相变储能复合材料价格较高,导致单位热能的储存费用的上升,失去了与其他储热方法的比较优势。

(3) 相变储能材料的储能性能问题。对于相变储能复合材料,为使储能体更加小巧和轻便,要求相变储能复合材料具有更高的储能性能。目前的相变储能复合材料的储能密度普遍小于120J / g ,有学者预测,通过增加相变物质在复合材料中的含量和选择相变焓更高的相变物质,在未来数年内,将有可能将相变储能复合材料的储能密度提高到150～200J / g。

目前,将相变材料应用于建筑,使建筑具有自动调节室温的功能,还必须解决以下问题: ①如何将相变点调节到人体感觉舒适的16～25 ℃; ②解决相变材料与材料基体的界面结合问题,使建筑材料整体强度不降低; ③相变材料必须具有较高的相变潜热; ④相变材料的掺入量必须足以影响环境的温度且又不影响建材强度; ⑤解决相变疲劳问题,使材料具有较长的使用寿命; ⑥必须具有较低的成本。

5 相变材料在建筑中应用展望

目前,关于相变材料的研究和应用工作开始不久,它们的分子结晶态及能量的转变过程机理还有待进一步探明,其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。相变储热材料的开发, 正逐步进入实用阶段。相变墙体、相变地板、储能砂浆等的出现将对储能材料的建筑用途有很大的推动作用。现在国外已经研制出储热地板,国内也有相变储热水泥,并且国内学者正在研究和家具、墙纸、墙面涂料融为一体的相变材料。

未来研究相变材料在建筑材料中应用将主要集中于以下几点: (1) 针对不同的室内外环境条件,开发出具有合适的相变温度与相变焓,在长期使用变速率的方法; (2) 研究相变材料与普通建筑材料的结合方式,研究在掺入相变材料后,相过程中物理化学性能稳定的性价比较高的相变材料; (3) 研究改善相变材料的导热性能,提高其相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热、机械及防火特性; (4) 在应用了相变建筑节能材料的结构,具有不同热(冷) 源型式的供暖、空调系统。

参考文献

[1] 马芳梅. 相变物质储能建筑材料性质研究的进展[J ] . 新型建筑材料,1997 , (8) :40.

[2] 甘四洋. 相变储能材料在建筑中的应用[ J] . 化工新型材料, 2008, 35( 3) .

[3] 张 亮. 相变材料的研究进展及其在进展领域的应用综述[ J] . 材料开发与应用, 2010, 25( 1) : 69- 72.

[4] 田雁晨. 相变储能材料[ J] . 化学建材, 2009, 25( 4) :32- 34.

[5] 梁辰,闫全英1相变储能技术的研究和发展[ J]. 建筑节能, 2007, 35 (12) : 41～441

[6] 姜勇,丁恩勇,黎国康. 相变储能材料的研究进展[J ] . 广州化学,1999 , (3) :48.

[7] 王 华. 高性能复合相变蓄热材料的制备与蓄热燃烧技术[ M] . 北京: 冶金工业出版社, 2006.