第11讲--贮热相变材料应用

1贮热相变材料的应用1、引言2、PCM在建筑节能中的应用3、PCM及其它应用焦冬生热科学和能源工程系2引言我国能源现状人均能源储备量少，远低于世界平均水平。能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重。环境污染严重。3中国人口众多，资源相对不足，许多重要资源人均占有量远低于世界平均水平。我国石油可采资源总量为150~200亿吨。其中2020年以前可供勘探利用的资源总量为150亿吨，2020~2050年随着技术进步和领域拓展，可供勘探利用的资源总量有望再增加50亿吨，达到200亿吨。石油资源总量在世界排第六位、亚洲排第一位。我国天然气可采资源总量为14~22万亿立方米，其中2020年前可勘探利用的资源总量为14万亿立方米，2020~2050年可勘探利用的资源总量再增加8万亿立方米，达到22万亿立方米。天然气资源总量列世界第五位、亚洲第一位。4附能源标准煤的折算系数=某种能源每千克实际热值/每千克标准煤热值（7000千卡）。5我国能源现状2006，我国能源利用效率仅为34%，相当于发达国家20年前的水平，相差10百分点。一次能源生产总量增长11%，石油1.8%。从能源消费来看，按1990年不变价格计算，每万元GDP能耗从1990年的2.68吨标准煤下降到2007年的1.06吨标准煤，降幅超过60%。从能源生产来看，2007年我国平均每千瓦时发电煤耗为357克，较之“十五”期间下降了20克左右。2014年7月19日,美国节能经济理事会(ACEEE)发布报告称，16个最大的经济体中，美国在能源利用效率方面仅得42分，排在第13位。满分100，中国得61分排第四，在建筑领域能源利用率得分19，居世界第一。2012年在12个经济体中，美国排在第9位。9我国能源现状广义上的建筑能耗包括建筑运行使用能耗和建材生产与建筑建造过程的能耗，节能的重点和技术措施也有不同。我国的建筑能耗现状与趋势我国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7％。其中，北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为1.6亿吨标煤/年，占我国2004年煤产量的11.4％；建筑用电和其它类型的建筑用能（炊事、照明、家电、生活热水等）折合为电力，总计约为5500亿度/年，占全国社会终端电耗的27％～29％。我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的10%，上升到27.45%(2014年)。10目前我们全国房屋数量有400亿平方米左右，房屋建筑规模已超过所有发达国家。但在每年近20亿平方米的竣工面积当中，只有五六千万平方米是节能建筑，只占3%左右，97%属于高耗能建筑。北京市一般住宅的采暖能耗基准数是25公斤标准煤，搞了节能措施以后实际能耗是23.9公斤标准煤。而在气候条件相同的德国，其新建房的采暖能耗已经从上个世纪70年代的24到30公斤标准煤降到现在的4到8公斤。我国每年盖的房子普遍是节能很差的房子，如果这一状况不加以改进，建筑能耗的未来将非常沉重。11电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%；机动车油耗水平比欧洲高25%，比日本高20%；单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2倍—3倍。12全国水电与火电发电情况05年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月水电发电量181.4166.2209.9254.4347398.6404.2389.8374365.3293.6244.2火电发电量1650.51376.81675.61586.71521.31553.81717.31712.11622.51592.41696.91953.3数据来源：国家统计局《2014年电力工业运行简况》2014年我国水电装机容量和发电量分别历史性突破3亿千瓦和1万亿千瓦时，火电发电量则首次出现下降。2014年全国非化石能源发电量已占到25%左右（火电量占75%左右）。也就是说，全国每5千瓦时电中约有1千瓦时水电和0.25千瓦时其他非化石能源发电，或者说，每4千瓦时电中已经有1千瓦时为非化石能源发电。2014年水电以外的清洁能源发电量情况为：风电1563亿千瓦时，核电1262亿千瓦时，太阳能发电突破200亿千瓦时达231亿千瓦时，同比分别增长12.2%、13.2%和171%，共占全国发电量5.6%左右，比上年提高0.7个百分点。13电力电能供给相对恒定，需求变化不定。由于工业、商业和住宅的需求，电能消费在白天和夜晚的变化很大，特别是在极端气候地区的空调和采暖的耗电。这种变化导致不同的峰谷电价，如果能把波峰电负荷转移到用电波谷处，则会产生更好的经济效益。可用贮热或蓄冷的方式达到这一目的。14工业余热电厂钢厂玻璃水泥石化15可再生能源太阳能太阳能供给变化较大。太阳能的应用需要有效的热能贮存，有效的应用在很大程度上依赖于能源贮存。风能生物质能16相变材料从八十年代开始，PCM（PhaseChangeMaterials）已作为贮热材料应用于太阳能建筑。用PCM强化石膏板、混凝土和其它砖块的热性能，以降低室内温度的波动，提高舒适性。17第二节集中空调的相变贮能系统1.削峰填谷——分时计价：缓解或调节电网负荷，节约用户开支2.蓄冷空调：制冷剂直接蒸发制冰系统；利用盐水不冻液间接冷却制冰系统；热管式蓄冷系统；冰球式蓄冷系统。3.电能蓄热。公共场所需求较高。18制冷剂直接蒸发制冰系统19利用盐水不冻液间接冷却制冰系统20热管式蓄冷系统21冰球式蓄冷系统22蓄冷系统的设计部分蓄冷，全部蓄冷负荷经济性运行工况及耗电量系统控制23第三节PCM在建筑节能中的应用主动式部件建筑构件24建材构件注入PCM的石膏板注入PCM的砖块地板百叶窗天花板墙体添加阻燃材料25Peippo等展示了在Madison,Wisconsin(43N)的120m2房屋，每年节约4GJ(约占全年的15%).最佳状况是熔点温度高于室内平均温度1–3℃。26272829303132主动式系统--例一采用空气作传热介质时，相变贮能装置的贮热体积比显热贮热的小得多，且易于控制；右图为标准的太阳能空气采暖的原理图，所用相变材料可以是无机盐或石蜡；33主动式系统--例二右图是另一种以空气为工质的太阳能供暖系统，采用的是回转圆筒型相变贮热装置。该实验将十水硫酸钠装入250升的钢制容器中，PCM只占该回转容器的95%（否则转不动）。从容器的一端沿回转轴插入管状结晶核发生装置（解决过冷问题）。安装在滚筒上的小型电动机以每分钟3转的速度回转，可保证容器内的蓄热材料均匀（解决析晶）。34建筑部件—PCM的选择使用PCM作建筑贮热材料有以下优点：相变过程基本上在恒温下进行，有利于把温度变化维持在较小的范围内，提高舒适度；PCM的单位体积贮热密度高，可大大缩小贮热系统的体积。35建筑部件—PCM的选择在建筑应用中，相变材料的融点应接近所需求的室温：十水硫酸钠、六水氯化钙以及石蜡是合适的材料，这些材料加入适当的混合物后可以做成墙、地板、天花板，应用于诸如直接受益式、附属温室型、贮热水墙式、Trombe墙等被动式采暖系统中；另外，羧酸、多元醇等有机化合物相变材料可灌入普通建筑材料中，特别适用于被动式太阳房。36建筑部件—与建筑构件的组合传统PCM的三条使用途径将相变材料密封在合适的容器内；将相变材料密封在建筑材料中；将相变材料直接与建筑材料混合；定形相变材料直接应用胶囊37将相变材料密封在合适的容器内（途径一）将PCM封装在由铁或塑料等做成的合适的容器内例：将加入适当成核剂的十水硫酸钠或六水氯化钙封装在由HDPE制成的容器中38将相变材料密封在建筑材料中（途径二）为防止相变材料的泄露，通常使用一些特殊的封接剂，如：用尿烷煤焦油做六水氯化钙的封接剂，做成轻质水泥砖；或用聚酯做封接剂，制成泡沫水泥瓦；不用普通水泥而用聚酯黏结剂和甲基丙烯酸甲酯添加剂组成的高分子混凝土制成砖瓦；需要注意的是由于相变材料与建筑材料的不相容性而引起的材料长期使用后的变质问题。39将相变材料直接与建筑材料混合这种方法的好处是结构简单、性质更均匀、易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同需要。主要的工作有：1.D.W.HawesandD.Feldman,Absorptionofphasechangematerialsinconcrete,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:91-101.2.D.W.Hawes,D.BanuandD.Feldman,Thestabilityofphasechangematerialsinconcrete,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:103-118.3.H.Kaasinen.Theabsorptionofphasechangesubstancesintocommonlyusedbuildingmaterials,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:173-179.40AbsorptionofphasechangematerialsinconcreteD.W.Hawes.Centreforbuildingstudies,ConcordiaUniversity,CA研究了水泥建筑材料对贮热相变材料的吸收和保持的机理，建立了水泥构件（多孔介质）浸于液态相变材料中的浸润时间、吸收面积与所吸收的相变材料的关系方程，分析了温度、液态相变材料的黏度、水泥密度、氢键对相变材料在水泥构件中穿透状况的影响，并对水泥构件中的空隙率及它们被相变材料填充的方式做了观测和讨论。对四种常用建筑水泥及其与筛选出的六种相变材料间的相容性、结合性能及稳定性进行了实验研究，得到了具有良好热性能及稳定性的相变材料-水泥组合。研究结果还表明，采用经改进后的水泥后相变材料的稳定性有所增加，这种效果对碱性较强的水泥尤其明显。41TheabsorptionofphasechangesubstancesintocommonlyusedbuildingmaterialsH.Kaasinen,TechnicalResearchCentreofFinland研究了常用建筑材料（石灰板、木屑板、多孔墙板、多孔水泥砖、水泥-沙-石灰合成砖等）对相变材料（羧酸、多元醇）的吸收问题。指出：1.羧酸进行的是固-液相变，建材吸饱羧酸后必须涂一密封层；2.多元醇在实际应用中发生的是固-固相变，将建材浸在其溶液中，吸收饱和后使溶剂蒸发完即可使用。其优点是不需考虑密封问题，缺点是建材对其吸收能力差，因而制成的构件热容量不大。42Capricacid羊醋酸Lauricacid十二烷酸Myristicacid肉豆蔻酸Neopentylglycol(NPG)新戊二醇Neopentylglycol(NPG)Pentaerythritol(PE)季戊四醇Pentaerythritol(PE)季戊四醇43PorouswallboardWood-particleboardGypsumboardCellularconcrete(多孔)timberbrickconcreteabsorptionofcarboxylicacidinbuildingmaterials4445Porouswallboard464748建筑部件—蓄热天花板夜间供暖系统利用百叶窗式反射镜，将太阳反射到天花板上铺设的片状相变材料上，白天蓄热，晚上供暖；片状物由预制的塑料混凝土制成，其中封入由38%wt硫酸钠，3%硼砂，8%氯化钠，3%二氧化硅粉末和48%的水混成的相变材料；氯化钠起降低融点的作用，硼砂和二氧化硅起促进结晶的作用；蓄热材料的共熔点为22.8度；实验表明能使室内温度维持在20度左右49建筑构件—墙体（美国）1978年，美国Delaware大学的Instituteo