相变换热与建筑节能

相变换热与建筑节能摘要我国建筑能耗约占社会商品能源总消费量的25%，其中建筑空调系统能耗约占建筑能耗的50%。相关资料表明，材料的变物性可以改善建筑围护结构性能，使全年室温曲线在冬季或夏季更靠近舒适区，从而显著节约建筑采暖或者空调能耗。而相变材料是一种典型的变比热材料。因此如将具有合适相变温度范围的相变材料用作建筑围护结构，建筑热工性能可显著提高，大大减少建筑物的采暖和空调能耗。为使其达到最佳节能效果,相变材料的合理布置与换热方式显得尤为重要。关键字：相变材料，建筑节能AbstractChina'sbuildingenergyconsumptionaccountsforabout25%oftotalenergyconsumption,andthebuildingairconditioningsystemenergyconsumptionaccountsforabout50%ofthebuildingenergyconsumption.Relatedinformationshowsthatthematerialpropertiescanimprovetheperformanceofbuildingenvelope,sothatthewholeyearroomtemperaturecurveinwinterorsummermoreclosetothecomfortzone,therebysignificantlysavingbuildingheatingorairconditioningenergyconsumption.Thephasechangematerialisakindoftypicalvariablespecificheatmaterial.Therefore,asthephasechangematerialcanbeusedasthebuildingenvelope,thethermalperformanceofbuildingcanbeimprovedsignificantly,andtheenergyconsumptionofbuildingscanbegreatlyreduced.Inordertoachievethebestenergysavingeffect,thereasonablearrangementofphasechangematerialandheattransfermodeisveryimportant.Keywords:Phasechangematerials，Buildingenergysaving引言建筑能耗即建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、炊事、家用电器等方面的能耗。其中，以建筑采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50%-70%。随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国建筑能耗日益增长。因此如何节约建筑采暖或者空调能耗先得十分紧迫。相变储能是利用相变材料发生相变过程将能量储存起来，待需要时又将储存的能量释放出来，因此可以解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。相变材料具有储能密度大、蓄放热过程近似等温、过程容易控制等优点。相变材料引用到建筑，是建筑领域革命性发展。主要作用结果是节能，可以达到节能60%-99%。以北方采暖为例，使用相变材料，按照100平米的房屋为测量单位计算，一个采暖季的用电量只有10度左右。1.相变材料的定义及分类具有热能贮存和温度调控功能的这些物质，称为相变材料（PCM，PhaseChangeMaterials），主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三类。其中，无机类相变材料主要有水合结晶盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类相变材料主要包括石蜡、醋酸和其他有机物。利用某些物质在相转变过程中的吸热和放热现象，可以实现热能的贮存和温度的调节控制显热储能、潜热储能和化学反应储能是储存热能的三种方式由于在应用和具有开发潜质的相变材料数量庞大，种类繁多，因此，相变材料的分类方式也很多。按照储能量的特点，储能材料可以分为：储热材料和储冷材料。按照储能的方式，储能材料大体分为：显热储能、潜热储能和化学反应储能三大类。1.1固-液相变材料固-液相变材料在温度高于相变点时，吸收热量，物相由固相变为液相。当温度下降，低于相变点时，放出热量，物相由液相变为固相，可以重复多次使用。这类相变材料的优点是：无需容器盛装，可以直接加工成型，不会发生过冷现象，使用安全方便。当然，这类材料也具有很多缺点：一是以共混形式制成的相变材料，在低熔点工作物质熔融后，会通过扩散迁移作用与载体基质间出现相分离，这一难题很难克服；二是工作物质加入载体后，会导致整个材料的储热能力下降，材料的能量密度减小；三是载体中掺入工作物质后，会导致材料机械性能的下降，整个材料的硬度、强度、柔韧性等性能都受到很大的损失，可能会造成寿命的缩短、易老化而使工作物质泄漏。因此，工作物质与载体之间存在着难以克服的矛盾，使得这种材料不能完全替代固-固相变材料1.2固-固相变储能材料目前已经开发出的具有潜力的固-固相变材料主要有三类：无机盐类、多元醇类和高分子类。其中后两种在实际中的应用较多。固-固相变材料与固-液相变材料相比具有很多优点：一是无需容器盛装，可以直接加工成型；二是固-固相变材料膨胀系数较小，体积变化小；三是无过冷现象和相分离现象；四是无毒、无腐蚀、无污染；五是性能稳定，使用寿命长；六是使用方便，装置简单。因此固-固相变材料是最有前途的研究领域之一。2.相变建筑围护结构构筑2.1相变建筑围护结构构筑的难点难点是如何实现相变材料与建材基体的融合，在这一方面AnilTO和SircarK等的工作比较突出，结合制备工艺和实际情况，目前相变材料与建材基体的结合工艺，主要有以下几种方法。2.2相变材料与建材基体的结合工艺方法1）将相变材料密封在合适的容器内。如PiiaLamberg等介绍了将装有水合盐相变材料的金属管子置入混凝土构件中，以提高建筑物结构的热容，从而在夏季对室内起到降温作用。2）将相变材料密封后置入建筑材料中。近年来得到迅速发展的微囊包封相变材料技术也属于这一种；如可用尿烷煤焦油做CaCl2·6H2O的封接剂，做成轻质水泥砖等。3）通过浸泡将相变材料渗入多孔的建材基体(如石膏墙板、水泥混凝土试块等)。其最大的优点就是可以使传统的建筑材料(如石膏墙板)按要求变成相变材料建材。4）将相变材料直接与建筑材料混合。如将相变材料吸入半流动性的硅石细粉中，然后掺入建材中。许多新型固-固相变材料不断开发推动这一工艺的应用。这种直接混合方法的优点在于结构简单，性质更均匀，更易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同的需要。2.3利用相变材料的做出的实际产品1）付英会以癸酸和月桂酸的低共熔物为相变材料，普通石膏板为建筑基材，使用浸泡法制备出相变储能墙板，确定了相变墙板中相变材料的最佳混合比，进行了作为建筑构件的相变墙板的吸水性与所选贴面材料的兼容性等方面的测试。搭建了相变墙房间试验装置和测试系统，进行了与相变墙房间相同结构的普通房间和相变房间的对比试验，测试了两个房间的内表面温度和热流，分析了相变墙板对表面温度和热流的影响。2）张东等用”两步法”，即首先制作相变储能骨料，再用普通混凝土的制备技术配制了相变储能混凝土。实验结果表明，采用该方法可以在混凝土中储存足够的液体相变材料，配制的相变储能混凝土的储能功能与商业相变材料相当，可以满足实际应用的要求。3）德国BASF公司研制的相变砂浆含10%～20%的微胶囊化石蜡，用这种砂浆抹于内隔墙，每平方米墙面含有750～1500g石蜡，每2cm厚的石蜡砂浆蓄热能力相当于20cm厚的砖木结构墙。这种砂浆已用于德国建筑节能工程中。4）美国专利公开了一种块集瓷砖结构，由石英、花岗岩、石灰石、大理石、玻璃、陶瓷等的粉末、碎片、颗粒组成的基体以及黏结材料和相变材料组成，可以是单层结构，也可以是多层结构。5）吸湿相变材料在建筑围护结构中的应用研究对于建筑材料的物理性能和建筑围护结构保温隔热性能的应用具有非常重要的意义。结合建筑物所处自然气候条件，充分利用氯化钙的吸湿性质及相变特性制造一些建筑材料应用于建筑围护结构，可以实现对室外太阳辐射的转化和控制、降低室内空气温度和湿度、改善建筑室内热环境，达到节约能源、再生能源的利用和实现可持续发展的目的。2.4相变材料在建筑中的应用形式1）冬季白天利用太阳能蓄热，夜晚释放，提高冬季夜间室内温度，减少建筑冬季夜间采暖能耗，对此类的应用合适的相变温度一般在15-20摄氏度。2）我国一些地区，夏季昼夜温差较大，利用夜间通风结合建筑围护结构蓄冷可以调节建筑室温，提高室内舒适度，降低空调能耗。3）利用夜间廉价电，转移电网高峰负荷。第一种形式属于利用相变材料进行太阳能蓄热的应用，第二种形式属于利用相变材料进行夜间蓄冷的应用，这两种均属于被动式蓄能应用，而第三种则为主动蓄能应用。2.4.1太阳能相变蓄热应用太阳能是一种可再生能源，但太阳辐射受天气、时间影响较大，利用相变材料蓄热能够增大能量的利用效率,可以直接使用相变材料吸收太阳辐射，也可利用太阳能集热器结合相变材料使用。在这些应用形式中，最常见的是利用相变材料起到蓄热的作用。如常见的“特隆布墙”它是将良好蓄热性能的建筑材料置于朝南面的玻璃幕墙后面，利用材料相变时具有很高的蓄热性能来吸收透过玻璃的太阳辐射热，对玻璃与相变材料形成的夹层进行通风，将相变材料蓄存的热量通过对流或者辐射的方式传入室内，从而减少房间的热负荷。2.4.2结合夜间通风的相变蓄能吊顶系统夜间通过风机引入室外冷风，对相变材料蓄冷，出口空气排入室内（或者部分空气直接排除室外），同时对建筑围护结构蓄冷；白天，空气从室内引进相变贮能换热器，经相变材料冷却后送回室内，达到室内降温效果。为合理布置系统，减少占用空间并考虑美观因素，将相变贮能换热器安装在房间吊顶与上层楼板之间的空间内。2.4.3结合夜间通风的相变蓄能墙在我国部分地区，夏季昼夜温差较大，利用夜间通风结合相变材料建筑围护结构蓄冷可以调节建筑室温、提高室内舒适度、降低空调能耗，是实现持续发展建筑环境控制的一条新途径。但这种结构形式在夏季平均温度低于25摄氏度（尤其是昼夜温差超过15摄氏度）的地区，相变墙的使用效果非常明显。2.4.4相变蓄热式地板采暖系统与传统的对流式散热器相比，地板采暖是一种舒适的采暖方式，且能节省空间，而且现在由于这种采暖方式的优越性得到了大力的推广。因为的相变材料的蓄热特性，可以利用夜间廉价电加热相变材料，使其产生相变，以潜热形式储存热量，白天放出给房间供暖。如果可以很好解决相变材料体积储存的问题，那么这种采暖方式将可以完全普及。因为利用了相变蓄热与电热膜相结合，在实行峰谷电价的地区，利用低谷廉价电运行，可大大降低电热膜采暖的电费开支。在间歇式地板供暖方式下，相变材料地板的供热稳定性要优于混凝土地板。相变地板表面不会出现混凝土加热时过热和停热后过快衰减的现象。在相同的地板热阻下相变材料地板较大的潜热蓄能作用可以消减供热峰值、延迟稳定供热的时间，减少地板表面热流密度的波动性。相变地板的蓄能比大于混凝土地板的蓄能比。相变地板能更多地转移和利用夜间蓄存热量。相变温度在30-40摄氏度变化时，相变材料地板的蓄能比要比混凝土地板的蓄能比大19.6%-24.2%。3.相变材料的发展前景及研究方向3.1相变材料的发展前景目前，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。相变储能建筑材料还处于应用研究阶段．相变材料大量在建筑中使用需要解决以下一些技术问题：1）开发出多种适合建筑中使用的相变材料；2）建立相变过程的物理数学模型，数值模拟相变过程；3）相变