相变储能材料在建筑节能中的应用[1]

相变储能材料在建筑节能中的应用随着人们生活水平以及对工作与居住环境舒适度要求的提高，空调能耗随之大幅度增高，造成能源消耗过快、环境污染增加、电网负荷峰谷过大、峰负荷时电力供应严重不足等建筑能耗增加的问题，目前欧美发达国家的建筑能耗已达到全社会总能耗的40％，在我国建筑能耗约占全国总能耗的27．8％，随着经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，建筑能耗的比重将进一步增加。因此，建筑节能技术的开发与应用已成为当前建筑和建筑材料领域的热点问题之一。目前广泛应用的外墙外保温和内墙内保温技术虽然可以降低能量的消耗，但由于材料本身的热容量有限，不能充分地将能量进行储存利用，因而限制了建筑节能的能力。如何在维持可持续发展的前提下，使用最低能耗达到居住环境舒适度最大化？这里就要用到相变储能材料。相变储能材料（PhaseChangeMaterials，PCMs）是在发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境释放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的，由于相变物质在其物相变化过程(熔化或凝固)中，可以从环境吸收或放出大量热量，同时保持温度不变，可以多次重复使用等优点，将其应用于建筑节能领域不但可以提高墙体的保温能力，节省采暖能耗，而且可以减小墙体自重，使墙体变薄，增加房屋的有效使用面积，因此可以说，相变储能技术是实现建筑节能的重要途径。相变储能建筑材料是通过向传统建筑材料中加入相变材料制成的具有较高热容的轻质建筑材料，具有较大的潜热储存能力。通过用相变储能建筑材料构筑的建筑围护结构，可以降低室内温度波动，提高舒适度，使建筑供暖或空调不用或者少用能量，提高能源利用效率，并降低能源的运行费用。因而具有广阔的应用前景。对于相变储能材料，比较系统的科学研究是在第二次世界大战以后展开。美国麻省理工的M.Telkes和G.A.Lane等人在相变材料的配制和性能研究、相平衡、结晶、相变传热、相变储能系统设计等方面做了大量工作。20世纪70年代初，第一次能源危机爆发，西方发达国家受到巨大冲击，但促进了社会和工程界对相变储能材料和建筑节能技术的重视，相变储能材料的理论和应用研究也得到了长足的进步和发展。目前，相变材料在建筑领域的应用已经成为其最为重要的利用途径之一，它在太阳能系统、工业余热利用、电力调峰、纺织业等都有很广泛的利用。可以预计，在今后相当长的时间里，相变储能建筑材料在环境材料和建筑节能等领域都将扮演极其重要的角色。1相变储能材料1.1相变材料的相变形式相变是物质集态或组成的变化。相变的形式有以下4类：（1）固－固相变；（2）固－液相变；（3）液－汽相变；（4）固－汽相变。一般来说，从（1）到（4）相变潜热逐渐增大。由于第（3）、（4）类相变过程中有大量气体，相变物质的体积变化很大，因此，尽管这2类相变过程中相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用。与此相反，固－固相变由于体积变化小，对容器要求低（容器密封度、强度无需很高），可以直接加工成任意形状，因此，往往是实际应用中希望采用的相变类型。但是固－固相变的潜热较小，相变温度一般也较高，对中低温的应用不理想，所以，大多数传统的PCMs是通过固－液相变来储存和释放能量，但是由于该相变过程中会出现液体，必须进行封装处理，因而也限制了其应用范围。有时，为了应用需要，几种相变类型可同时采用。1.2相变材料的分类大量的有机材料、无机材料和共晶混合物因为特有的熔解温度和潜热储存能力而被定义为相变储能材料，已知的相变储能材料几乎可以满足任何温度范围的使用需求。与传统的显热储存方式不同的是，相变储能材料能够提供更高的储能密度，且能量的储存和释放是一个等温或近似等温的过程，相变储能材料的这种特点是其具有广泛应用基础的原因。相变储能材料可以按照材料的性质和组成进行分类，具体的类别如图1所示。1.3不同相变材料优缺点的比较根据上述相变储能材料的分类，各种不同材料的优缺点见表1。表1不同种类的PCMs的优缺点项目优点缺点有机相变材料（1）适应温度范围广；（2）固化时没有明显过冷现象；（3）结晶速率高；（4）与传统结构材料兼容性好；（5）化学性能稳定；（6）安全无毒，无腐蚀；（7）循环利用性能强；（8）熔解热高（1）固态时导热性能较低；（2）单位体积储热能力差；（3）容易燃烧；（4）和无机相变材料相比成本较高无机相变材料（1）单位体积储热能力强；（2）成本低廉，易于获取；（3）导热系数高；（4）熔解热比较高；（5）不易燃烧；（6）有明确熔点。（1）过冷是固-液相变中的主要问题；（2）有析出现象；（3）体积变化较大。共晶混合物（1）与纯物质相似，也有明显的熔点；（2）储热能力略高于有机混合物。研究开发不多，能够使用的这种材料有限1.4相变材料的选择依据具有相变储能特征的材料数量庞大，种类繁多。在实际的科学研究和工程应用中结合具体情况选择和配制合适的相变材料，是必须认真考虑的问题。表2给出了选择相变材料的一些基本原则和依据。表2PCMs的选择依据项目选择依据热力学性能（1）具有合适的相变温度；（2）具有较高的相变潜热；（3）具有较高的比热和导热性能；（4）在相变过程中体积变化较小，产生的蒸汽压较低。动力学性能（1）具有较高的结晶成核能力，以避免过冷现象；（2）具有较快的晶体成长速度，使得所需的能量能够从储存体系中快速返回。化学性能（1）具有较好的化学稳定性；（2）具有完全可逆的凝固、溶解循环；（3）在大量相变循环以后没有明显降低；（4）无毒、无腐蚀、耐火。经济性（1）成本低；（2）使用分为广。2、相变材料在建筑节能上的应用2.1相关研究的意义和目标目前，全球能源危机仍在加剧，石油、天然气等传统能源的需求量每年都在增加，但是可再生能源的替代性却迟迟无法实现。我国能源总量丰富，但是人均能源可开采储量远低于世界平均水平。从能源利用效率来看，目前国内能耗高，能源效率低，与此同时，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20世纪70年代末的10%，上升到近年的27.5%。国家建设部科技司研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35%左右。如果任由这种状况继续发展，到2020年，我国建筑耗能将达到1089亿t标准煤，空调夏季高峰负荷将相当于10个三峡电站满负荷能力，如此庞大的建筑耗能已成为我国经济发展的沉重负担。目前，我国已明确提出了“十一五”期间所要达到的建筑节能目标，而要实现这个目标，需要各种节能技术的改善和发展。基于上述原因，从建筑节能的角度来看，对相变储能建筑材料的研究工作十分紧迫。综合过去的研究成果，对相变储能建筑材料的研究需要达到以下几个基本的目标[7]：（1）在指定的温度范围内能够储存和释放适当的能量；（2）能够在任何传统的建筑制品中使用；（3）施工人员在传统的结构上能够方便安装；（4）在现有设备基础上能够进行生产；（5）节能所获得的经济效益高于安装、使用相变储能建筑材料的费用。2.2相变储能建筑材料的形成工艺相变储能建筑材料是将PCM加入到传统的建筑材料中。相变储能建筑材料能够做建筑结构材料，承受载荷；同时有具有较大的蓄热能力。PCM和建材集体的结合工艺一直是研究的重点与难点。目前研究的具体实施方法主要是：其一，共混而成，即利用两者的相容性，熔融后混合在一起而制成成分均匀的储能材料。许多新型固－固PCM不断开发也推动了这一工艺的应用。其优点在于，结构简单，性质更均匀，更易做成各种形状和大小的建筑材料。其二，采用封装技术，即把载体基质做成微胶囊、多孔泡沫塑料或三维网状结构，再把相变材料灌注于其中，主要微观仍是发生固－液相变，但在整个储能材料宏观上仍是保持其固体形状。其优点在于，无需容器成装，可直接加工成型，不会发生过冷现象，使用安全方便。其三，通过浸泡将PCM渗入多孔的建材基体中。其优点在于，可以使传统的建筑材料按要求变成PCM建材。2.3相变储能建筑材料在建筑节能中的主要应用（1）相变材料所储存的能量可以来自于主动或被动接收的太阳能，也可以是仪器设备、照明或生产加工过程的废热能，或者是一些热空气渗透、迁移所带来的能量，以及人类活动所产生的热能（如在教室、剧院、餐厅、厨房等）。显然，这些能源都是廉价的可再生能源或者是废弃的热能，如果无法得到回收和利用，就将流失浪费。因此，相变储能建筑材料在利用太阳能和废热能方面，有着积极的作用。（2）相变储能建筑材料的使用有助于能量在不同时间上的迁移。在许多地区，经常会出现白天温度较高而夜间温度较低的情况，如果将白天多余的热能迁移到夜间释放，则有助于人居环境的改善，而相变材料恰恰能够做到这一点。随着大家节能意识的增强，人们纷纷把目光投向了建筑节能领域，并开发出各式各类的相变材料用于混凝土、砂浆、天花板、墙体、窗户和地板中。利用相变储能建筑材料可有效利用太阳能来蓄热或电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度减弱、作用时间被延迟，从而降低室内的温度波动，提高舒适度，以及节约能耗。从理论上看，即使是进行跨季节的蓄热和蓄冷也是完全有可能的。另外，相变材料的这一特点将有助于人们更多地避开电力消耗高峰时期使用蓄冷或蓄热设备，而在电力消耗低峰时期如夜间使用这些设备，由于夜间的购电成本远远小于白天，因此可以使建筑物能耗费用大大降低。·（3）相变储能建筑材料的使用有助于能量在不同空间上的迁移。相变储能材料在建筑物的屋面使用时，可以起到收集太阳能的作用，收集到的能量可以通过热传导系统传递到房屋天花板、地板和墙体等部位并释放出来，从而使得能量在不同空间进行迁移，以满足人们的使用需求。（4）相变储能建筑材料可以有效改善人居环境，降低建筑物制冷或制热设备的负荷。相变材料可以降低建筑物室内温度波动、缩减各种热能设备、降低能源支出和提供健康舒适的室内环境，可以利用低峰电力、削峰填谷、降低电能消耗、缓解电力紧张。尤其是近年来，随着高层建筑的快速发展，大量采用轻质建筑材料。而轻质建筑材料的热容比较低，不利于抑制室内温度波动。在轻质建筑材料中加入相变材料是解决这一问题的有效方法。（5）现代建筑向高层发展，要求所用围护结构为轻质材料。但普通轻质材料热容较小，导致室内温度波动较大。这不仅造成室内热环境不舒适，而且还增加空调负荷，导致建筑能耗上升。目前，采用的相变材料的潜热达到170J/g甚至更高，而普通建材在温度变化1℃时储存同等热量将需要190倍相变材料的质量。因此，复合相变建材具有普通建材无法比拟的热容，对于房间内的气温稳定及空调系统工况的平稳是非常有利的。当室外温度有较大波动(波峰与波谷的距离较大)时，墙体温度波动不大，这样室内温度波动也不大，同时，相变房间的热流密度也明显比普通房间低，因此相变储能材料起到了调节室内温度的效果。（6）相变储能材料在建筑节能中的展望储能建材的研究涉及三个方面的问题：PCEM的热物性、PCEM与建材基体的相容性和经济性。PCEM的热物性表现为以下几个方面：(1)相变温度正好是室内设计温度或供暖、空调系统要求控制的温度。(2)具有足够大的相变潜热。(3)导热系数大，密度大。(4）相变时膨胀或收缩性要小。(5)相变的可逆性要好。因此如何选取环保且与建材基体相容性很好的廉价材料进行研究制备符合各种要求的相变储能材料成了日后研究的主题。为此，相变储能材料在建筑节能领域的研究应注重以下方面的内容：(1)针对不同的室内外环境条件及不同的使用目的，开发出具有合适的相变温度与相变焓并在长期使用过程中物理化学性能稳定的相变材料。(2)普通建筑材料中掺入相变材料后，相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热特性的研究。(3)在应用了相变储热装置或相变储热围护结构，具有不同热(冷)源形式的供暖、空调系统中，针对不同的使用条件(包括气象条件)，开展房间热过程的数值模拟研究和与模拟对应的实验研究。3结语相变材料具有良好的热物理性能，是一种高效的储能物质，相变储能材料在建筑节能领域具有良好的应用前景。尽管相变储能建筑材料已经逐步进入了实用阶段，但还存在着以下的问题：首先，目前的研究主要集中