相變儲能技術在建筑領域的應用分析

原芷若 蘇增強 張明旭 鄧岳坤 戰乃巖

(1.吉林建筑大學應急科學與工程學院，吉林 長春130018；2.吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春130018）

0 引言

如今，熱能儲存系統對于減少對化石燃料的依賴并促進更有效的環境友好能源的使用是必不可少的。隨著建筑熱舒適需求的日益增加，建筑能耗也相應增加。例如，在法國，建筑的能源消耗在過去的30年里增長了30%。住房和三級建筑消耗的能源約占總能源的46%，二氧化碳排放約占總排放量的19%。蓄熱可以通過顯熱蓄熱或潛熱蓄熱來實現。顯熱儲存已經被建筑商使用了幾個世紀來儲存/釋放被動熱能，但是與潛熱儲存相比，需要更大體積的材料來儲存同等數量的能量。相變材料的使用原理簡單。隨著溫度的升高，材料從固體變為液體。反應是吸熱的，相變材料吸收熱量。同樣，當溫度降低時，材料由液態變為固態。反應是放熱的，相變材料釋放熱量。

儲能對于增強各種能源系統的適用性、性能和可靠性至關重要，因為可以通過使用適當的熱能存儲方法消除能源供需之間的差異。在各種儲能方法中，潛熱儲存是一種有效的儲熱方式，較于顯熱，它具有放熱溫差小，儲能密度大等優點。在已研究的相變材料中，石蠟因其潛熱大和適當的熱特性而被廣泛用于潛熱儲存。由于石蠟的特性，低的熱導率[0.21～0.24W/（m·k）]是其主要缺點，降低了熔融和結晶過程中儲存和釋放的熱量，從而限制了它們的使用范圍。為了克服石蠟作為相變材料的低熱導率問題，已經有學者進行了開發潛熱儲存的研究。近年來，多孔石墨基體被用于改善石蠟的導熱性。Py等人[1]以石蠟/壓縮膨脹天然石墨為高功率蓄熱材料制備了復合材料，并確定了復合材料的導熱系數與石墨的容重之間的關系。Mills等人[2]采用多孔石墨基體，研究了石蠟的熱導率增強作用并建立了與該系統緊密結合的被動熱管理系統的性能。

相變儲能技術就是基于物質相變潛熱的原理，來實現熱量儲存，目前已經應用于電熱蓄能方面來實現電力的削峰填谷，以及工業余熱回收等方面。近年來，人們的節能環保意識越來越強，世界能源危機也得到了更多國家的重視。目前將相變儲能技術引入建筑領域，基于相變潛熱能量轉化機理來實現建筑節能已經受到了國內外重視。建筑行業一直是重要的能源消費領域，占全球能源消費總量的30%。在一些發達國家，如美國和英國，這一比例已經超過了40%[3]。由于建筑的耗能和投入都是巨大的，因此，對建筑圍護結構的稍微改善能夠起到明顯的經濟效益。

輕質建筑的主要缺點是熱質量低。顯然，由于外部冷卻、太陽熱或加熱負荷，它們往往會出現較大的溫度波動。在這種建筑墻體中使用相變材料可以減少溫度波動，特別是在太陽輻射負荷的情況下。在被動設計的建筑中，這是一種潛在的降低能耗的方法。這一趨勢已被過去20年的大量文獻證實。選擇相變材料時，平均室溫應接近材料的熔化/凍結范圍。此外，白天溫度和太陽輻射的波動應該允許物質的相變。影響相變材料選擇的因素有:天氣、建筑結構和熱物理性質。

1 集中供熱

據統計，我國北方城市供熱面積較大，大概占總體住房面積的40%以上。隨著我國城市化步伐的加快，經濟水平的快速增長，城市集中供熱面積也越來越大，使不可再生資源加速消耗，大氣污染愈發嚴重，給環境治理帶來了巨大壓力。

圖1描述了北京、黑龍江、山東、青海從2015年到2019年城市集中供熱面積變化趨勢。如圖1所示，近5年，四省城市集中供熱面積都處于上升趨勢，其中以山東省城市供熱面積最大，青海省由于城市經濟發展緩慢，城市供熱面積處于較低水平，未來隨著城市化水平提高，集中供熱面積會越來越大，同時也會伴隨能源消耗越來越大，投入成本越來越高。由于建筑能耗很大一部分來源于采暖能耗，如果能將多余的熱量通過相變儲能技術儲存起來，不僅可以減少鍋爐房煤炭的使用，而且也降低了設備的使用、維護、以及人工費用，更加經濟。因此，相變儲能技術的應用可以減少城市集中供熱耗能，減輕環境壓力，提高經濟效益。

圖1 各省供熱面積變化圖

2 相變材料在建筑圍護結構的應用

相變材料是在使用溫度下會經歷相變的物質。利用相變潛熱，它們可以在幾乎恒定的溫度下存儲和釋放大量能量。因此，建筑物中的相變材料可以是用于增加儲熱能力或獲得對溫度波動的穩定效果[4]，減少冷熱負荷峰值，提高熱舒適性[5]。

2.1 墻體

導熱、空氣熱對流和熱 輻射三種形式是建筑熱傳導的主要形式。 使用輕質建筑材料比如石膏板或礦物纖維絕緣材料，對輕質建筑構建具有重要意義。在滿足建筑規范的前提下，將相變材料加入石膏板中制成相變墻體，白天溫度較高，工質通過相變吸收多余潛熱并儲存，在夜晚溫度較低時，通過相變放熱，向房間供熱完成循環。將相變材料與絕緣材料混合在一起，提高建筑墻體的節能效果。把相變材料和保溫材料結合在一起，提高墻體的保溫性能和蓄熱性。

2.2 屋頂

傳統材料主要以混凝土為主，對于屋頂而言，由于處于建筑頂端，所以受到的太陽輻射較多，且屋頂處風速較大，空氣擾動強烈，對流換熱系數大，熱量損失有將近70%，因此，對屋頂材料的改善可以對建筑節能起到明顯的作用，將相變材料注入夾層玻璃中，由于夾層空間較小，空氣在夾層玻璃中幾乎不流動，傳熱方式只有導熱，而空氣的導熱系數較低，從而起到良好的保溫作用，并且造價低廉，而且美觀。但是液體相變材料要考慮其封裝性，避免外界以及人為原因使其發生泄漏等問題。此外，相變中產生的空穴也會造成太陽輻射遮光性能不均。

2.3 地板

目前，冬季取暖采用低溫輻射地板也比較普遍，它的主要原理是通過太陽能與集中供暖、電能加熱循環水來實現地板的加熱，地板再以導熱和輻射的方式向人體和空氣散熱，是人的舒適感大大提高。將相變材料與地板相結合可以延遲水溫降低的速率，并且使其蓄熱能力大大提升。對此還需要進一步研究地板盤管的間距，以及水溫等參數對其蓄熱能力的影響。

3 結語

相變材料在建筑領域的應用前景是比較廣闊的，可有效地提升建筑能量利用率，減少城市集中供熱能耗，以及大氣環境的污染。在建筑墻體的應用中，由于所示材料是輕質材料，必須要考慮滿足建筑標準才能使用。采用夾層玻璃注入相變材料可以大大提升能量利用率并且美觀，但是還需考慮工質泄漏以及遮光性不均等問題。地板輻射采暖與相變材料的結合可以延遲水溫降低速率且提高蓄熱性能，還需要進一步研究盤管間距以及水溫等參數對其蓄熱能力的影響，從而制定相應的規范。

為了使相變材料在建筑領域普及，不僅要考慮節能問題，還需要加強經濟性、耐久性、運營維護能方面的綜合考量。