建筑用分布式相變儲能系統研究*

袁洪躍，王方方，王 蕾，王季琴，魏貞祥，馬振邦

(1. 河南機電職業學院，鄭州 451192；2. 北京博瑞萊智能科技集團有限公司，北京 100095)

0 引言

建筑部門是碳排放最高的終端消費來源。根據國際能源署(IEA)統計，建筑材料(鋼鐵水泥等)的制造過程所產生的碳排放以及居民和商用建筑的化石能源使用帶來全球9%的直接碳排放，電力和熱力使用帶來19%的間接碳排放，另外建筑的建設過程產生的碳排放占10%。“碳達峰、碳中和”戰略下，實現碳中和一方面需要推動超低能耗建筑發展、消除現有的化石能源采暖方式，以被動式保溫為基礎，結合分布式可再生能源和先進熱泵技術，有效降低建筑用能。另一方面，要解決規模龐大的存量建筑的低碳改造，這就需要多種新的技術的應用，其中開發利用新型的建筑材料及建筑用新型儲能系統，從而提高改造的經濟性是建筑部門存量替代的關鍵。

相變儲能材料，特別是無機類相變儲能材料具有價格便宜、導熱系數大、儲能密度高等優點。相變儲能技術可以在智能電網、電力系統調峰、分布式能源、可再生能源、低碳建筑、工礦企業余熱利用等方面發揮重要作用，相變儲能技術近年來已經被越來越多的國內外專家學者、各大院校、研究機構、公司所重視。

建筑用儲能系統要求整體上價格便宜，易于安裝實施，能兼容各種能量來源，克服能量供給和需求之間的差異性，無機相變復合材料的研究能夠很好的解決這些問題。本文選取新型無機水合鹽相變復合材料，制備建筑用單元模塊；充分利用多種技術手段，構建適應于多種能源系統的儲能、傳輸、熱能轉換的智能分布式相變儲能系統。

1 建筑用相變復合材料單元

1.1 無機水合鹽類相變復合材料

新型相變儲能復合材料的制備，選取四水硼砂、六偏磷酸鈉、十水硫酸鈉基、藻酸鉀、六水氯化鍶、硅酸鋁鈉、亞鐵氰化鉀和活性氧化鋁等材料，采用低共熔混合理論，基于相變溫度為60℃和30℃的無機相變材料的配方，測定不同比例下的潛熱儲存能力。整個制備過程采用綠色環保、無毒無腐蝕工藝，從而達到復合材料的相關性能，提升能源儲存、傳輸和轉換效率。圖1所示為工藝流程。

圖1 無機水合鹽類相變復合材料制備

1.2 毛細管網儲能單元

基于制備好的無機水合鹽類相變復合材料，用毛細管網工藝制備建筑用相變儲能單元，毛細管網采用水作為能量輸送的載體，在能力輸送的過程中具備效率高和能效高的特點。具體制作的過程中，毛細管網在結構上采用集分水式結構，該結構具有換熱面積大、換熱均勻、換熱效果好、水力損失小的特點，決定了毛細管網是一種高效的換熱器。材料上，選取的是耐熱性聚乙烯(PE-RT)，該材料具備多種優點，在溫度60℃、壓力0.8MPa的工作環境下，能安全有效使用50年以上，同時具備高效的換熱性能。毛細管網結構的單元模塊，制備的建筑板材具有輕薄、結構合理、安裝方便、高效節能、高舒適度、綠色環保的特點。圖2是毛細管網儲能單元模塊的結構示意圖和制備出的實物圖。

2 分布式相變儲能系統

2.1 系統整體架構

基于無機水合鹽類相變復合材料制備的毛細管網儲能單元模塊，構建適合多種電力網絡的分布式相變儲能系統，系統能夠實現電力系統的移峰填谷儲能、傳輸和熱能轉換，同時能夠對接太陽能、風能等新能源發電儲能的協同發展。系統根據建筑用制冷供熱的要求，分為室外部分和室內部分，其中核心是采用不同的毛細管網儲能單元，制備除濕系統、地面墻面制冷供暖系統，在智能調控軟件的控制下，形成能夠適應多環境、復雜地理條件下建筑室內的智能分布式相變儲能系統。圖3是分布式相變儲能系統的整體架構。

圖3 分布式相變儲能系統整體架構

2.2 系統室外部分

系統在構建的過程中，系統室外部分核心主要有以下幾部分組成。

(1)一體化機組：由壓縮機、四通閥、氟水換熱器等組成，可單獨使用，系統采用分布式機組，每個機組可以選擇功率不同的設備，設備可以采用模塊化安裝，免維護。

(2)太陽能毛細管散熱板：該部分具有多種功能，其中冬季白天可吸收太陽能存儲熱能，夏季晚上可以與內室進行熱交換作為散熱板使用，具體的使用過程中，可以將多個分布式機組關聯起來，用作聯機模塊使用。

(3)風冷表冷器：主要與室內外進行熱交換使用，從而達到加熱或冷卻空氣的目的，具體使用的過程中，可以與太陽能毛細管散熱板配合使用，適合于多聯機共用。

(4)集中式儲能單元(含儲冷、儲熱)裝置：包含儲能板單元和外層保溫板，由多層多溫點的相變儲能板組成，根據使用情況的不同，可放置在室外也可放在室內。

2.3 系統室內部分

系統在構建的過程中，系統室外部分核心主要有以下幾部分組成。

(1)控制系統：其核心是智能溫濕調控模塊，系統啟動后，會自動通過各類傳感器讀取建筑內環境參數(溫度、濕度、CO2濃度等)，在啟動智能溫濕調控模塊后，總PLC控制器依據粒子群算法動態判斷建筑內的環境參數并發送到各個分布式的PLC控制器中，然后由分布式PLC控制器根據設定的環境參數對系統內各個執行模塊進行調控，實現建筑內達到想要的效果。同時，控制系統還包含各個部分的實時運行監控、數據統計分析、遠程APP調整、預警和診斷分析等功能。

(2)除濕系統：由于系統中毛細管網中用水作為能量傳輸介質，當供水溫度較低或室內濕度較大時，單一的地板供冷系統地板表面可能結露，只有當建筑內環境溫度高于20℃時，一般不會出現結露現象。如果控制系統檢測到建筑內環境參數為[濕度60%～70%，溫度16℃]時，會發送指令給該分布式PLC控制器，從而啟動空氣對流除濕裝置。

(3)地面和墻面制冷供暖系統：對建筑內制冷供暖的研究表明，采用地面和墻面方式可以使房間縱向溫度均勻，地面和墻面模塊的核心是毛細管網儲能單元，在使用的過程中毛細管網輻射散熱，無冷風、不干燥、無噪聲，可以提供25℃～30℃供暖，20℃～25℃供冷，同時采用分布式控制，各個模塊安裝靈活方便，節省投資，運行費用低。

3 結束語

建筑用分布式相變儲能系統能夠有效的降低建筑行業碳排放，相關技術經濟、安全、可靠且便于使用，可以大幅降低供熱溫度，提高供冷溫度，可充分利用20～25℃的低品位能源，系統運行成本會更低，更舒適。

(1)基于60℃和30℃的無機水合鹽類相變復合材料，采用毛細管網工藝制備了建筑用相變復合材料單元，單元具有輕薄、結構合理、具有安裝方便、高效節能、高舒適度、綠色環保的特點。