相變蓄熱材料在建筑采暖中的應用

許蒙蒙

(山東華宇工學院，山東 德州 253000)

相變蓄熱材料有助于提高能源利用率，維持建筑物的熱舒適性，減少環境污染，因此在建筑采暖中得到了廣泛應用。介紹了相變蓄熱材料的化學成分與類型，比較了各自的優缺點，分析了其在建筑采暖中的應用，包括在節能和蓄熱方面的重要作用，分析了其供暖原理及方法，即利用光學性能提高蓄熱性能，在地板中加入相變蓄熱材料，以提升采暖效果。

1 相變蓄熱材料

相變蓄熱材料是熱能存儲系統中用于熱能管理的先進材料，已用于多種蓄熱設計中，可解決供熱和需求之間的不匹配問題，可用于建筑領域中的蓄熱管理、相變過程中，能夠儲存和釋放相當數量的潛熱，是普通建筑材料儲存熱量總容量的14倍，此特性可控制進入和離開建筑的熱量，對改善建筑能源利用效果有積極作用。通常，相變蓄熱材料根據化學成分可分為有機、無機和共晶，如圖1所示。其中，有機相變蓄熱材料是廣泛可用的材料，分為鏈烷烴和非鏈烷烴(如脂肪酸、乙醇)，主要用于建筑。鏈烷烴具有很大的溫度范圍，性能優異，優勢顯著。而非鏈烷烴的成本較高。無機相變蓄熱材料主要是鹽水合物、金屬，密度和能效高于有機物。共晶含有兩種或多種低熔點有機物組分或組合制備而成，每種組分結晶時都會經歷一致的熔化和凍結，以產生組分的晶體混合物。與其他類型的相變材料相比，共晶材料的優勢是熔點可以通過組合不同重量百分比的組分來調節。表1總結了不同相變蓄熱材料類型的優缺點，每種都具有特定的熱物理性質，如熔化溫度、熔化熱、密度和導熱率，可用于特定的建筑，其適用性在很大程度上取決于并入目的(加熱/冷卻)、采用的被動或主動并入技術及建筑位置。

圖1 相變蓄熱材料的化學分類Fig.1 Chemical classification of phase change heat storage materials

表1 不同相變蓄熱材料類型的優缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of different phase change heat storage materials

2 相變蓄熱材料在建筑采暖中的研究現狀

作為一種有前途的功能材料，相變蓄熱材料憑借其高能量密度和在能量充放電過程中的輕微溫度變化，可用于熱能存儲系統、采暖技術中。例如，使用石膏板、灰泥和混凝土等相變蓄熱材料，可保證室內溫度在舒適區內解決能耗問題。其主要應用于儲能采暖系統，或直接與建筑結構內的圍護結構元件相結合。圖2是相變蓄熱材料在建筑采暖中的應用。

圖2 相變蓄熱材料在建筑采暖中的應用Fig.2 Application of phase change heating materials in architecture heating

近年來，人們對相變蓄熱材料摻入建筑材料時的蓄熱性能進行了深入研究。Kong等[1]制造了一種新型形狀穩定的相變蓄熱材料墻板，通過數值和實驗方法研究了墻板的蓄熱性能。目前，相變蓄熱材料的應用得到了迅速發展，其中商業相變蓄熱材料溫度覆蓋-30℃～850℃，包括宏觀封裝、微觀封裝、直接混合、浸沒和形狀穩定等。很多人研究了相變蓄熱材料漿料的性能，但仍存在傳熱、阻燃、過冷、相分離、穩定性、不均勻熔化、凝固和泄漏等問題。但作為潛熱熱能儲存技術材料，相變蓄熱材料具有顯著優勢，是儲存和釋放熱能的有效材料之一。

3 相變蓄熱材料在建筑中的供暖原理及方法

相變蓄熱材料是“潛在”的儲熱材料，在熔化(儲熱)或固化(結晶恢復)時、在液體和固體之間發生等溫相變。從固體到液體的相變過程中，通過吸熱過程以潛熱形式儲存熱能，該吸熱過程溶解相變蓄熱材料的化學鍵，并在冷卻時放熱，以恢復其固態。相變蓄熱材料在無源系統中的應用原理是，當室溫超過其熔化溫度范圍時，從固體轉化為液體來吸收熱量，以延遲室外到室內的熱通量[2]。當室溫低于凝固溫度時，存儲的熱量用于調節室內空氣溫度波動。相變蓄熱材料應用于有源系統時，可將建筑采暖/制冷負荷從高峰時段轉移到非高峰時段[3]，熱能存儲系統以熱形式存儲能量，以供后續使用。熱能存儲系統主要包括3個步驟，即熱充電、熱存儲和熱放電。相變蓄熱材料可通過3種方式儲存熱量，包括顯熱、潛熱和化學反應。顯熱儲熱中，熱量可在材料溫度升高時存儲。介質比熱、溫度變化和材料量是決定顯熱儲熱容量的主要因素，如式(1)所示：

(1)

相反，潛熱存儲中，當材料的相從一種狀態變為另一種狀態(如固態變為液態)時，熱能被保留(或釋放)。儲存能量的量可通過以下方式確定：

(2)

Q=m[Csp(Tm-Ti)+amΔhm+CLP(Tf-Tm)]

(3)

用于建筑采暖的相變蓄熱材料在受控條件下，通過溫度變化吸收或釋放熱能，具有小溫度間隔的單一存儲容量和通常可忽略的體積變化，可用于建筑物的供熱管理。例如，集成到建筑物中的相變蓄熱材料可減少10%～87%的能量消耗，用于冷卻。因此，其已被公認為是提高建筑能源效率的最先進的材料之一，尤其是用于采暖和制冷。與常規建筑材料(如混凝土)不同，相變蓄熱材料可以在顯熱和潛熱中存儲熱能。例如，與相變蓄熱材料結合的25 mm厚的墻能夠保留與420 mm厚的混凝土墻相同的熱能[4]。此外，在冬天，相變蓄熱材料可充當絕緣體，從而減少熱負荷。相變蓄熱材料可在炎熱的天氣防止過熱，并減少寒冷季節夜間的供暖需求。

4 相變蓄熱材料在建筑采暖中的應用

4.1 利用相變蓄熱材料的光學性能提高蓄熱性能

相變蓄熱材料具有良好的光學性能，可用作透明物質。Goia等[5]通過實驗比較了帶相變蓄熱材料和不帶相變蓄熱材料的建筑窗戶的性能，發現在采暖季節，建筑物的熱量損失有所減少，而太陽能的熱量增加卻顯著減少，說明相變蓄熱材料窗戶在冬季可能不適合隔熱。Li等[6]分析了光學參數的影響，包括折射率和消光系數對雙層玻璃窗性能的影響，發現相變蓄熱材料折射率對系統性能的影響很弱，而消光系數對其的影響很強。應適當調整相變蓄熱材料在玻璃窗中的位置，以提高蓄熱性能。

4.2 在地板中加入相變蓄熱材料

相變蓄熱材料地板可顯著提高采暖系統的性能。Plytaria等[7]對面積100 m2的相變蓄熱材料地板的太陽能輔助熱泵進行了研究。如圖3所示，地板由砂漿、混凝土、管道、相變蓄熱材料、隔熱層和水泥組成。使用相變蓄熱材料地板時，建筑的熱負荷減少了近40%[2，7]，冬季室內溫度可能會升高約0.8 K，某些時候則會升高約2 K。Devaux等[2]中對地板下的供暖系統進行了性能評估，在地板和加熱器之間放置了熔化溫度較高的相變蓄熱材料墻板。結果表明，與不使用相變蓄熱材料的供暖系統相比，供熱系統的節能率和成本節約率分別提高了32%和42%。Kim等[3]對日本千葉縣采用相變蓄熱材料的地板進行了實驗研究，建立了3個幾乎相同的實驗室，即傳統墻板，地板上有4層相變蓄熱材料板，地板、墻壁和天花板上有1層相變蓄熱材料板。研究發現，與傳統房間相比，第二和第三房間的熱能使用分別減少了9.2%和18.4%。與傳統地板相比，相變蓄熱材料地板對室內溫度波動貢獻較小。

圖3 相變蓄熱地板構成圖Fig.3 Composition of phase change heating storage floor

5 結語

隨著城市化發展的加快，建筑能耗也在快速增長。人們對室內熱舒適環境的要求越來越高，為降低建筑能耗，可使用相變蓄熱材料(主動或被動)，通過減少溫度波動、轉移能耗，將溫度保持在熱舒適范圍內。此外，在相變蓄熱材料的基礎流體中添加具有高導熱性材料，可提高其導熱性和節能密度，這些新型材料通過轉移和減少峰值負荷來減少能源供應和需求之間的不兼容性，因此相變蓄熱材料在建筑采暖中的應用具有廣闊的發展前景。