儲能材料在建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新運(yùn)用分析

摘 要：相變儲能材料是一種具有潛在應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新材料。本研究旨在探討相變儲能材料在建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新運(yùn)用，并分析其對建筑節(jié)能和室內(nèi)舒適性的影響。基于此，本文介紹了相變儲能材料的基本原理和特點(diǎn)，探討相變儲能材料在建筑外墻和屋頂設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用，研究相變儲能材料在室內(nèi)隔墻和地板設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用，總結(jié)相變儲能材料在建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新運(yùn)用的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：儲能材料；建筑設(shè)計(jì)；創(chuàng)新；運(yùn)用；分析文章編號：2095-4085（2024）06-0197-03

0 前言

近年來，隨著全球能源需求不斷增長，人們環(huán)境保護(hù)意識持續(xù)增強(qiáng)，建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)τ诟咝茉蠢玫男枨笠踩找嫫惹小６鴤鹘y(tǒng)建筑材料在能源儲存和釋放方面存在著很大的局限性，尋找一種新型的相變儲能材料并將其應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。而相變儲能材料是一種具有特殊熱學(xué)性質(zhì)的材料，能在固液相變或者液氣相變的過程中吸收或釋放大量的熱能，這種材料可通過調(diào)節(jié)溫度來實(shí)現(xiàn)儲能和釋能的過程，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。相比傳統(tǒng)的儲能方式，相變儲能材料具有體積小、密度高、儲能效率高等優(yōu)勢，能滿足建筑設(shè)計(jì)對于節(jié)能、環(huán)保、舒適性的要求［1］。

1 相變儲能材料的基本原理和特點(diǎn)

1.1 基本原理

相變儲能材料基本原理是通過物質(zhì)的相變過程實(shí)現(xiàn)能量的儲存和釋放。所謂相變是物質(zhì)由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程，常見相變包括固態(tài)到液態(tài)的熔化、液態(tài)到氣態(tài)的汽化、氣態(tài)到液態(tài)的凝結(jié)、液態(tài)到固態(tài)的凝固等。在相變過程中，物質(zhì)吸收或釋放大量的熱量，這種熱量的變化可用來進(jìn)行能量儲存和釋放。相變儲能材料通常選擇具有較高儲能密度和較低相變溫度的物質(zhì)，如蓄冷材料和蓄熱材料。蓄冷材料通常在低溫下吸收熱量，使得物質(zhì)發(fā)生相變從而儲存能量，當(dāng)需要釋放能量時(shí)，蓄冷材料會自主釋放儲存的熱量；蓄熱材料則相反，其在高溫下吸收熱量進(jìn)行相變儲能，當(dāng)要釋放能量時(shí)，蓄熱材料會釋放儲存的熱量［2］。目前，相變儲能材料在可再生能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如在太陽能領(lǐng)域，可利用相變儲能材料收集太陽能，有利于其在夜晚供電；在風(fēng)能領(lǐng)域，采用相變儲能材料儲存風(fēng)能， 便于工作人員在低風(fēng)速時(shí)供電；在建筑物節(jié)能和空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用，通過儲存和釋放熱量來提高能源利用效率。

1.2 主要特征

相變儲能材料是一種新型的儲能技術(shù)，具有各種獨(dú)特的特征。主要特征如下：

（1）高能量密度。相變儲能材料能在相變過程中釋放或吸收大量的潛熱，從而實(shí)現(xiàn)高能量密度的儲能。相比傳統(tǒng)的化學(xué)儲能材料，相變儲能材料具有較高的能量密度，能提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)。

（2）快速的充放電速率。相變儲能材料在相變過程中能迅速釋放熱量，充放電速率非常快。而傳統(tǒng)化學(xué)儲能材料則需要較長時(shí)間進(jìn)行充放電，相變儲能材料能滿足高能量輸出需求。

（3）相變儲能材料具有較長的壽命。相變儲能材料在充放電過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其壽命相對較長；傳統(tǒng)化學(xué)儲能材料存在著容量衰減、循環(huán)壽命等問題，需要組織工作人員進(jìn)行定期更換。

（4）相變儲能材料具有較高的安全性。相變儲能材料不會發(fā)生火災(zāi)等安全隱患，因?yàn)槠鋬δ苓^程是基于物質(zhì)的相變特性而非化學(xué)反應(yīng)。相比之下，傳統(tǒng)的化學(xué)儲能材料存在著安全風(fēng)險(xiǎn)，需要采取額外的安全措施來防范事故。

（5）良好的環(huán)境友好性。相變儲能材料不含有害物質(zhì)，不會對環(huán)境造成污染；傳統(tǒng)化學(xué)儲能材料中常常含有重金屬等有害物質(zhì)，對環(huán)境和人體健康造成潛在威脅。相變儲能材料是一種可持續(xù)發(fā)展的能源儲存解決方案。

綜上所述，相變儲能材料具有高能量密度、快速的充放電速率、較長的壽命、較高的安全性和良好的環(huán)境友好性等主要特征。這些特征使得相變儲能材料成為未來能源儲存領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供關(guān)鍵［3］。

1.3 使用性能

對比常規(guī)建筑材料，相變儲能材料能進(jìn)一步吸收熱量和釋放熱量，其內(nèi)部的相變焓能控制物質(zhì)相變反應(yīng)中存在的熱量儲能，比熱容可準(zhǔn)確呈現(xiàn)出物質(zhì)的放熱和吸熱狀態(tài)。從實(shí)際應(yīng)用角度分析，這種材料的相變熱平均值為100kJ，顯熱效果超過常規(guī)材料的40～50倍，被廣泛應(yīng)用到建筑室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)方面，是室內(nèi)溫度控制的關(guān)鍵點(diǎn)［4］。以水資源為例，1kg水在固液態(tài)相變過程中會吸收和釋放大量相變潛熱，其在運(yùn)行中所使用的能量相當(dāng)于靜態(tài)水溫提升到80℃所需能量。通過對比綜合材料，發(fā)現(xiàn)相變儲能材料具有較強(qiáng)的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)能力和儲能能力。

2 儲能材料在建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 相變儲能模塊蓄冷在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1.1 設(shè)置在地板下

相變儲能模塊核心是相變材料，其選擇直接關(guān)系到儲能效果和使用壽命，常用相變材料包括蓄冷型和蓄熱型兩種。在選擇相變材料時(shí)，需考慮室內(nèi)溫度范圍、儲能容量和相變溫度等因素。對于地板下的相變儲能模塊，通常選擇蓄冷型相變材料，從而實(shí)現(xiàn)夏季蓄冷、冬季釋能的目的。還要考慮相變材料的穩(wěn)定性，以確保長期穩(wěn)定的使用效果。但值得注意的是，地板下的相變儲能模塊布局不僅要考慮空間利用率，還要考慮熱傳導(dǎo)效果［5］。

2.1.2 布置在窗臺下

在夏季高溫時(shí)，相變儲能模塊可通過吸收室外空氣的熱量進(jìn)行蓄冷，從而降低室內(nèi)溫度；當(dāng)室內(nèi)溫度升高時(shí)，儲存在窗臺下的相變儲能模塊會自動釋放儲存的冷量，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的效果。相比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，相變儲能模塊可以減少對電力的依賴，降低能源消耗，提高建筑的能源利用效率。而在炎熱的夏季，空調(diào)系統(tǒng)時(shí)常會造成室內(nèi)溫度的不均勻，特別是在窗戶附近。而相變儲能模塊蓄冷可以有效解決這一問題。通過將相變儲能模塊布置在窗臺下，能夠直接與室外空氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)快速降溫，并使室內(nèi)溫度分布更加均勻，不僅提高了建筑的舒適性，還減少低溫區(qū)域和高溫區(qū)域之間的溫差，避免冷氣對人體的直接吹襲，提供更宜人的室內(nèi)環(huán)境。儲能模塊緊貼外墻布置，通過在外墻上開設(shè)通風(fēng)孔實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣的流通［6］。模塊頂部配備一個可調(diào)節(jié)的蓋板，通過打開或關(guān)閉蓋板來控制空氣流向。當(dāng)將蓋板調(diào)整到水平位置時(shí)，室外新鮮空氣可以自由進(jìn)入室內(nèi)，而調(diào)整到垂直位置時(shí)，室外空氣無法進(jìn)入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的循環(huán)。控制器由控制設(shè)備和管道兩部分組成，通過控制這兩部分的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對整個儲能模塊系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)。

2.1.3 與中央空調(diào)聯(lián)合使用

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)需要消耗大量的電能來制冷，而相變儲能模塊則通過儲存冷能來減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)自主停止工作，相變儲能模塊會釋放儲存的冷能，使室內(nèi)保持低溫狀態(tài)，不僅能減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，還要有效降低建筑的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。在炎熱的夏季，空調(diào)系統(tǒng)要不斷制冷才能保持室內(nèi)的舒適溫度，但長時(shí)間的空調(diào)使用會導(dǎo)致室內(nèi)濕度降低，給人們帶來強(qiáng)烈的不適感。相變儲能模塊可吸收空氣中多余的濕氣，并在需要時(shí)釋放出來，增加室內(nèi)的濕度，提高室內(nèi)的舒適性。相變儲能材料是一種具有特殊熱學(xué)性質(zhì)的材料，能在固液相變或者液氣相變的過程中吸收或釋放大量的熱能，這種材料可通過調(diào)節(jié)溫度來實(shí)現(xiàn)儲能和釋能的過程，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。同時(shí)，由于相變儲能模塊的儲能特性，其可平衡室內(nèi)溫度的變化，減少溫度的劇烈波動，使室內(nèi)的溫度更加穩(wěn)定。另外，應(yīng)用相變儲能模塊對環(huán)境保護(hù)也起到積極的作用，相比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，相變儲能模塊無需使用制冷劑，減少對大氣層的損害。且相變儲能模塊還能利用太陽能等可再生能源進(jìn)行充電，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)。

2.2 相變材料地板和太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)合

隨著全球氣候變暖和能源消耗的增加，人們對于節(jié)能和環(huán)保的建筑設(shè)計(jì)需求也越來越高。相變儲能模塊作為一種新型的節(jié)能技術(shù)，正在逐漸被應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，其中相變材料地板和太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)合是一種創(chuàng)新而有效的方式。相變材料地板通過利用相變材料的特性，可以儲存和釋放大量的熱能。當(dāng)太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水通過地板循環(huán)時(shí)，相變材料地板可以吸收和儲存這些熱能，使室內(nèi)溫度保持穩(wěn)定；當(dāng)室內(nèi)溫度下降時(shí)，相變材料地板會釋放之前吸收的熱能，起到保溫的作用。這種相變儲能模塊應(yīng)用可減少建筑對傳統(tǒng)暖氣和空調(diào)系統(tǒng)的依賴，從而降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果［7］。

相較于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，該應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)更加均勻的室內(nèi)溫度分布。相變材料地板的熱容量較大，能吸收和釋放大量的熱能，使室內(nèi)溫度波動較小。該儲能地板采用酸為相變蓄熱材料，其相變點(diǎn)峰值溫度為31.2℃。該系統(tǒng)利用太陽能熱水作為熱源，并在相變材料地板的上下兩層使用毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)行傳熱，實(shí)現(xiàn)了太陽能熱水與相變儲能材料的結(jié)合。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)的使用性能良好。在完全依靠太陽輻射作為熱源的情況下，白天可以進(jìn)行長達(dá)8小時(shí)的蓄熱，而每天則有16h的放熱時(shí)間。這一創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保了供暖周期內(nèi)每天的溫度都能穩(wěn)定地保持在15.6℃以上。同時(shí)，太陽能熱水系統(tǒng)提供的熱水循環(huán)能保持地板表面的適宜溫度，讓人們在行走時(shí)感受到更加舒適的腳感，不僅提高人們的生活質(zhì)量，還能提高工作和學(xué)習(xí)的效率。而且相變材料是一種環(huán)保的材料，可循環(huán)利用，不會對環(huán)境造成污染。太陽能熱水系統(tǒng)利用可再生能源太陽能來供給熱水，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放量。這種可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用不僅符合現(xiàn)代社會對于綠色建筑的需求，也有助于減少對自然資源的消耗。

2.3 在通風(fēng)塔中的使用

通風(fēng)塔作為建筑物的一部分，通常用于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和增強(qiáng)空氣流動。然而，在炎熱的夏季，通風(fēng)塔往往難以保持低溫狀態(tài)，因?yàn)樗鼰o法長時(shí)間地提供冷卻效果，使用相變儲能模塊可解決這個問題。相變儲能模塊通過利用物質(zhì)在相變過程中釋放的熱量來吸收空氣中的熱量，從而降低室內(nèi)溫度。且相變儲能模塊的蓄冷效果可持續(xù)較長時(shí)間，使得通風(fēng)塔能持續(xù)地提供冷卻效果，提高室內(nèi)舒適度。同時(shí)，相變儲能模塊通過利用物質(zhì)在相變過程中吸收或釋放的大量熱量，可以實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。在通風(fēng)塔中使用相變儲能模塊能減少對傳統(tǒng)冷卻設(shè)備的依賴，降低能源消耗；利用夜間低溫時(shí)段吸收冷量，并在白天釋放出來，有效減少對空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；與其他可再生能源設(shè)備結(jié)合使用，如太陽能板，進(jìn)一步提高能源利用效率。通風(fēng)塔作為建筑設(shè)計(jì)中的一種元素，形態(tài)和功能多樣。

相變儲能模塊的設(shè)計(jì)靈活性使其可以適應(yīng)不同形態(tài)的通風(fēng)塔。以德國柏林熱帶植物園為例，德國處于寒冷地區(qū)，不適合生長熱帶植物，所以要合理控制冬季植物園中的溫度，才能確保不影響植物的正常生長。而傳統(tǒng)保溫方式要消耗大量能源，為了達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，設(shè)計(jì)者將植物園圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為低傳熱系數(shù)的玻璃，保證室溫中有充足太陽輻射的情況下能控制熱量散失，保證白天室內(nèi)溫度的合理性。但在夜間不存在太陽輻射，為了確保室內(nèi)有足夠溫度，設(shè)計(jì)者利用相變材料提供夜間溫度。在這個植物園中設(shè)計(jì)兩個空心相變儲能通風(fēng)塔，內(nèi)部安裝相變儲能模塊，能合理分配室內(nèi)能量。該相變儲能模塊的相變點(diǎn)溫度為25℃，在白天由于太陽輻射影響下，溫室中溫度快速上升，自主開啟通風(fēng)塔上部風(fēng)機(jī)，讓空氣能流到通風(fēng)塔，相變儲能模塊中的相變CSM板自主吸收熱量，排除其中的冷空氣。而在夜間，冷空氣通過通風(fēng)塔進(jìn)行加固，保證溫室中空氣長期持續(xù)在恒溫水平。

3 結(jié)論

本文通過對儲能材料在建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新運(yùn)用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中常常忽視能源的儲存問題，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。而儲能材料的運(yùn)用可將多余的能源儲存起來，在需要的時(shí)候釋放出來使用，從而最大限度地提高能源的利用效率。同時(shí)，通過使用儲能材料，我們能在非高峰時(shí)段將多余的能源儲存起來，并在高峰時(shí)段釋放出來使用，從而減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低建筑的能耗。

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