相變儲能技術發展分析及展望

王全省 沈琳 楊挺

1 概述

我國現有城鄉建筑面積400多億平方米,95%左右都是高耗能建筑。統計數據表明,中國建筑能耗的總量逐年上升,在能源消費總量中所占的比例已從20世紀70年代末的10%上升到近年的27.8%。預計到2020年,全國城鄉房屋建筑面積還將新增約300億m2,如果不采取有力的節能措施,每年建筑用能將消耗1.2萬億度電和4.1億t標準煤,幾乎是目前全國建筑能耗的3倍。

與相同氣候地區發達國家相比,我國單位建筑面積采暖能耗相當于它們的2倍～3倍,但熱舒適程度遠不如它們。隨著生活水平的提高,人們對室內熱環境的舒適度要求越來越高,建筑能耗的比重將進一步增加。因此,建筑節能技術的開發與應用已成為當前建筑和建筑材料領域的熱點問題之一。目前廣泛應用的外墻外保溫和內墻內保溫技術雖然可以降低能量的消耗,但由于材料本身的熱容量有限,不能充分地將能量進行儲存利用,因而限制了建筑節能的能力。由于相變材料具有獨特的潛熱性能,即在相變過程中,可以從環境吸收熱(冷)量或向環境放出熱(冷)量,從而達到熱量存儲和釋放的目的,因而具有廣闊的應用前景。

2 相變材料的儲能性能

相變材料(Phase Change Material,簡稱PCM)是指隨溫度變化而改變形態并能提供潛熱的物質。變材料由固態變為液態或由液態變成固態的過程稱為相變過程,這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。發生相變的溫度范圍很窄。物理狀態發生變化時,材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變。大量相變熱轉移到環境中時,產生了一個寬的溫度平臺。相變材料恒溫時間的延長,可與顯熱和絕緣材料在熱循環時儲存或釋放顯熱。

考慮到人居建筑舒適度的要求,可應用于建筑結構的PCM作為結構儲能體系的工作介質,通常根據其熱物性、化學物理性、經濟性等方面進行選擇。應用于建筑結構的PCM必須要滿足下列要求:1)相變溫度必須在室內舒適溫度范圍附近(18℃～25℃);2)無毒、無腐蝕、無泄漏、防火、不污染環境;3)與建筑材料相容,不影響建筑材料的機械性能和強度;4)相變過程可逆性好,相變過程的方向僅以溫度決定,不存在過冷和降解現象;5)熱傳導系數良好,體積膨脹率小,密度大;6)不會產生降解和變化,使用壽命長,一般要求達到50年以上;7)蒸汽壓力低;8)相變材料經濟且原料來源容易。

3 相變儲能建筑材料制備技術發展

早在20世紀70年代國外一些學者就對相變墻體傳熱問題進行了大量研究。Hadjieva等人采用焓法建立了相變傳熱模型,并用有限差分法進行求解[4]。Hunter等人以及Amdjadi相繼提出焓法是求解相變傳熱問題中動態邊界的最合適的方法[5]。

目前制備相變儲能建筑材料主要有3種方法:1)浸漬法。即將相變工質材料滲入成型后的建材中。浸泡法工藝簡單,易于使傳統的建筑材料要求變成相變蓄能圍護結構材料,可對成品建筑材料進行處理。據Athienitis A.K等[6]報道,利用浸入了硬脂酸丁酯的相變墻板,可使房間的最高溫度下降4℃。2)直接摻入法。即在建材制備過程中,將相變材料直接摻入。直接加入法便于控制PCM的加入量,用于固—固相變材料,工藝簡單,性質更均勻,更易于做成各種形狀建筑構件。FeldmanI把21%～22%的工業級硬脂酸丁酯直接加入到傳統的石膏板中制成了儲能石膏板。3)微膠囊法。即先制得含相變材料的微膠囊,或先將含有相變材料的微膠囊復合組成大膠囊,然后在建筑材料制備過程中摻入該微膠囊或大膠囊,制得具有相變自調溫功能的建筑材料。

4 相變墻體材料性能研究

儲能材料應用于建材的研究始于1982年,由美國能源部太陽能公司發起。1988年由美國能量儲存分配辦公室推動此項研究[1]。20世紀70年代,美國的研究人員首先將相變材料包敷在囊壁內,制成了適用范圍更廣泛的相變材料微膠囊,20世紀90年代以PCM處理建筑材料(如石膏板、墻板與混凝土構件等)的技術發展起來了[2],隨后,PCM在混凝土塊、石膏墻板等建筑材料中的研究和應用一直不斷發展,其發展的主要目的是增強輕質結構的熱容。美國Dow化學公司對近兩萬種相變材料進行了測試,發現只有1%的相變材料可以進一步研究,它們為合適熔點的水和鹽以及一些有機相變材料[3]。

5 實例

5.1 相變材料地板采暖系統

該系統采用29度的相變材料,配合太陽能熱水裝置,是一種100%環保型的室內采暖系統(見圖1),具有安裝容易,能效高,運行成本極低的特點。工作原理:安裝在屋頂的太陽能熱水器通過水泵經導管將熱水輸送到地板的相變材料儲熱器中將熱能存儲起來,當溫度在21℃之下之上(70.F)波動時,地板下面的相變材料儲熱器吸收或釋放熱能量,并在需要時釋放為室內采暖。安裝方法見圖2。

太陽能相變材料儲熱器可使室溫在整個冬季保持在21℃(70.F)的范圍完全不受氣候的影響。其工作原理見圖3。

太陽能相變材料儲熱采暖系統釋放熱能來維護恒定的室內溫度,它可用于住宅、商場和工業等方面。它的靈活,可靠和經濟性使它的使用場合無所不能。

5.2 我國相變材料的應用

在我國相變儲能材料已在多個工程中進行了試點應用,如武漢市建筑節能示范小區的麗島花園、南灣俊園和紫竹園等。實際工程應用表明:相變儲能材料對混凝土的溫升有了明顯改善,尤其是大體積混凝土。混凝土的表面裂紋現象已得到了較好的控制,同時,在保溫隔熱性能和房屋有效使用面積增大等方面也得到了廣大用戶的認可與好評。

6 結語

近年來,國內外在節能建筑方面進行了大量的試驗研究與開發利用,我國正處于城鎮化和工業化快速發展時期,既有建筑總量和每年新建建筑面積都很大,而能夠達到建筑節能標準的比例卻很低,造成能源的極大浪費,但節能潛力也很大。相變儲能建筑材料作為環保節能型的建筑功能材料,可以在提高建筑物舒適性、節能降耗等方面發揮重要的作用。要使相變儲能建筑材料在工程實際中能有廣泛應用,還需要對許多問題作更深入的研究,今后的研究方向和主要內容如下:1)研究相變材料與其他建筑材料混合后的儲熱性能;2)開發研究更適合建筑環保的相變材料;3)提高相變儲能建筑材料的傳熱性能;4)建立相變儲能建筑材料圍護結構傳熱模型,針對不同的使用條件(包括氣象條件),建立模擬對應的實驗研究。相信隨著相變材料的不斷開發研究,以其環保節能一定能在建筑市場上廣泛應用。

[1] 馬芳梅.相變物質儲能建筑材料性質研究的進展[J].新型建筑材料,1997(8):40-42.

[2] Pause B.相變材料用于空調建筑的可能性[J].國際紡織導報,2001(2):55-58.

[3] Carl Vener.Phase change thermal energy storage.PHD.Thesis.

[4] Hadjieva M,Kanev S,Argirov J.The rmophysical properties of some paraf fins applicable to thermal energy storage[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,1992,27(2):181-187.

[5] Hunter L W,Kuttler J R.The enthalpy method for heat conduction problems with moving boundaries[J].Journal of Solar Energy Engineering,Transactions of the ASME,1989(111):239-242.

[6] Athienitis A.K,Liu C,Banu D,et al.Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room with wall latent heat storage[J].Building and Environment,1997,32(5):405-410.