相變儲能材料在建筑節能中的應用

蒲玉蓉 李歡 唐小漫 王鮮

摘 要：隨著人們生活水平的大大提高，工作和生活環境的舒適度也越來越高，能源消耗量大幅度增加，導致能源消耗過多，環境污染嚴重。其中，建筑能耗比例進一步提高，相變材料的應用是降低建筑能耗的一項重要技術。本文簡述相變材料的應用和應用機制。

關鍵詞：相變材料;儲能;建筑節能

在當今社會，能源危機和環境問題已成為世界性的問題，節能環保已成為我們生活中的共同用語。據統計，建筑能耗幾乎占全國總能耗的三分之一，所以發展綠色建筑已是大勢所趨，如何降低建筑業的能耗也逐漸引起社會的廣泛關注。而相變儲能技術對于提高建筑的能源利用效率以及環境保護有重要意義。

一、相變材料的簡要介紹

（一）起始及發展

1982年，在美國能源部太陽能項目的支持下，相變建筑材料開始用于建筑材料工業。在20世紀90年代，相變儲能技術用于建筑材料，如石膏板、墻板和混凝土構件開始發展。之后，相變材料在混凝土砌塊和石膏墻板等建筑材料的研究和應用中得到了廣泛的應用。1999年，俄亥俄州戴頓大學研究所開發了一種新型建筑材料——固液共晶相變材料，澆筑了這種相變材料的輕型混凝土預制板或墻板可以適當地維持室內溫度。 此外，為了在冬季和夏季保持合適的工作溫度，歐美許多公司使用 PCM 生產和銷售戶外通信布線設備和電力變壓器設備棚。同時，由于冬季非常寒冷，夜間瀝青路面或含有 PCM 的水泥路面可以防止道路、橋梁、跑道等結冰。

與發達國家相比，我國對儲熱材料的研究起步較晚，相變材料的理論和應用還很薄弱。盡管相變材料有很多，但是適用于建筑的卻不多，對此，研究復合相變材料是很有必要的。所以， 自20世紀90年代中期以來，國內的研究重點發生了變化，復合材料和有機相變材料的研究和開發有所增加。

（二）相變材料的分類

相變材料的分類：相變材料從不同的角度有不同的分類。根據相變形式，相變儲能材料可分為四種類型：固—固相變，固—液相變、固—汽相變與液—汽相變。其中，以固—液相變材料最為常見，且就目前來說，更有實用價值。按照相變的溫度范圍，相變材料可分為三種類型：低溫儲能材料（100℃以下）、中溫儲能材料（100—250℃）和高溫儲能材料（250℃以上）。低溫相變材料主要采用無機水合鹽類、石蠟及脂肪酸等有機物，此外，冰也比較常用。高溫相變材料主要采用高溫融化鹽類、混合鹽類和金屬及合金等。根據相變材料的性質和組成，相變材料可分為共晶混合物、無機材料和有機材料。

（三）相變材料的應用機理

當相變材料從液態向固態轉變時，要經歷物理狀態的變化。材料在這兩種相變過程中從環境中從環境中吸熱，反之，向環境放熱。當物理狀態改變時，可以儲存或釋放的能量稱為相變熱。相變時，材料自身的溫度在物理狀態發生變化完成前幾乎維持不變，溫度范圍很窄。大量的相變熱轉移到環境中，形成了一個非常寬的溫度網絡。 溫度平臺的出現意味著保溫時間的延遲，在此期間，感熱和絕緣體以及相變材料可以用來儲存或釋放感熱。

二、相變材料在建筑節能中的應用形式

（一）太陽能相變蓄熱應用

太陽能是一種清潔的可再生能源，但是它并不穩定。直接累積，與收集器的吸熱或組合相結合，可以大大提高能量效率。例如，相變材料在白天吸收太陽能儲存熱量，晚上釋放熱量，使室內溫度提高，大大降低冬季室內熱負荷的能耗。

（二）相變儲能圍護結構

在相變材料中加入常規建筑材料，可以大大減小相變熱包絡的波動。房屋結構，包括相變墻和地板。

（1）相變墻體

由于相變材料的蓄熱能力，在夏季室外溫度較高時會發生相變。部分太陽能儲存在相變材料中，相變材料不引入室內，降低了墻體溫度。即使在沒有太陽輻射的情況下，只要其溫度超過相變溫度，熱量就會通過外殼傳輸到腔室，從而降低了相變蓄熱材料的外部優勢。當夜間室外溫度下降時，相變材料變熱。例如，在與夜間通風組合，空調負荷可大大減小。結合夜間通風相變蓄熱系統的頂墻和相變，相變材料可在夏季夜間通風，然后在寒冷的白天釋放，達到室內降溫的效果，從而夜間室內的熱負荷大大降低。相變材料還可以用來在室內儲存熱量，在夜間加熱和釋放外殼，然后在夜間加熱。

（2）相變地板

將相變材料添加到地板上，形成相變..在夜間，低成本能量加熱白天相變材料，熱儲藏室的相變。例如，在峰谷電價地區，夜間低成本運行可以節省電費。同時，與混凝土板相比，相變儲能大于地面，熱穩定性較好。

前兩個應用程序是被動累加器，其中累加器應用程序是主動的。

三、工程中的應用實例及發展前景

（一）應用實例

柏林熱帶植物溫室通風系統采用雙塔，保持室內溫度恒定。通風裝置采用相變儲能模塊。其熔點為25℃，溫室頂部通風塔入口處白天氣溫30℃，夜間氣溫22℃。白天相變蓄熱模塊吸收，這種調節在夜間釋放熱量，基本上牽伸塔出口溫度保持在26-27°C，室內溫度保持不變。

在國內，相變材料也已應用于武漢市宜都花園、南灣君閣、紫竹花園等節能建筑示范區。

混凝土在水化過程中，釋放出大量的反應熱，導致混凝土溫度升高、開裂、強度降低，特別是大體積混凝土，特別是大體積混凝土甚至會引起嚴重的工程事故，如結構破壞。然而，通過添加適當的相變材料可以顯著提高混凝土的溫度。當相變材料吸收混凝土水化釋放的熱量時，混凝土在一定的內部溫度范圍內是穩定的，熱量逐漸轉移到外部以阻止反應。混凝土的內部溫度不會太高，減少水化混凝土的表面裂縫可以更好地控制反應溫度。也有利于保溫，增加房屋有效面積。

（二）發展前景

目前，相變儲能材料的發展已逐漸進入實踐階段。由于相變溫度穩定性，高潛熱具有良好的可逆性，許多區域開始添加所述相變材料以改變通常使用的構建材料的特性，生產的新混凝土，油漆，板材等等。提高殼體的隔熱能力，減少與外界環境的熱流，提高能源利用效率。此外，在軍隊中，美國海軍生產具有良好隔熱或降溫效果的干式潛水服、空軍冷浸服、防紅外線服、士兵保溫靴。目前，它已經在我們的新飛行服和通風服上進行了測試，且比俄羅斯同類的產品具有更好的隔熱性能和溫度調節性能。由此可見，相變材料除了被應用于建筑行業，還可在其他行業有所應用，具有廣泛的應用前景。

四、結語

隨著社會的發展，人們的生活水平越來越高，對室內環境舒適性的追求越來越受到人們的重視。同時，建筑在總能耗中的比重也在不斷提高。為了提高建筑的室內舒適性和節能性，相變材料的出現提供了一條新的可靠途徑——通過相變材料吸收或放出大量熱量以達到儲能的目的。它通常用于緩解能源供需在時間、強度和地點上的不匹配。隨著這項技術的發展，它已廣泛應用于太陽能“脫峰”用電、燃氣回收和余熱利用、工業與民用建筑、節能空調等領域，成為世界各國的熱門話題。因此，進一步研究和應用相變儲能技術對我國能源消費具有重要意義。

參考文獻：

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[2]王磊，熊軍，相變儲能材料在建筑節能中的應用研究，建材世界，2010年03期.

[3]孔凡鑫，相變儲能材料應用于供熱管道保溫的可行性綜述，能源與環境，2019年02期.

[4]謝芳，相變建筑材料在建筑節能中的應用研究，2010年.

作者簡介：

蒲玉蓉（1999—），女，漢族，四川南充，本科，研究方向：建筑環境與能源應用。

李歡（1997—），女，漢族，四川眉山，本科，研究方向：給排水科學與工程。

唐小漫（1998—），女，漢族，四川南充，本科，研究方向：法學。

王鮮（1998—），女，漢族，四川內江，本科，研究方向：法學。