相變儲能材料技術及在建筑節能中的運用研究

摘?要：近年來，我國愈發重視科技發展，尤其是在新材料和熱能領域中，相變儲能技術更是已經成為一大研究熱門，相變儲能技術能夠使我國面臨的能源供需失配問題得到有效解決，并可充分發揮能效，提高太陽能的利用效率。本文便對相變儲能材料的內部相變機理及其材料性質進行深度分析，在此基礎上利用建筑模型實驗的方式來研究建筑節能中相變儲能材料的運用效果，以期能夠為建筑工程人員在應用相變儲能材料技術過程中提供一些有價值的借鑒和參考。

關鍵詞：相變儲能材料;建筑工程;節能;運用

引言

Phase Change Materials的中文簡稱為相變儲能材料，人們又將相變儲能材料叫做PCMs材料，對于相變儲能材料來說，當外界溫度在固定范圍內變化時，其材料本身的相態或結構也會隨之發生變化，進而使環境中的熱量能夠被材料自動吸收，或是材料將內部儲存的熱量釋放到環境之中去，這樣便可使材料發揮出對環境溫度進行調控的作用。就目前來看，我國建筑行業的能耗水平長期居高不下，而國外建筑行業的能耗也超過全部行業總能耗的四成以上，因此，大力推行節能減排勢在必行，只有發展低碳經濟，才能有效保護人類賴以生存的自然環境。在節能減排的大背景下，人們對建筑節能新材料開發也日益重視，相變儲能材料便是典型的建筑節能新材料之一，其材料應用優勢在于能夠通過吸收和釋放能量來調控環境溫度，并且材料的體積較小，有著簡單的儲熱裝置和較大的儲能密度，這使得室溫定溫控制成為可能。以下便對相變儲能材料及其在建筑節能中的運用開展深入的研究。

一、相變儲能材料的機理及性質

當外界溫度在固定范圍內發生變化時，材料的物理狀態也會隨之發生變化，這種材料便是PCMx材料，也就是所謂的相變儲能材料。如果外界溫度超過相變儲能材料的相變點時，此時該材料會自動對外界熱量進行吸收，以此實現相變。而如果外界溫度低于相變儲能材料的相變點時，那么該材料則會將自身存儲的熱量向外界釋放，該釋放過程便是逆相變過程。對于相變儲能材料來說，其在進行相變與逆相變時吸收或釋放的熱量，則可將這些熱量看作是相變儲能材料的潛熱。在相變儲能材料中，其材料特點主要體現在高密度儲能、大量的相變潛熱以及簡單的儲能裝置，當相變儲能材料處于相變過程時，其自身溫度的穩定性是趨于良好的，通過對外界環境溫度進行有效調控的同時，還可使能源供需過程中存在的供需速度和供需時間異步問題得到顯著的改善，進而使相變儲能材料真正實現對室內溫度的有效調控，可以說，相變儲能材料在我國建筑領域中有著巨大的節能保溫優勢。以相變儲能材料所具有的性質來看，其主要類別可劃分成有機物PCMs和無機物PCMs，在這兩類PCMs中，無機物PCMs的導熱性、蓄熱密度、經濟性以及熔解熱等性質要高于有機物PCMs，不過在建筑工程中應用無機物PCMs時，卻容易受到腐蝕，并且無機物PCMs在使用過程中還可能存在易相分離、過冷等問題，進而導致其儲熱能力受到影響。對于有機物PCMs來說，其儲能利用率偏低，并且導熱性也不好，所以系統能效偏低，不過該類PCMs卻有著良好的抗腐蝕性和穩定性。

二、相變儲能材料在建筑節能領域的運用研究

在建筑節能領域中，為了對相變儲能材料在應用過程中所發揮的節能降溫效果進行研究，本文采取建筑模型實驗的方式，對一個尺寸為270mm×320mm×320mm的涼屋頂建筑模型進行了設計與制作，在該模型中，按照從上至下的順序分別是紙箱板、相變儲能材料層、紙箱板，其中紙箱板的厚度為4mm，而相變儲能材料層的厚度則為10mm，為了測量相變儲能材料在建筑模型中的溫度調控效果，還需要將精密而靈敏的鉑電阻溫度測量計分別布置在紙箱中心處與角位置、相變儲能材料層的中心位置與角位置。考慮到需要通過對比來驗證相變儲能材料的溫控效果，還要制作同樣尺寸的建筑模型便于對比。在用于對比的建筑模型制作時，原有的相變儲能材料層利用多孔介質-膨脹珍珠巖來進行代替，這是因為多孔介質-膨脹珍珠巖有著非常良好的隔熱性能，該有模型的各項參數均和涼屋頂建筑模型保持一致，而且鉑電阻溫度測量計的布置位置也和涼屋頂建筑模型相同。在檢測涼屋頂建筑模型和用于對比的建筑模型的室內、室外與屋頂溫度時，主要通過微機化多路溫度采樣儀來完成。對于相變儲能材料來說，當外界溫度達到30℃時，該材料便會產生相變，而膨脹珍珠巖則是一種多孔的隔熱介質材料，模型中的低滲透模層則采用環氧樹脂，多孔介質內還載入有40%的相變物質。在開展實驗時，需要在室內溫度達到25℃的條件下放置兩個建筑模型，并進行八個小時的冷卻后，待八個小時過后將其移至室外，根據實驗當天的天氣數據可知，實驗當天為夏季，其露天空氣溫度在不進行遮擋的情況下可達到40℃左右，并且當天的天氣晴朗。根據測量的空氣溫度變化曲線、涼屋頂建筑模型中相變儲能材料中心處的溫度測量數據、用于對比建筑模型中多孔介質-膨脹珍珠巖的中心處溫度測量數據，結合這些數據可了解到，在用于對比的建筑模型中，由于其并沒有設置相變儲能材料層，這使其層頂溫度迅速上升，而且集熱效果非常顯著，明顯高于空氣溫度，溫度值將近50℃。在涼屋頂建筑模型中，因其設置了相變儲能材料層，這使其相比于對比的建筑模型來說，涼屋頂建筑模型的屋頂溫度始終要比前者更低，而且也低于外界空氣溫度，隨著時間推移可知，在涼屋頂建筑模型中，其屋頂溫度要低于對比建筑模型中屋頂溫度3℃左右，由此可以看出，采用相變儲能材料來調控建筑模型中的溫度，其降溫效果要比多孔介質-膨脹珍珠巖更加明顯。

通過在建筑模型屋頂中運用相變儲能復合材料，能夠使建筑模型有效阻隔太陽輻射對屋頂的熱量流入，在某些數據變化中也能對這一結論予以有力證明。相變儲能材料在建筑節能領域中的運用機理可以做出以下描述，當屋頂受到室外溫度的影響而向室內傳遞熱量時，這些熱量會被相變儲能材料熔化吸收，因相變儲能材料在相變過程中對能量的吸收是有限的，如果能量吸收達到上限，熱量才會被傳遞至室內。所以，由此也可以看出在建筑物的屋頂或墻壁中只要設置充足的相變儲能材料，即可對室外熱量的傳遞進行有效阻隔，從而防止室內溫度升高。借助相變儲能材料所具有的良好隔熱性與能量儲存性，能夠使建筑在使用過程中大幅減少空調電能消耗，進而真正實現節能減排目標。舉例說明，如果夜間溫度較低時，采用相變儲能材料可對白天吸收的熱量進行釋放，這樣在夜間便可縮短空調的運行時間，使室內溫度保持一個舒適的范圍。而當中午來臨時，由于中午的溫度比較高，為了保持室內涼爽，相變儲能材料會自動將外界熱量進行吸收，并直至達到極限為止，而外界熱量的吸收便減少了熱能在室內的傳遞，從而使建筑室內人員不需開啟空調，也能感受到室內的涼爽，這樣對于用戶來說，即減少了用戶對電能的消耗，同時也為用戶節約了許多用電費用。Ryu與Udagawa便通過數值模型對設置了相變儲能材料建筑物的電能節約情況進行了深入的分析，并得出了以下結論：即當分時電價比例達到1：3時，能夠使電能節約量達到45%至75%，而用戶的用電費用也能相應減少27%至47%。由此可見，這一結論充分證明了相變儲能材料在建筑節能領域的應用價值。

三、相變儲能材料的未來研究方向

隨著國家經濟實力的不斷增長，我國對能源的需求量日益增加，這也使我國逐步成為能源消耗大國，能源供需也變得越來越緊張。在我國眾多領域發展中，建筑領域的能耗占比高達40%以上，因此，為了推動建筑領域的節能減排，減輕建筑行業發展給自然環境造成的污染。可以說，要想實現節能環保，就必須要加快對相變儲能材料的研究，而在相變儲能材料未來發展中，則應重點研發以下方向：其一，對更多種類的相變儲能材料進行研發，確保新研發出的相變儲能材料具備良好的環保效果，能夠實現對相變儲能材料的循環利用，同時確保相變儲能材料具備更加良好的穩定性，提高其經濟性、耐久性和儲能密度;其二，從各個方面、不同途徑來對現有的相變儲能材料進行改進，研究出相應的封裝方法與基材復合方法，從而使制備的相變儲能材料具備良好的穩定性與生態友好性;其三，對相變儲能材料的力學性能進行優化研究，使相變儲能材料變得更加經久耐用;其四，在建筑領域中對定型相變儲能材料的抗滲性、耐久性和儲熱性進行研究，以確保在建筑節能領域中應用更多的技術新成果。

結語

總而言之，隨著越來越多專家與學者開展相變儲能材料的研究，其研究趨勢正變得越來越系統化、工程化，這也使相變儲材料在建筑節能領域中的節能效果得以不斷提高。雖然我國對相變儲能材料已經開展了較為全面的研究，不過在要料應用時卻仍有很多問題需要解決，所以相關專家及學者還要開展更加深入的研究，以期能夠在建筑節能領域更為廣泛的應用相變儲能材料。

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作者簡介：王志楠，（1994.12.24-），男，漢族，哈爾濱人，學歷碩士在讀，畢業于華北電力大學，熱能工程專業，研究方向為相變蓄熱儲能材料。