儲能材料在建筑設計中的創新運用分析

摘 要：相變儲能材料是一種具有潛在應用于建筑設計的創新材料。本研究旨在探討相變儲能材料在建筑設計中的創新運用，并分析其對建筑節能和室內舒適性的影響。基于此，本文介紹了相變儲能材料的基本原理和特點，探討相變儲能材料在建筑外墻和屋頂設計中的創新應用，研究相變儲能材料在室內隔墻和地板設計中的創新應用，總結相變儲能材料在建筑設計中的創新運用的優勢和挑戰。

關鍵詞：儲能材料；建筑設計；創新；運用；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，人們環境保護意識持續增強，建筑設計領域對于高效能源利用的需求也日益迫切。而傳統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用于建筑設計中，成為當前研究的熱點話題。而相變儲能材料是一種具有特殊熱學性質的材料，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，這種材料可通過調節溫度來實現儲能和釋能的過程，從而實現能源的高效利用。相比傳統的儲能方式，相變儲能材料具有體積小、密度高、儲能效率高等優勢，能滿足建筑設計對于節能、環保、舒適性的要求［1］。

1 相變儲能材料的基本原理和特點

1.1 基本原理

相變儲能材料基本原理是通過物質的相變過程實現能量的儲存和釋放。所謂相變是物質由一種狀態轉變為另一種狀態的過程，常見相變包括固態到液態的熔化、液態到氣態的汽化、氣態到液態的凝結、液態到固態的凝固等。在相變過程中，物質吸收或釋放大量的熱量，這種熱量的變化可用來進行能量儲存和釋放。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，如蓄冷材料和蓄熱材料。蓄冷材料通常在低溫下吸收熱量，使得物質發生相變從而儲存能量，當需要釋放能量時，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行相變儲能，當要釋放能量時，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域具有廣泛的應用前景，如在太陽能領域，可利用相變儲能材料收集太陽能，有利于其在夜晚供電；在風能領域，采用相變儲能材料儲存風能， 便于工作人員在低風速時供電；在建筑物節能和空調系統中應用，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，具有各種獨特的特征。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，從而實現高能量密度的儲能。相比傳統的化學儲能材料，相變儲能材料具有較高的能量密度，能提供穩定的能源供應。

（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。而傳統化學儲能材料則需要較長時間進行充放電，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生化學反應，其壽命相對較長；傳統化學儲能材料存在著容量衰減、循環壽命等問題，需要組織工作人員進行定期更換。

（4）相變儲能材料具有較高的安全性。相變儲能材料不會發生火災等安全隱患，因為其儲能過程是基于物質的相變特性而非化學反應。相比之下，傳統的化學儲能材料存在著安全風險，需要采取額外的安全措施來防范事故。

（5）良好的環境友好性。相變儲能材料不含有害物質，不會對環境造成污染；傳統化學儲能材料中常常含有重金屬等有害物質，對環境和人體健康造成潛在威脅。相變儲能材料是一種可持續發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域的研究熱點，將為可再生能源的大規模應用提供關鍵［3］。

1.3 使用性能

對比常規建筑材料，相變儲能材料能進一步吸收熱量和釋放熱量，其內部的相變焓能控制物質相變反應中存在的熱量儲能，比熱容可準確呈現出物質的放熱和吸熱狀態。從實際應用角度分析，這種材料的相變熱平均值為100kJ，顯熱效果超過常規材料的40～50倍，被廣泛應用到建筑室內溫度調節方面，是室內溫度控制的關鍵點［4］。以水資源為例，1kg水在固液態相變過程中會吸收和釋放大量相變潛熱，其在運行中所使用的能量相當于靜態水溫提升到80℃所需能量。通過對比綜合材料，發現相變儲能材料具有較強的室內溫度調節能力和儲能能力。

2 儲能材料在建筑設計中的創新應用

2.1 相變儲能模塊蓄冷在建筑設計中的應用

2.1.1 設置在地板下

相變儲能模塊核心是相變材料，其選擇直接關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，需考慮室內溫度范圍、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，從而實現夏季蓄冷、冬季釋能的目的。還要考慮相變材料的穩定性，以確保長期穩定的使用效果。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，還要考慮熱傳導效果［5］。

2.1.2 布置在窗臺下

在夏季高溫時，相變儲能模塊可通過吸收室外空氣的熱量進行蓄冷，從而降低室內溫度；當室內溫度升高時，儲存在窗臺下的相變儲能模塊會自動釋放儲存的冷量，達到調節室內溫度的效果。相比傳統的空調系統，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，空調系統時常會造成室內溫度的不均勻，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行熱交換，實現快速降溫，并使室內溫度分布更加均勻，不僅提高了建筑的舒適性，還減少低溫區域和高溫區域之間的溫差，避免冷氣對人體的直接吹襲，提供更宜人的室內環境。儲能模塊緊貼外墻布置，通過在外墻上開設通風孔實現室內外空氣的流通［6］。模塊頂部配備一個可調節的蓋板，通過打開或關閉蓋板來控制空氣流向。當將蓋板調整到水平位置時，室外新鮮空氣可以自由進入室內，而調整到垂直位置時，室外空氣無法進入室內，實現室內空氣的循環。控制器由控制設備和管道兩部分組成，通過控制這兩部分的運行，實現對整個儲能模塊系統的控制和調節。

2.1.3 與中央空調聯合使用

傳統空調系統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系統的運行時間。當室內溫度較低時，空調系統自主停止工作，相變儲能模塊會釋放儲存的冷能，使室內保持低溫狀態，不僅能減少空調系統的運行時間，還要有效降低建筑的能耗，實現節能的目標。在炎熱的夏季，空調系統要不斷制冷才能保持室內的舒適溫度，但長時間的空調使用會導致室內濕度降低，給人們帶來強烈的不適感。相變儲能模塊可吸收空氣中多余的濕氣，并在需要時釋放出來，增加室內的濕度，提高室內的舒適性。相變儲能材料是一種具有特殊熱學性質的材料，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，這種材料可通過調節溫度來實現儲能和釋能的過程，從而實現能源的高效利用。同時，由于相變儲能模塊的儲能特性，其可平衡室內溫度的變化，減少溫度的劇烈波動，使室內的溫度更加穩定。另外，應用相變儲能模塊對環境保護也起到積極的作用，相比傳統的空調系統，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行充電，減少對傳統能源的依賴，實現綠色環保的目標。

2.2 相變材料地板和太陽能熱水系統結合

隨著全球氣候變暖和能源消耗的增加，人們對于節能和環保的建筑設計需求也越來越高。相變儲能模塊作為一種新型的節能技術，正在逐漸被應用于建筑設計中，其中相變材料地板和太陽能熱水系統結合是一種創新而有效的方式。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。當太陽能熱水系統產生的熱水通過地板循環時，相變材料地板可以吸收和儲存這些熱能，使室內溫度保持穩定；當室內溫度下降時，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用可減少建筑對傳統暖氣和空調系統的依賴，從而降低能源消耗，實現節能效果［7］。

相較于傳統的空調系統，該應用能實現更加均勻的室內溫度分布。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，其相變點峰值溫度為31.2℃。該系統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管網進行傳熱，實現了太陽能熱水與相變儲能材料的結合。經過測試，該系統的使用性能良好。在完全依靠太陽輻射作為熱源的情況下，白天可以進行長達8小時的蓄熱，而每天則有16h的放熱時間。這一創新的系統設計確保了供暖周期內每天的溫度都能穩定地保持在15.6℃以上。同時，太陽能熱水系統提供的熱水循環能保持地板表面的適宜溫度，讓人們在行走時感受到更加舒適的腳感，不僅提高人們的生活質量，還能提高工作和學習的效率。而且相變材料是一種環保的材料，可循環利用，不會對環境造成污染。太陽能熱水系統利用可再生能源太陽能來供給熱水，減少對傳統能源的依賴，降低碳排放量。這種可持續發展的應用不僅符合現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 在通風塔中的使用

通風塔作為建筑物的一部分，通常用于調節室內溫度和增強空氣流動。然而，在炎熱的夏季，通風塔往往難以保持低溫狀態，因為它無法長時間地提供冷卻效果，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，從而降低室內溫度。且相變儲能模塊的蓄冷效果可持續較長時間，使得通風塔能持續地提供冷卻效果，提高室內舒適度。同時，相變儲能模塊通過利用物質在相變過程中吸收或釋放的大量熱量，可以實現高效的能量轉換。在通風塔中使用相變儲能模塊能減少對傳統冷卻設備的依賴，降低能源消耗；利用夜間低溫時段吸收冷量，并在白天釋放出來，有效減少對空調系統的負荷，從而實現節能效果；與其他可再生能源設備結合使用，如太陽能板，進一步提高能源利用效率。通風塔作為建筑設計中的一種元素，形態和功能多樣。

相變儲能模塊的設計靈活性使其可以適應不同形態的通風塔。以德國柏林熱帶植物園為例，德國處于寒冷地區，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。而傳統保溫方式要消耗大量能源，為了達到節能的目標，設計者將植物園圍護系統設計為低傳熱系數的玻璃，保證室溫中有充足太陽輻射的情況下能控制熱量散失，保證白天室內溫度的合理性。但在夜間不存在太陽輻射，為了確保室內有足夠溫度，設計者利用相變材料提供夜間溫度。在這個植物園中設計兩個空心相變儲能通風塔，內部安裝相變儲能模塊，能合理分配室內能量。該相變儲能模塊的相變點溫度為25℃，在白天由于太陽輻射影響下，溫室中溫度快速上升，自主開啟通風塔上部風機，讓空氣能流到通風塔，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，冷空氣通過通風塔進行加固，保證溫室中空氣長期持續在恒溫水平。

3 結論

本文通過對儲能材料在建筑設計中的創新運用進行研究，發現傳統建筑設計中常常忽視能源的儲存問題，導致能源的浪費。而儲能材料的運用可將多余的能源儲存起來，在需要的時候釋放出來使用，從而最大限度地提高能源的利用效率。同時，通過使用儲能材料，我們能在非高峰時段將多余的能源儲存起來，并在高峰時段釋放出來使用，從而減少對傳統能源的依賴，降低建筑的能耗。

參考文獻：

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