基于相變儲熱技術的綠色建筑性能優化研究

摘要：隨著環保理念的深入踐行，綠色建筑面臨著更高的節能減排需求。為對綠色建筑的節能性能進行優化，研究在綠色建筑的節能設計的基礎上，將相變儲熱技術應用到綠色建筑的圍護結構、供熱系統和光伏發電系統中。并對相變儲熱技術在供熱系統中的應用進行了實驗分析。結果表明，相較于傳統的直熱式電鍋爐，研究提出的相變儲熱技術在不同時期的耗電量均更低，最高耗電量為5164kW·h，耗電量減少了約一半。實驗結果展示了相變儲熱技術的良好供熱和節能性能。研究有利于促進相變儲熱技術在綠色建筑中的應用，提高綠色建筑的節能性能。

關鍵詞：綠色建筑相變儲熱技術性能優化環保節能

中圖分類號：TU201.5

ResearchonPerformanceOptimizationofGreenBuildingsBasedonPhaseChangeHeatStorageTechnology

LIXijie

MiyunCampusofCapitalUniversityofEconomicsandBusiness，ohSl0A7hGige1b0+Cd6Uzg==Beijing，101500China

Abstract：Withthedeepeningimplementationofenvironmentalprotectionconcepts，greenbuildingsarefacinghigherdemandsforenergysavingandemissionreduction.Tooptimizetheenergy-savingperformanceofgreenbuildings，thisresearchappliesPhaseChangeHeatStoragetechnologytotheenclosurestructure，heatingsystem，andphotovoltaicpowergenerationsystemofgreenbuildingsbasedontheenergy-savingdesignofgreenbuildings.AndexperimentalanalysisisconductedontheapplicationofPhaseChangeHeatStoragetechnologyinheatingsystems.Theresultsshowthatcomparedtotraditionaldirectheatingelectricboilers，PhaseChangeHeatStoragetechnologyproposedintheresearchhaslowerpowerconsumptionatdifferentperiods，withamaximumpowerconsumptionof5164kW·h，whichhasbeenreducedbyhalf.Theexperimentalresultsdemonstratetheexcellentheatingandenergy-savingperformanceofPhaseChangeHeatStoragetechnology.ResearchisbeneficialforpromotingtheapplicationofPhaseChangeHeatStoragetechnologyingreenbuildingsandimprovingtheenergy-savingperformanceofgreenbuildings.

KeyWords：Greenbuilding;PhaseChangeHeatStoragetechnology;Performanceoptimization;Environmentalprotectionandenergyconservation

隨著化石燃料的過量消耗，環境污染以及能源短缺問題愈發嚴峻，綠色建筑也越來越受到重視。綠色建筑是指在全生命期內，考慮周圍自然生態環境的客觀發展規律，合理地利用可再生能源，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑。許多學者對綠色建筑進行了大量的研究。徐河等人針對傳統建筑設計模式返工率高，缺乏信息處理等問題，基于BIM技術提出了一種綠色建筑節能設計方法，有助于促進BIM技術在綠色建筑領域中的應用[1]。胡濤[2]針對綠色建筑市場中成本效益錯配問題阻礙了其發展的問題，基于演化博弈理論構建了綠色建筑溢價分配決策模型，以深入探究綠色溢價在利益主體間的分配策略。姚宜等人[3]為了能夠有效控制綠色建筑增量成本，提出利用決策試驗和評價實驗法-解釋結構模型來分析綠色建筑增量成本的關鍵因素和根本因素。綜上所述，綠色建筑得到了廣泛的研究。但目前部分建筑仍然存在著碳排放多以及能源消耗大等問題，綠色建筑的概念還未得到完全的普及和落實，加速了能源消耗和環境污染。研究在這一背景下，提出了基于相變儲熱技術的綠色建筑性能優化。以期減少建筑的耗能和污染，促進建筑行業的綠色可持續發展。

1基于相變儲熱技術的綠色建筑

1.1綠色建筑的節能設計

在“雙碳”目標下，建筑面臨著巨大的節能挑戰。綠色建筑在提升建筑工程的質量的基礎上，能夠降低能源的消耗，促使建筑行業獲得最大化的經濟效益和生態效益。自大力推廣綠色建筑以來，我國的綠色建筑發展迅速，在2021年累計建成的綠色建筑面積超過85億m2，已形成全世界最大的綠色建筑市場。據統計，在2008年至2019年，中國的綠色建筑項目數從10個大幅度增長到5500個。在2018年至2021年，中國的累計綠色建筑面積從32億萬m2增長至85億萬m2，這期間每年的新增綠色建筑面積均在15億萬m2以上。

現行建筑設計標準分為工業建筑、民用建筑、建筑防火、建筑節能、通用標準、建筑環境以及建筑設備7大類[4]。節能設計是綠色建筑設計的重要組成部分，在綠色建筑評估中的重要性體現在有效地節約和利用能源。但節能綠色環保技術并未得到很好的推廣，在建筑施工過程中沒能得到合理的運用[5]。為此，研究提出在設計綠色建筑的過程中使用可再生綠色建筑材料以及可再生的清潔型能源。研究提出采用地源熱泵和太陽能來取代傳統的電取暖器和照明設施。

此外，為對綠色建筑的節能設計方案進行客觀的綜合評價，研究提出將節能設計方案分為圍護結構、規劃設計、單體設計、配電與照明系統、節能材料、設備配置以及可再生能源利用率7個部分。其中，研究通過圍護結構的添加來有效減少綠色建筑的熱損失，通過規劃設計來清晰地反映建筑群體間的布局情況及相對位置，通過單體設計來反映節能構造措施。

1.2相變儲熱技術的應用

研究提出采用相變儲熱技術來進一步對綠色建筑的節能性能進行優化。相變儲熱技術是一種以相變儲能材料為基礎的高新儲能技術，憑借儲放過程溫度變化穩定、可控性強以及儲熱密度高等優點，廣泛應用于建筑供暖和電子器件溫控等方面。但相變材料的熱導系數普遍偏低，并不利于熱量交換，因此常通過添加高導熱系數的顆粒或設置金屬翅片等方法提高相變材料的導熱能力[6]。為此，研究提出將相變儲熱技術應用在綠色建筑的圍護結構、供熱系統和光伏發電系統中。

首先是圍護結構。通過在建筑的地板、墻體和屋頂等位置嵌入相變材料，實現室內溫度的自動調節。在低溫環境，相變材料能夠釋放儲存的熱量，在高溫環境又能夠吸收多余熱量。由此降低空調系統的負荷，顯著提升建筑能效。實際應用中，可將相變材料與傳統保溫材料相結合形成復合圍護結構，提高建筑綜合能效。

其次是綠色建筑的供熱系統。為合理地轉移用電負荷、降低用電成本，研究提出的電熱裝置主要利用低谷電，并通過電熱轉換裝置來完成對建筑的供熱以及能量存儲。具體而言，在峰電期，啟動風機進行空氣循環，利用儲熱材料對循環空氣進行加熱，然后熱空氣經過換熱器加熱水，規避白天高峰電價。在用電低谷時期，則啟動風機和電熱管，在翅片換熱器中利用白天加熱好的熱空氣來提高相變儲熱材料的溫度，實現能量儲存。這種方式能夠顯著降低供熱系統的能耗，以在保障供暖的同時，減少對環境的污染。相變儲熱材料電熱裝置的原理如圖1所示。

最后是相變儲熱技術在可再生能源中的應用。研究提出將綠色建筑中常見的太陽能發電裝置與相變儲熱技術進行結合。具體而言，在光照充足的情況下，利用太陽能發電裝置收集太陽能進行發電，實現對綠色建筑的供能，同時利用相變儲熱技術來吸收多余的電能，實現能量儲存。在光照不足的情況下，相變儲熱材料就會釋放之前儲存的能量，代替太陽能發電裝置來為建筑提供熱能和電能。如此，不僅能解決太陽能發電裝置易受天氣和光照影響的問題，還能夠提高綠色建筑對清潔能源的利用率。

2綠色建筑性能優化結果

為驗證相變儲熱技術對于綠色建筑性能優化的效果，研究以耗電量為依據對相變儲熱技術在某總面積為5000m2的住宅樓供熱系統中的運行效果進行分析。將供暖溫度設定為23℃，并與傳統的直熱式電鍋爐進行對比。兩種方法的耗電量對比結果如圖2所示。從圖2中可以看出，相較于傳統的直熱式電鍋爐，研究提出的相變儲熱技術在不同時期的耗電量均更低。傳統的直熱式電鍋爐耗電量最高達到了9253kW·h，相變儲熱技術電熱裝置的最高耗電量為5164kW·h，比直熱式電鍋爐低了4089kW·h。此外，相較于傳統的直熱式電鍋爐，相變儲熱技術電熱裝置的耗電量波動較小。結果表明，基于相變儲熱技術的供熱系統能夠降低電能消耗，有利于節約用戶的供熱成本。

3結論

在“雙碳”目標背景下，消費者對綠色建筑的需求也在逐漸增加，我國建筑行業面臨的碳減排任務十分緊迫。為對綠色建筑的節能性能進行優化，研究提出將相變儲熱技術應用到綠色建筑的圍護結構、供熱系統和光伏發電系統中。結果表明，相較于傳統的直熱式電鍋爐，研究提出的相變儲熱技術在不同時期的耗電量均更低，最高耗電量為5164kW·h，比直熱式電鍋爐低了4089kW·h。此外，相較于傳統的直熱式電鍋爐，相變儲熱技術電熱裝置的耗電量波動較小。綜上所述，相變儲熱技術能夠顯著降低供熱系統的電能消耗，極大地節約用戶的供熱成本。但受實驗條件的限制，研究僅對相變儲熱技術在供熱系統中的應用效果進行了分析。因此，在未來的研究中，應該進一步分析相變儲熱技術在綠色建筑其他方面的應用效果，以促進相變儲熱技術在綠色建筑中的應用。

參考文獻

[1]徐河，賈曉滸.基于BIM技術的綠色建筑節能設計方法研究[J].新型建筑材料，2023（11）：30-34.

[2]胡濤.基于演化博弈的綠色建筑溢價分配策略研究[D].濟南：山東建筑大學，2023.

[3]姚宜，賈仁甫.基于DEMATEL-ISM的綠色建筑增量成本影響因素研究[J].工程管理學報，2023，37（4）：37-41.

[4]彭汝倫，王哲.建筑工程中的環保節能設計研究[J].環境工程，2022，40（7）：后插47.

[5]鄭衍旭，黃興超.新材料在超高層建筑中的應用及節能設計研究[J].合成材料老化與應用，2022，51（3）：161-163.

[6]王紓禾.光伏建筑能量供給側相變儲熱特性的研究[D].北京：北京建筑大學，2023.