相变储热在建筑节能中的应用

　　相变储热在建筑节能中的应用周恩泽，董华（青岛建筑工程学院环境工程系，山东青岛266033）储热材料和相变储热技术，并提出了这一技术领域内近期需要研究和解决的问题。

　　收穑日期：2⑴2―11基金项目：山东省科技发展项目（项目编号：011150105）。

　　―），男，工学硕士，研究方向：暖通。空调；董华（959―），男，工学博士，教授，研究方向：市政工程。

　　热能存储技术可以缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，对建筑物的供暖，空调负荷起到削峰填谷的作用，是建筑节能的一项重要措施。应用热能存储技术不仅可以缩小冷热源的规模，节约初投资，而且，由于电网负荷峰谷电价分计制的实行，应用热能存储技术还可以降低供暖、空调系统的运行费用。另外，热能存储技术也是在建筑物的供暖、空调系统中有效存储、利用太阳等低成本清洁能源的重要途径，有利于环保、节能。储热系统按照储热方式不同可以分为显热储热、潜热储热和化学反应储热三类。其中，潜热储热是利用相变材料在相变时的相变潜热来储热，储热密度大，储热装置简单、体积小，而且在储热过程中储热材料近似恒温，可以根据相变储热的这一特点较容易地实现室温的定温控制。因此，相变储热在建筑节能领域的应用，有着很好的发展前景，曰益受到国内外业内人士的重视。

　　本文将对可用于建筑节能领域的相变储热材料及相变储热技术作一综述，并对此领域近期值得研究的一些问题进行探讨。

　　1可用于建筑节能的相变储热材料用于建筑节能的理想的相变材料，应该满足以下的各项要求：（1）相变温度正好是室内设计温度或供暖、空调系统要求控制的温度；（2）具有足够大的相变潜热；（3）相变时膨胀或收缩性要小；（4）相变的可逆性要好；（5）无毒性、无腐蚀性；（6）制作原料廉价易得。实际上，能够满足上述各项条件的理想的相变材料几乎是没有的。在实际应用中，主要是依据前两项条件来选择合适的相变材料，再采取适当的措施克服材料的缺点。依据相变前后的物态，可以将相变材料分成固一液类相变材料、固一固类相变材料、固一气类相变材料及液一气类相变材料等几种。其中，固一气类相变材料及液一气类相变材料在相变过程中有大量气体存在，材料体积变化较大，在建筑节能领域难以应用。因此，固一周恩泽，等：相变储热在建筑节能中的应用液类和固一固类相变材料是在建筑节能中主要研究和应用的两类相变材料。

　　1.1固一液相变材料这一类相变材料包括无机材料和有机材料两大类。

　　无机固一液相变材料：包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等。其中，结晶水合盐是中低温相变材料中*重要的一类，可以提供相变温度从几摄氏度到一百多摄氏度的可供选择的材料。可用于供暖、空调系统的结晶水合盐类相变材料包括碱金属和碱土金属的卤化盐、硫酸盐、磷酸盐、醋酸盐等盐类水合物。结晶水合盐类材料的优点是：价格便宜，相变潜热大，体积储热密度大，导热系数比有机相变材料大，呈中性w.但是这一类材料的过冷度大，易析出分离，且有一定的腐蚀性。在使用这种相变材料时，要添加与盐类结晶物相类似的成核剂以克服其过冷度大的缺点，添加稠剂或晶体结构改变剂以克服其易析出的缺点。

　　有机固一液相变材料：包括某些高级脂肪烃类、脂肪酸类或其他酯类、盐类化合物以及某些醇类、芳香烃类化合物。其中，石蜡是较受关注的一类有机固一液相变材料。这类材料常用熔点一12~ 75.9熔化热150~250lcg，是有机固一液相变材料中价格*低的一种，是一种比较理想的相变材料。有机类材料一般不会出现过冷和相分离现象，相变潜热与水合盐类材料相当性能稳定，腐蚀性小或无腐蚀性。但是有机类相变材料也存在导热系数小和储热密度较小的缺点，且易挥发燃烧，易氧化而老化，所以对这一类材料的使用要力口以选择，以确保使用的安全性〔5.为了得到相变温度适当的相变材料，常常将几种有机（无机）相变材料复合形成二元或多元相变材料，有时也将有机与无机相变材料混合，以弥补二者的不足，但是混合相变材料在调节相变温度的同时，也会导致相变潜热下降，在长期的相变过程中，还容易变性W. 1.2固一固相变材料固一固相变材料在发生相变前后固体的晶格结构改变而放热吸热。因此，这种相变材料在相变过程中无液相产生，相变前后体积变化小，无毒、无腐蚀，对容器的材料和制作技术要求不高，其相变潜热与固一液相变材料处于同一数量级，且过冷度小，使用寿命长，是一类有应用前景的蓄热材料〔8〕。

　　多元醇类相变材料是能够用于建筑节能领域的1类固-固相变材ilb！例如二111基-丙醇Ul（PG），相变温度为81相变焓为193kg（加热过程）新戊二醇（NPG），相变温度为44.09变焓为116.54kig（加热过程）2氨基一2甲基一1，3丙二醇（AMP），相变温度为56.96K相变焓为114.06kig（加热过程）〕。还可以将多元醇类相变材料中的两种或三种按不同比例混合，形成钛矿类固一固相变材料是能够用于建筑节能领域的另一类固一固相变材料〔10〕。这是一种有机金属化合物，即有机氨类金属卤化物，通式是（n―CnH21NH3）MX4其中M是金属，X是氯，n是碳原子数，在8~18之间。这些化合物有类层状晶体结构，因和矿物钙的晶体结构相类似，因此称其为“层状钙钛矿〔n〕。此类相变材料固一固相变可逆，相变温度和相变热与化合物中金属原子的种类有很大关系。不同的层状钙钛矿类材料以不同的克分子比例进行合成，可以调节相变温度和相变焓〔丨2〕。

　　通过将钙钛矿类和多元醇类相变材料进行合成，并与环氧树脂、铝粉以及室温固化橡胶共混，可以得到相变温度30~40Q相变焓大于100kg的固一固相变材料〔13〕。

　　目前，关于固一固相变材料的研究和应用工作还刚刚开始，它们的分子结晶态及能量的转变过程机理还有待进一步探明，其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。但是，由于其相变过程独有的优点，可以预见，固一固相变材料在建筑节能领域将是很有应用前途的一类相变材料。

　　1.3形状稳定的固一液相变材料这一类相变材料仍然采用固一液相变形式〔14〕。但是与一般的固一液相变材料不同的是，在相变蓄热时，这一类相变材料的外形一直保持固体形状而没有流动性。其主要成分是工作物质和载体基质。工作物质是固一液相变材料，以有机类固一液相变材料居多；载体基质是一类相变温度较高、在工作物质的相变温度范围内保持固体形状、物化性能稳定、有一定机械性能的物质，目前主要采用一些交联高分子树脂类物质〔15〕。工作物质和载体基质通过熔融下共混或封装的方法结合在一起。

　　这一类相变材料与一般的固一液相变材料相比，主要优点是无须容器封装〔16〕。但是此种相变材料的工作物质与载体基质结合在一起后，储热能力下降，储热密度降低；且在长期使用过程中，存在着工作物质与载体基质的相分离现象，载体基质机械性能的下降也容易导致工作物质的泄露。此外，这种相变材料的制造成本也较高。因此，这一种相变材料目前仍处于实验室研究阶段，但是有着一定的应用前景。

　　2相变储热在建筑节能中的应用近年来，相变储热在建筑节能中的应用研究正日益受到国内外学者的重视。相变储热在这一领域的应用主要体现在三个方面：相变蓄能围护结构、供暖储热系统和空调蓄冷系统〔18〕。

　　2.1相变蓄能维护结构将相变材料掺入到现有的建筑材料中，制成相变蓄能维护结构，可以大大加维护结构的蓄热功能，使用少量的材料就可以储存大量的热量。

　　由于相变蓄能结构的储热作用，建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟，从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，达到节能的目的。

　　维护结构中相变材料的相变温度应接近于室内的设计温度M.有以下几种方法可以将相变材料与建筑材料融合在一起：（1）先将相变材料封装于合适的容器内，然后再置于维护结构内。在这一方面研究得较多的例子是将十水硫酸钠或六水氯化钙用高密度聚乙烯管封装、然后置于墙体或地板中；（2）先将合适的相变材料封装于聚乙烯等载体基质内形成颗粒状定型相变材料，然后掺入建筑材料中；（3）直接将熔化的相变材料渗透进多孔隙的建筑材料中，这一类相变材料目前研究的较多的是羧酸和多元醇由于上述第三种方法制作的围护结构更为简单，性质更为均匀而正成为目前研究的热点。

　　如果将相变储能围护结构与适合的通风方式相结合，相变蓄能围护结构的节能作用将更为明显。如在相变储能墙体中设置风道，利用夜间通风，在冬季可以由空气将墙体日间所蓄热量带入室内，供室内夜间米暖之用，在夏季可以将墙体在夜间散入室内的热量带出室外，降低夜间空调系统的负荷；还可以在相变蓄能墙体或楼板中设置电加热器、冷（热）水管，利用夜间廉价的电力而蓄冷或蓄热⑷。

　　2.2供暖储热系统相变蓄热的房间地板辐射供暖系统。相变蓄热的地板辐射供暖系统所需热媒的温度较低，热舒适性好，是适合于太阳能集热器、热泵等作为热源能源，所以节能效果显著。相变蓄热地板由上至下依次为相变材料层、水管（内通热水作为热媒）和隔热材料可以使用水一水热泵作为热源，利用夜间廉价的电价进行储热以供次日白天使用。也可以考虑用平板式太阳能热水器作为热源，节能效果将更加显著。

　　带相变蓄热器的空气型太阳能供暖系统。此系统由空气型太阳能集热器、集热器风机、相变蓄热器、负荷风机以及辅助加热器组成。空气在太阳能集热器和相变储热器之间、相变储热器和负荷之间形成两个循环环路M.相变蓄热器包含多个供空气流动的矩形断面的通道，这些通道相互平行并用相变材料隔开。相变材料蓄存日间的太阳能并在夜间加热通道内送风以满足夜间房间负荷的需要。

　　2.3空调蓄冷系统目前，应用*为广泛的空调蓄冷系统是空调冰蓄冷系统这一方面的研究内容很多且自成体系，本文不做讨论。本文只关注除冰蓄冷系统之外的其他形式的相变空调蓄冷系统。

　　利用楼板蓄冷的吊顶空调系统。这种系统的楼板中掺有相变材料，空调系统利用吊顶内的空间向房间内送风，不必设置专用的风道，系统简单造价低W.夜间电价低时，空调系统通向房间的送风阀关闭，空气在天花板和楼板之间的吊顶空间内循环流动，冷却天花板和楼板，楼板中的相变材料发生相变以蓄存冷量；日间送风阀打开，送风被楼板冷却后送到空调房间内，满足房间负荷的需要。

　　也可以在楼板中安装冷水管。

　　相变蓄冷空调新风机组，是设置有平板式相变储换热器的新风机组。板式储换热器结构简单由一组扁平的平板式容器堆积组合而成，每两个平板式容器之间用扁平的矩形风道隔开。相变材料封装在平板式容器中，容器中还装有若干水平水管，埋在相变材料中。利用夜间廉价的电力进行蓄冷。蓄冷时通入冷媒水，冷媒水将冷量传递给相变材料，使其凝固蓄冷；释冷时，室外新风通过风道，相变材料熔化释冷，使空气降温然后送入室内M.上述的相变空调蓄冷系统，相对于空调冰蓄冷系统而言，属于“高温”蓄冷系统，既此种系统的制冷机出口冷媒水温度高于冰蓄冷系统的冷媒水出口温度，可以有效克服冰蓄冷系统蓄冷运行时制冷压缩机性能系数较低的缺点M.的理想的供暖赫胤于可以利用廉价的低品位昭相变蓄热技术正成为建筑节能和低品位能源3近期值得研究的一些问题周恩泽，等：相变储热在建筑节能中的应用bookmark2开发的重点研究方向之一。在这一技术领域，近期值得研究的一些问题包括：针对不同的室内外环境条件及不同的使用目开发出具有合适的相变温度与相变焓，在长期使用过程中物理化学性能稳定的相变材料；研究改善相变材料的导热性能，提高其相变速率的方法；根据相变换热的特点，研究相变储热换热器的强化换热措施，包括选取合适的封装材料，改进换热器的结构，沿传热流体流动方向布置相变温度不同的组合相变材料等各项措施；普通建筑材料中掺入相变材料后，相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热特性的研究；在应用了相变储热装置或相变储热围护结构，具有不同热（冷）源型式的供暖、空调系统中，针对不同的使用条件（包括气象条件），开展房间热过程的数值模拟研究和与模拟研究对应的实验研究。

　　相变材料及相变储能在建筑节能中的应用，不但可以有效降低建筑能耗，同时也为太阳能等低成本清洁能源在供暖、空调系统中的应用创造了条件，必将有着广阔的应用前景。