許蒙蒙

(山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000)

相變蓄熱材料有助于提高能源利用率，維持建筑物的熱舒適性，減少環(huán)境污染，因此在建筑采暖中得到了廣泛應(yīng)用。介紹了相變蓄熱材料的化學(xué)成分與類型，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了其在建筑采暖中的應(yīng)用，包括在節(jié)能和蓄熱方面的重要作用，分析了其供暖原理及方法，即利用光學(xué)性能提高蓄熱性能，在地板中加入相變蓄熱材料，以提升采暖效果。

1 相變蓄熱材料

相變蓄熱材料是熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)中用于熱能管理的先進(jìn)材料，已用于多種蓄熱設(shè)計(jì)中，可解決供熱和需求之間的不匹配問(wèn)題，可用于建筑領(lǐng)域中的蓄熱管理、相變過(guò)程中，能夠儲(chǔ)存和釋放相當(dāng)數(shù)量的潛熱，是普通建筑材料儲(chǔ)存熱量總?cè)萘康?4倍，此特性可控制進(jìn)入和離開建筑的熱量，對(duì)改善建筑能源利用效果有積極作用。通常，相變蓄熱材料根據(jù)化學(xué)成分可分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和共晶，如圖1所示。其中，有機(jī)相變蓄熱材料是廣泛可用的材料，分為鏈烷烴和非鏈烷烴(如脂肪酸、乙醇)，主要用于建筑。鏈烷烴具有很大的溫度范圍，性能優(yōu)異，優(yōu)勢(shì)顯著。而非鏈烷烴的成本較高。無(wú)機(jī)相變蓄熱材料主要是鹽水合物、金屬，密度和能效高于有機(jī)物。共晶含有兩種或多種低熔點(diǎn)有機(jī)物組分或組合制備而成，每種組分結(jié)晶時(shí)都會(huì)經(jīng)歷一致的熔化和凍結(jié)，以產(chǎn)生組分的晶體混合物。與其他類型的相變材料相比，共晶材料的優(yōu)勢(shì)是熔點(diǎn)可以通過(guò)組合不同重量百分比的組分來(lái)調(diào)節(jié)。表1總結(jié)了不同相變蓄熱材料類型的優(yōu)缺點(diǎn)，每種都具有特定的熱物理性質(zhì)，如熔化溫度、熔化熱、密度和導(dǎo)熱率，可用于特定的建筑，其適用性在很大程度上取決于并入目的(加熱/冷卻)、采用的被動(dòng)或主動(dòng)并入技術(shù)及建筑位置。

圖1 相變蓄熱材料的化學(xué)分類Fig.1 Chemical classification of phase change heat storage materials

表1 不同相變蓄熱材料類型的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of different phase change heat storage materials

2 相變蓄熱材料在建筑采暖中的研究現(xiàn)狀

作為一種有前途的功能材料，相變蓄熱材料憑借其高能量密度和在能量充放電過(guò)程中的輕微溫度變化，可用于熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)、采暖技術(shù)中。例如，使用石膏板、灰泥和混凝土等相變蓄熱材料，可保證室內(nèi)溫度在舒適區(qū)內(nèi)解決能耗問(wèn)題。其主要應(yīng)用于儲(chǔ)能采暖系統(tǒng)，或直接與建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)元件相結(jié)合。圖2是相變蓄熱材料在建筑采暖中的應(yīng)用。

圖2 相變蓄熱材料在建筑采暖中的應(yīng)用Fig.2 Application of phase change heating materials in architecture heating

近年來(lái)，人們對(duì)相變蓄熱材料摻入建筑材料時(shí)的蓄熱性能進(jìn)行了深入研究。Kong等[1]制造了一種新型形狀穩(wěn)定的相變蓄熱材料墻板，通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法研究了墻板的蓄熱性能。目前，相變蓄熱材料的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，其中商業(yè)相變蓄熱材料溫度覆蓋-30℃～850℃，包括宏觀封裝、微觀封裝、直接混合、浸沒(méi)和形狀穩(wěn)定等。很多人研究了相變蓄熱材料漿料的性能，但仍存在傳熱、阻燃、過(guò)冷、相分離、穩(wěn)定性、不均勻熔化、凝固和泄漏等問(wèn)題。但作為潛熱熱能儲(chǔ)存技術(shù)材料，相變蓄熱材料具有顯著優(yōu)勢(shì)，是儲(chǔ)存和釋放熱能的有效材料之一。

3 相變蓄熱材料在建筑中的供暖原理及方法

相變蓄熱材料是“潛在”的儲(chǔ)熱材料，在熔化(儲(chǔ)熱)或固化(結(jié)晶恢復(fù))時(shí)、在液體和固體之間發(fā)生等溫相變。從固體到液體的相變過(guò)程中，通過(guò)吸熱過(guò)程以潛熱形式儲(chǔ)存熱能，該吸熱過(guò)程溶解相變蓄熱材料的化學(xué)鍵，并在冷卻時(shí)放熱，以恢復(fù)其固態(tài)。相變蓄熱材料在無(wú)源系統(tǒng)中的應(yīng)用原理是，當(dāng)室溫超過(guò)其熔化溫度范圍時(shí)，從固體轉(zhuǎn)化為液體來(lái)吸收熱量，以延遲室外到室內(nèi)的熱通量[2]。當(dāng)室溫低于凝固溫度時(shí)，存儲(chǔ)的熱量用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)。相變蓄熱材料應(yīng)用于有源系統(tǒng)時(shí)，可將建筑采暖/制冷負(fù)荷從高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段[3]，熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)以熱形式存儲(chǔ)能量，以供后續(xù)使用。熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括3個(gè)步驟，即熱充電、熱存儲(chǔ)和熱放電。相變蓄熱材料可通過(guò)3種方式儲(chǔ)存熱量，包括顯熱、潛熱和化學(xué)反應(yīng)。顯熱儲(chǔ)熱中，熱量可在材料溫度升高時(shí)存儲(chǔ)。介質(zhì)比熱、溫度變化和材料量是決定顯熱儲(chǔ)熱容量的主要因素，如式(1)所示：

(1)

相反，潛熱存儲(chǔ)中，當(dāng)材料的相從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)(如固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài))時(shí)，熱能被保留(或釋放)。儲(chǔ)存能量的量可通過(guò)以下方式確定：

(2)

Q=m[Csp(Tm-Ti)+amΔhm+CLP(Tf-Tm)]

(3)

用于建筑采暖的相變蓄熱材料在受控條件下，通過(guò)溫度變化吸收或釋放熱能，具有小溫度間隔的單一存儲(chǔ)容量和通常可忽略的體積變化，可用于建筑物的供熱管理。例如，集成到建筑物中的相變蓄熱材料可減少10%～87%的能量消耗，用于冷卻。因此，其已被公認(rèn)為是提高建筑能源效率的最先進(jìn)的材料之一，尤其是用于采暖和制冷。與常規(guī)建筑材料(如混凝土)不同，相變蓄熱材料可以在顯熱和潛熱中存儲(chǔ)熱能。例如，與相變蓄熱材料結(jié)合的25 mm厚的墻能夠保留與420 mm厚的混凝土墻相同的熱能[4]。此外，在冬天，相變蓄熱材料可充當(dāng)絕緣體，從而減少熱負(fù)荷。相變蓄熱材料可在炎熱的天氣防止過(guò)熱，并減少寒冷季節(jié)夜間的供暖需求。

4 相變蓄熱材料在建筑采暖中的應(yīng)用

4.1 利用相變蓄熱材料的光學(xué)性能提高蓄熱性能

相變蓄熱材料具有良好的光學(xué)性能，可用作透明物質(zhì)。Goia等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了帶相變蓄熱材料和不帶相變蓄熱材料的建筑窗戶的性能，發(fā)現(xiàn)在采暖季節(jié)，建筑物的熱量損失有所減少，而太陽(yáng)能的熱量增加卻顯著減少，說(shuō)明相變蓄熱材料窗戶在冬季可能不適合隔熱。Li等[6]分析了光學(xué)參數(shù)的影響，包括折射率和消光系數(shù)對(duì)雙層玻璃窗性能的影響，發(fā)現(xiàn)相變蓄熱材料折射率對(duì)系統(tǒng)性能的影響很弱，而消光系數(shù)對(duì)其的影響很強(qiáng)。應(yīng)適當(dāng)調(diào)整相變蓄熱材料在玻璃窗中的位置，以提高蓄熱性能。

4.2 在地板中加入相變蓄熱材料

相變蓄熱材料地板可顯著提高采暖系統(tǒng)的性能。Plytaria等[7]對(duì)面積100 m2的相變蓄熱材料地板的太陽(yáng)能輔助熱泵進(jìn)行了研究。如圖3所示，地板由砂漿、混凝土、管道、相變蓄熱材料、隔熱層和水泥組成。使用相變蓄熱材料地板時(shí)，建筑的熱負(fù)荷減少了近40%[2，7]，冬季室內(nèi)溫度可能會(huì)升高約0.8 K，某些時(shí)候則會(huì)升高約2 K。Devaux等[2]中對(duì)地板下的供暖系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)估，在地板和加熱器之間放置了熔化溫度較高的相變蓄熱材料墻板。結(jié)果表明，與不使用相變蓄熱材料的供暖系統(tǒng)相比，供熱系統(tǒng)的節(jié)能率和成本節(jié)約率分別提高了32%和42%。Kim等[3]對(duì)日本千葉縣采用相變蓄熱材料的地板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立了3個(gè)幾乎相同的實(shí)驗(yàn)室，即傳統(tǒng)墻板，地板上有4層相變蓄熱材料板，地板、墻壁和天花板上有1層相變蓄熱材料板。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)房間相比，第二和第三房間的熱能使用分別減少了9.2%和18.4%。與傳統(tǒng)地板相比，相變蓄熱材料地板對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)貢獻(xiàn)較小。

圖3 相變蓄熱地板構(gòu)成圖Fig.3 Composition of phase change heating storage floor

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化發(fā)展的加快，建筑能耗也在快速增長(zhǎng)。人們對(duì)室內(nèi)熱舒適環(huán)境的要求越來(lái)越高，為降低建筑能耗，可使用相變蓄熱材料(主動(dòng)或被動(dòng))，通過(guò)減少溫度波動(dòng)、轉(zhuǎn)移能耗，將溫度保持在熱舒適范圍內(nèi)。此外，在相變蓄熱材料的基礎(chǔ)流體中添加具有高導(dǎo)熱性材料，可提高其導(dǎo)熱性和節(jié)能密度，這些新型材料通過(guò)轉(zhuǎn)移和減少峰值負(fù)荷來(lái)減少能源供應(yīng)和需求之間的不兼容性，因此相變蓄熱材料在建筑采暖中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。