相变蓄能材料在建筑节能中的应用

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摘 要: 节能降耗是实现“21世纪可持续发展战略”的重要措施之一，因此，建筑节能技术开发已引起世界各国的普遍关注。相变蓄能建筑材料作为相变蓄能物质与建筑材料结合的产物，因其优良的蓄能性能和广阔的应用前景，已引起国内外科研工作者的瞩目。相变材料可以与传统建材复合成具有蓄热和调温功能的新型建筑材料。本文结合相变蓄能材料的性质、优点，把相变蓄能材料划分为三类，分析了其在节能建筑中的应用，并提出了以后应注意的问题。

关键词：相变材料

蓄能

节能

应用

1. 相变蓄能材料介绍

物质的存在通常认为有三态，物质从一种状态变到另一种状态叫相变。相变过程一般是一个等温或者近似等温的过程，相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部分能量称为相变潜热。相变潜热一般较大，以水为例，固液相变融解热为80kcay/kg，而水的比热只有为1．0kcd／(kg?℃)。相变过程是伴随有较大能量吸收或释放的等温或近似等温的过程，这是其具有广泛应用的原因和基础。图1(a)是相变过程升温过程的温度―时间曲线示意图，图1(b)是一种相变材料潜热与混凝土、水等5℃温差显热的比较。可见，相变潜热在一定温度范围内的等效比热远远大于普通材料的显热。（a）相变过程的温度―时间曲线；（b）相变材料潜热与普通材料显然的比较

2 .相变蓄能材料在建筑中的应用形式

2.1太阳能相变蓄热应用

太阳能是一种可再生能源，清洁无污染。充分利用太阳能可以降低冬季采暖能耗，但是太阳辐射受天气、时间影响比较大，因此可以直接使用相变材料吸收太阳辐射，也可利用太阳能集热器结合相变材料使用。利用太阳能蓄热的相变材料在建筑中有多种应用形式，如图2所示。

在这些应用形式中，更为常见的是利用相变材料起到蓄热的作用。其中最为常见的是“特隆布墙”，其结构如图3所示，它是将具有良好蓄热性能的建筑材料(混凝土或者是相变材料)置于朝阳面的玻璃幕墙后面，利用材料相变时具有很高的储热性能来吸收透过玻璃的太阳辐射热，然后对玻璃与相变材料形成的夹层进行通风，将相变材料蓄存的热量通过对流(图3-a)或者辐射的方式(图3―b)传入室内，从而减少房间的热负荷。

图4为被动式蓄热采暖系统在普通房间中应用的模拟结果，可见相变材料对降低室内温度波动效果明显。

2.2结合夜间通风的相变蓄能吊顶系统

图5介绍了结合夜间通风的相变蓄能吊顶系统(NVP系统)的运行原理。夜间，通过风机引进室外冷风，对相变材料蓄冷，出口空气排入

室内(或者部分空气直接排出室外)，同时对室内建筑围护结构蓄冷；白天，空气从室内引进相变贮能换热器，经相变材料冷却后送回室内，达到室内降温效果。其中，堆积床相变贮能换热器是系统的核心构件，可以采用各种形式的封装单元，如板式、管式以及球体堆积床形式等。

为合理布置系统，减少占用空间并考虑美观因素，将相变贮能换热器安装在房间吊顶与上层楼板之间的空间内。同时，通过选择合理的结构形式及传热单元的体表比，可以避免相变材料的析出及分层问题。

3.定型相变材料的应用

在建筑中采用的相变材料大多是固―液相变蓄热材料，在其发挥效用时，也必然伴随着相变过程，而对于固―液相变过程来说，本身就存在着一些很难克服的缺点。如易发生相分层、过冷较严重、蓄热性能衰退和容器价格高。为了克服材料固―液相变过程中所呈现的问题，一类新型的定形相变材料受到广泛关注与研究。这种新型的定形相变材料或者固―固相变材料在发生相变时不会产生液态因而不会发生泄漏，此外它还具有过冷程度轻、无腐蚀、热效率高、寿命长等优点。

定形相变材料(shape―stabilized PCM)是由相变材料和高分子材料组成的混合蓄能材料。相变材料一般用石蜡作为芯材，高分子材料作为支撑和密封材料将石脂包在其组成的一个个微空间中，因此在相变材料发生相变时，定形相变材料能保持一定的形状，且不会有相变材料泄漏，与普通的因液相变材料相比，它不需封装器具，减小了封装成本和封装难度，避免了材料泄漏的危险，增加了材料使用的安全性，减小了容器的传热热阻，有利于相变材料与传热流体间的换热。该种材料可制成粒状、棒状，也可制成板材。

图10为一种定形相变材料板的照片和微观电镜照片。，相变潜热为80kJ／kg。

在清华大学超低能耗示范楼中就采用了定型相变材料的蓄能高架活动地板，如图12所示，此种地板把定形相变材料颗粒加入水泥砂浆中制成混合材料，并注入高架活动地板，可显著增大地板的蓄热密度；同时，水泥砂浆也会增强相变材料的导热系数，使其蓄放热过程更加高效，且能使地板保持较高的强度。通过改变掺混比例，可调节混合材料蓄热能力。此地板中的定形相变材料相变温度为20℃左右，相变潜热80―90kJ／kg，其在地板中的质量含量为40％。

蓄能高架活动地板在白天太阳辐射照射到地板上或者室温较高时吸收热量，在室温较低时放出热量。这样就可以充分利用太阳能，并使室温波动较小，房间可保持舒适并节省采暖费用。图13是使用相变蓄能地板和使用普通地板房间的模拟结果。可见，相变蓄能地板可以降低白天最高温度，提高夜间室温，节省冬季采暖能耗。

4. 结束语

随着人们节能和环保意识的增强，建筑节能日益受到关注。相变蓄能建筑材料的研究与推广可以减少建筑能耗，达到节能的目的。相变蓄能建筑材料是将相变材料加入到建筑材料中，不仅能作为承载或装饰材料，而且能储蓄较多的热量。然而，目前应用于建筑的相变蓄能材料尚处于研究和试用阶段，在以后的研究中，相变蓄能建筑材料还需要对以下问题进行研究：一是进一步筛选合适的相变材料，探索新型相变材料，采用多元复合等技术研制新型高效的相变蓄能建筑材料；二是研究相变材料的封装技术及其与基材的复合工艺，制备性能稳定、生态友好的相变蓄能材料；三是添加辅助成分解决相变材料存在的过冷、结霜等问题；与改性材料(如石墨、 等)结合，提高其导热系数，增加换热效率；四是建立模型模拟不同的气候条件，优化相变温度，以便于进行针对性的研究和应用；五是对相变蓄能建材的力学性能和耐久性能进行研究，为建筑的寿命预测提供依据。

参考文献:

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