相变储能材料的理论研究及在节能建筑中的应用
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摘要：相变储能技术是当今节能减排大形势下研究的热点。本文介绍了相变储能材料的理论研究及其发展概况，包括相变材料的分类方法、封装技术和国内外研究现状，阐述了相变储能材料在节能建筑中的应用，并在此基础上提出了相变储能材料的发展方向。
关键词：相变材料；储能；节能建筑；应用
1 前言
世界统计数字表明，建筑能耗在社会全部总能耗所占的比率在30%左右，是能源消耗的一种主要形式，用于暖通空调的能耗又约占85%[1]。近几年来,相关学者始终致力于新型、高效的建筑节能材料的研究工作,相变储能材料(PCM)作为一种新兴的节能材料,已经成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能材料简称相变材料，是指在其物相变化过程中可以从环境中吸收热(冷)量或向环境中放出热冷量，从而达到能量的储存和释放的目的。与显热储能相比，相变储能具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点，此特性可以应用于很多领域。
2 相变材料的概述及研究状况
2.1 相变材料的分类
根据相变种类的不同，相变蓄热一般分为四类：固―固相变、固―液相变、液―气相变及固―气相变。根据材料性质的不同，相变蓄热材料一般可分为有机类、无机类及混合类相变蓄热材料。根据使用温度范围的不同，相变蓄热材料有可分为中、低温相变蓄热材料，高温相变蓄热材料[2]。
2.2 相变材料的封装技术
在研究开发相变材料的过程中，相变材料的封装是一个关键技术，近年来，研究者们提出诸多方法，主要的封装技术有：浸渍法、直接混合法（是将相变材料直接与建筑材料基体两者熔融后混合在一起而制成的成分均匀的蓄能材料）、高聚物交联吸收法（将聚烯烃类的高聚物经交联处理，再放入高温熔化的相变材料中吸收，从而制得相变调温单元的方法就是高聚物交联吸收法）、微胶囊法（由两部分组成：壳材和芯材）、纳米复合技术（有利于提高相变材料的传热速率）[2]。
2.3 相变材料的研究概况
相变储能建筑材料应用于建材的研究始于1982年,由美国能源部太阳能公司发起。20世纪90年代以PCM处理建筑材料(如石膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发展起来了。1999年,国外又研制成功一种新型建筑材料――固液共晶相变材料,在墙板或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料,可以保持室内温度适宜。另欧美有多家公司利用PCM生产销售室外通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋,可在冬夏天均保持在适宜的工作温度。
我国相变储能材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱，清华大学张寅平教授是我国最开始相变材料研制的学者之一，完成了很多关于相变墙体的基础性的工作，包括相变材料的研制，相变材料基础的物理和化学性能测试以及相变墙体如何在中国应用的理论分析。他还建立了分析夏季结合夜间通风的相变墙房间热性能的理论模型，分析了我国不同地区使用夏季型相变墙体的不同性能。
3 相变储能材料在节能建筑中的应用
3.1 储能材料在建筑围护结构中的应用
一 相变储能墙体材料
相变储能墙体材料是一种新型的建筑材料，它利用相变调温机理，通过蓄能介质的相态变化来实现对热能储存，从而根据环境温度的变化自动调节室内温度。当环境温度低于一定值时，相变材料由液态凝结为固态，释放热量，当环境温度高于一定值时，相变材料由固态熔化为液态，吸收热量，使室温相对平衡[3]。
二 相变储能材料采暖地板
相变储能采暖地板是通过将相变材料与地板材料基体复合制成的储能地板，由于相变材料的蓄热特性，增加了地板的热惰性，使室内外之间的热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟，易于室内温度的调控，提高了建筑物的温度自调节能力。同时它还可以利用低品位的热源或太阳能以及夜间廉价电运行，提供全天的采暖。减少了采暖地板结构厚度，减轻建筑物自重，具有节能降耗和提高舒适度的作用[4]。
3.2相变储能材料在供暖系统中的应用
一 带相变蓄热器的空气型供暖系统
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。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蓄热相变材料隔开，利用相变材料蓄存白天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[5]。
二 带相变蓄热器的太阳能水源热泵供热系统
热泵机组的冷凝器作为空气加热器置于供暖房间，蒸发器侧冷媒水系统由太阳能集热器、相变蓄热器、蒸发器以及循环水泵组成，相变蓄热装置为壳管式结构，相变材料被封装于管侧。该系统利用相变储能材料蓄存吸收太阳能，并通过冷媒水将太阳能释放给蒸发器内制冷剂，从而达到供暖通风的效果[6]。
三 相变蓄热地板辐射供暖系统
相变蓄热地板辐射供暖系统是利用相变储能材料将白天的太阳能或夜间廉价的电力进行储热，并通过固定于相变材料中的电加热丝或紧贴相变材料层的水管(内通热水作为热媒)，将储存的热量传递给其上面的热阻材料和地板层，从而达到供热的目的[6]。
3.3 相变储能材料在空调系统中的应用
一 利用楼板蓄冷的吊顶空调系统
该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。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储存冷量； 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[7]。
二 相变蓄冷空调新风机组
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[6][7]。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[8]。
4 结束语
相变储能建筑材料用于建筑节能领域，有利于降低建筑内部热波动，提高建筑物的舒适性，达到节能的目的。随着能源问题的日益突出以及人们对建筑节能问题的日益重视，相变储能建筑材料的应用前景必然越来越广阔。但相变储能材料作为一种新型的功能型材料,有关它的研究和应用才刚开始不久,它的一些特性和机理还有待进一步的研究探索,其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高，如何选取环保且与建材基体相容性很好的廉价材料进行研究制备符合各种要求的相变储能材料成了日后研究的主题。
参考文献
[1]刘云佳.中国建筑节能新台阶[J].城市住宅，2008（11）.
[2]张寅平,胡汉平,孔祥冬等.相变贮能―理论和应用[M].合肥:中国科技大学出版社.1996 [3] 陶雅各.相变储能技术在建筑中的应用[J].建设科技.2007（6）.
[4] 邱林，吴秀芬，杨梦易.相变材料蓄能采暖地板结构模型的探讨[J].建筑科学.2007（2）.
[5] 王志强，曹明礼等.相变储热材料的种类、应用及展望[J].安徽化工.2005（2）.
[6] 崔嵬.相变蓄能材料在建筑节能中的应用[J].节能与环保.2007（5）.
[7] 孙学锋，周志华，李勇刚.相变材料在暖通空调的应用[J].煤气与热力.2006（4）.
[8] 候春光. 相变材料在敬爱内筑节能中的应用综述[J].硅谷.2008（3）.
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