相变材料热性能及其在室内被动式储能系统的简易计算

崔 艳 琦



相变材料热性能及其在室内被动式储能系统的简易计算

崔 艳 琦

（仲恺农业工程学院城市建设学院，广东广州 510225）

相变材料具有固定的相变温度，当环境温度高于或低于相变温度时，自动发生熔化或凝固，同时吸收或释出潜热，在熔化和凝固过程中，保持温度恒定。相变材料这种独特的性能，得到了全世界各国政府和研究机构的高度重视。本文综述了相变材料的相变潜热、相变温度及传热系数等主要热性能，介绍了相变材料在室内应用的被动式基本结构模型，并参照前人研究结果，简易计算出相变材料在室内被动式控温需要相变材料的数量，为相变材料在室内等领域的推广应用和效益评估提供参考。

相变材料；潜热；相变温度；建筑节能

相变材料（phase change materials，简称PCM）是在一定环境条件下，自身发生相变，即固-液、液-气、固-气和固-固相之间的相互转变的材料。这四种相变之中，固-气和液-气相变过程会产生大量的气体，体积变化较大，在固-固相变过程中往往热量变化较小，因此，到目前为止这三种相变过程在实际储能生产中很难应用，研究和应用较多的是固-液相变材料。固-液相变材料发生相变时，材料本身可以吸收或释放大量的热。当环境温度高于相变温度时，固相发生融化，同时吸收环境的热量，并保持本身的温度恒定不变；当环境温度低于相变温度时，液相发生凝固，同时释放热量[2]。相变材料的这种周而复始变化的特殊性能，对于解决周期性变化的气温和能源消耗具有很好的实际效果。例如可以把白天的太阳能储存起来，晚上需要的时候释放出来使用，也可以把用电低谷时的电能储存起来，转移到用电高峰的时候使用，这不仅可以解决能源的供需矛盾，还可以节约能源，减少二氧化碳的排放，改善环境[3]。建筑物是人们居住和工作的主要场所，建筑环境的条件直接影响人们的健康和工作效率，能源是当代建筑不可替代的重要资源，是为居住者提供生活和工作条件的基本保障。根据有关资料报道，建筑消耗的能源占社会耗能总量的30%～40%，是耗能大户，而建筑室内的耗能占整个建筑耗能的50%[4]。因此，近几十年来，世界各国政府和科研机构及高等院校都投入了大量的人力和物力开展建筑节能的研究工作，从主动的室内空调降温到被动的储能降温节能研究和应用，且取得了很好的成效。被动式相变储能技术则是目前研究最热、效果最明显的领域之一。虽然影响相变储能的因素很多，但是其中最关键的因素是相变材料的相变潜热、相变温度和传热系数等主要热性能和环境条件。本文详细地综述和分析了相变材料的主要热性能及其在建筑室内被动式降温系统的应用基本结构，并根据有关经验，提出该种模型耗能的简易计算方法，为相变材料的室内降温应用研究提供参考。

1 相变材料的主要热性能

1.1 潜 热

潜热是相变材料在等温等压的条件下发生相变时单位质量材料所能吸收或者释出的最大热量，即相变材料从固相转变成液相时吸收环境热量，反之液相转变成固相时向环境释出热量。潜热的大小是相变材料能否在建筑中得到广泛应用的重要前提，也是影响相变储能系统节能效率的主要因素。相变材料的潜热越大，也就是单位质量相变材料所能吸收或放出的热量就越多，相变储能系统占的体积就越小。据有关研究报道，潜热的大小与物质结构有关，有机相变材料其碳原子越多潜热就越大；无机相变材料的水合物其结晶水越多，往往其潜热也越大；无机熔融化合物其相变潜热与其正负离子绝对值成正比[5]。从热力学上来分析，潜热是相变材料相变过程的末态与始态的焓差值即相变焓。根据 热力学公式

从上式可以看出，在相变温度m恒定时，相变材料的相变潜热随着熵的增加而增加。因此，在选定相变材料时可以从其相变焓的大小进行选择，一般要选择热焓大的相变材料作为系统的储能材料。

1.2 相变温度

相变材料具有在恒定温度范围内改变其物理状态的能力。例如，在加热到熔点温度时，就产生熔化并吸收大量的潜热，当相变材料冷却时，所储存的潜热释放到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。相变材料在发生这种物理状态变化过程中，材料自身的温度前后几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，这个温度范围称为相变温度。相变温度决定于物质本身的化学结构，不同的相变材料其相变温度是不同的，有机相变材料的相变温度往往较低，无机相变材料的相变温度往往较高，相变温度是决定相变材料应用环境的主要条件，不同的应用场所要求不同的温度。建筑物是人们居住和工作的场所，其周围环境的温度应该是满足人体最舒适的温度，即20～26 ℃[6]。但是，在实际的应用中，符合该温度范围的相变材料是有限的，必须把两种或两种以上的相变材料复合在一起，生产成适宜相变温度的复合相变材料。复合相变材料的相变温度可根据实验进行测定，也可以根据有关公式进行计算，重庆大学杜开明[7]对有机化合物相变材料进行复合，构成低共熔物的相变温度实测值与施罗德公式[式(2)]计算值一致，该公式表述见式(2)

式中，A为A组分的摩尔分数；为纯A组分的熔化潜热，J/mol；f为A组分的相变温度，K；c为复合相变材料的相变温度，K；R为气体常数，8.315 J/(K·mol)。

1.3 传热系数

传热系数的物理意义是：间壁两侧流体主体间温度差为1 K时，单位时间内通过单位间壁面积所传递的热量，其单位为W/(m2·K)。相变材料的传热过程比较复杂，相变材料在相变过程中存在一个模糊的两相区域，它不仅包含单相传递的热量，还包含多相的热量传递。在熔化的过程，相变材料主要通过对流传热方式进行传递，在固化的过程，相变材料主要通过传导的方式进行传递，对流传热系数往往比导热传热系数要大，因此，相变传热过程的总传热系数主要取决于熔化过程的热传递。相变储能效率主要取决于能量的储存与释放的速度，而往往相变材料的导热性能又比较低，影响了相变传热的速度，为了提高相变传热系数，国内外许多学者开展了确有成效的研究工作，并且取得了较好的研究成果。华南理工大学吴淑英博士[8]研究了纳米铜对相变石蜡相变传热的影响，添加1%质量分数的纳米铜可以分别提高石蜡的凝固和熔化速率28.2%和30%。MEHLING等[6]也研究了不同厚度相变材料的传热系数，具体见表1。

表1 相变材料的厚度与传热系数的关系

从表1可以看出，相变材料的厚度对其总传热系数有较大影响，其厚度越大传热系数越小。为了提高相变材料的传热系数，毕胜山等[9]采用纳米二氧化钛对相变材料进行改性，可以提高其导热系数。

2 被动式室内相变储能空调

建筑所用的材料直接影响到居民的身心健康，不仅是要求经济和节能，而且必须提供舒适的居住条件，包括温度、湿度、气味等。有关研究表明，人体皮肤与环境进行能量交换的温度为37 ℃，若高于或低于此温度，人就会感到不适，甚至生病。为了满足人体与环境之间的能量平衡，建筑内空气适宜温度为20～26 ℃，相对湿度为30%～70%。古时，人们为了控制适宜的室内环境，冬天主要靠柴火取暖，夏天靠扇子散热。现代，人们则主要依靠蒸汽取暖和空调降温，这不仅要消耗大量的能源资源，而且排出大量的二氧化碳，严重污染环境。因此，自20世纪70年代以来，人们就开始研究和探索新的能源资源和技术，相变材料储能技术就是其中效率最高和最干净的新能源技术之一。早期相变材料在建筑中的应用主要有相变墙体、相变门窗、相变天花板和地板等围护结构。在这些围护结构里封装进相变材料，当外界温度高于相变材料的相变温度时，相变材料发生相变，吸收或者释出热量，减少室外的温度对室内的影响，控制室内适宜的温度，达到节能的目的。目前，相变材料在建筑中的应用逐步转向可移动式的被动式相变储能空调器，其结构如图1所示[9]。

该储能控温系统是把相变材料安装在箱式的铝盒里，空气通过小风扇从下面进风口进，然后经过相变材料进行热交换后，从上面出风口排出，通过控制出口风量可以调节室内的气温。为了提高该系统的安装便捷性，往往先把相变材料封装在铝板盒或塑料盒里 然后再安装在箱里，盒子的形状如图2所示[10]。

3 节能效率分析

相变储能是利用材料本身在特定的温度条件下发生相变，自动吸收或释出热量，从而达到调节环境温度的效果，属于被动式储能过程，所以其节能效率的评价可以从系统改变环境温度的能力进行计算，也可以从系统直接传给环境的热量进行计算。周全等[11]采用温度滞后的方法研究得知相变材料提高节能效率为30.8%。王健昌[12]采用峰值温差方法进行评价，提高节能效率为27.56%。本文根据热量传递的基本规律，根据上述研究结果和MEHLING等对不同厚度传热系数的经验总结，简易计算室内被动式相变储能系统的节能效果。

我国有关环境标准要求，室内空气新风量为每人30 m3/h，空气流速为0.3～0.2 m/s[13]。夏天我国大部分地区白天气温为30～34 ℃，人体的舒服温度为22～26 ℃，一般空调的室内设计温度为28 ℃，也就是说要保证室内空气的温度处于人的舒服温度，相变材料的相变温度应该在26 ℃左右。相变材料在熔化时候吸收的热量，在材料里以潜热的形式储存起来，在凝固时又释放出来，由于其能量的释出与吸收，与室内的空气建立能量的平衡，减少空气温度的波动，从而节约能源。根据能量守恒定律，可建立如下能量平衡方程。

（4）

上式可改写为

如果忽略围护结构的热损失，空气温度为34℃，相变材料的相变温度为26℃，空气密度为1.29 kg/m3，空气热容为1.013 kJ/(kg·℃)，按每人30 m3排风量计算，每小时需要的能量为

每人每天需要降温的时间从上午10时至下午16时，则每人每天需要的能量为

采用图2的相变材料封装盒，每个盒的表面积为0.02 m2，相变材料的厚度按10 mm、传热系数为500进行计算，a为34 ℃，pcm为26 ℃，则每个盒的传热量为

（6）

把有关数据代入得

根据上述周全等[11]有关研究结果表明，相变材料的储热效率为30%，因此，每个盒的相变材料最大吸收热量为

，

选取英国S25型的相变材料,其相变潜热为 180 kJ/kg，则每个封装相变材料质量为

4 结 论

综上所述，相变材料具有很好的热性能，包括可选择的相变温度、较高相变热、较大的潜热以及较好的热稳定性等。因此，相变材料可直接应用于建筑室内储能取暖和降温，不仅可以节约能源，保持室内舒适温度，同时还减少二氧化碳等废气的排出，有利于居住者的身心健康。根据人的生理条件，人体皮肤的正常温度为36～37 ℃，要保持人体正常的新陈代谢，室内的适宜温度为22～26 ℃，为确保室内舒适温度，可以选择一种或多种相变材料作为储能材料，其相变温度为22～26 ℃。当白天室内的温度高于26 ℃时，相变材料发生熔化并吸收热量，降低室内温度，当夜间室内温度低于26 ℃时，相变材料发生凝固并释出热量，保持室内温度在舒适的范围内。在实际应用中，可以通过多种相变材料的复合和添加金属氧化物等调整相变温度和提高传热系数。可按居住人数进行计算估算相变材料用量，在热带地区，夏季白天平均气温为34 ℃，每人需用的相变材料为38.4 kg，材料费约384元，初步估算6.1年可以回收材料成本。因此，相变材料用于室内控温，具有较好的经济和环境效益。

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Thermal properties of phase change materials (PCM) and their concise calculations for passive storage applications in buildings

CUI Yanqi

(College of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, Guangdong, China)

A phase-change material (PCM) is a substance that melts and solidifies at a certain temperature range with little change of temperature, whilst releasing/absorbing a certain amount of heat called latent heat. Because of some unique properties, PCMs have become a research focus in recent years. This paper provides a brief review on some important thermal properties and behavior of PCM including latent heat, phase transition temperature and heat transfer coefficient associated with the use of PCMs. A basic model of PCM is then introduced for assessing the use of PCM in buildings. Energy saving due to the use of PCM in indoor applications is then analyzed and a concise method for the calculation of the amount of PCM for interior temperature control is presented.

phase change material; latent heat; phase-transition temperature; building energy efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0002

TK 02；TU 599

A

2095-4239（2017）02-302-05

2017-01-04；修改稿日期：2017-01-17。2016-11-16。

崔艳琦（1979—），女，副教授，研究方向为绿色建筑节能技术，E-mail：1328313514@qq.com。