相变储能材料在建筑节能中的应用

蒲玉蓉 李欢 唐小漫 王鲜

摘 要：随着人们生活水平的大大提高，工作和生活环境的舒适度也越来越高，能源消耗量大幅度增加，导致能源消耗过多，环境污染严重。其中，建筑能耗比例进一步提高，相变材料的应用是降低建筑能耗的一项重要技术。本文简述相变材料的应用和应用机制。

关键词：相变材料;储能;建筑节能

在当今社会，能源危机和环境问题已成为世界性的问题，节能环保已成为我们生活中的共同用语。据统计，建筑能耗几乎占全国总能耗的三分之一，所以发展绿色建筑已是大势所趋，如何降低建筑业的能耗也逐渐引起社会的广泛关注。而相变储能技术对于提高建筑的能源利用效率以及环境保护有重要意义。

一、相变材料的简要介绍

（一）起始及发展

1982年，在美国能源部太阳能项目的支持下，相变建筑材料开始用于建筑材料工业。在20世纪90年代，相变储能技术用于建筑材料，如石膏板、墙板和混凝土构件开始发展。之后，相变材料在混凝土砌块和石膏墙板等建筑材料的研究和应用中得到了广泛的应用。1999年，俄亥俄州戴顿大学研究所开发了一种新型建筑材料——固液共晶相变材料，浇筑了这种相变材料的轻型混凝土预制板或墙板可以适当地维持室内温度。 此外，为了在冬季和夏季保持合适的工作温度，欧美许多公司使用 PCM 生产和销售户外通信布线设备和电力变压器设备棚。同时，由于冬季非常寒冷，夜间沥青路面或含有 PCM 的水泥路面可以防止道路、桥梁、跑道等结冰。

与发达国家相比，我国对储热材料的研究起步较晚，相变材料的理论和应用还很薄弱。尽管相变材料有很多，但是适用于建筑的却不多，对此，研究复合相变材料是很有必要的。所以， 自20世纪90年代中期以来，国内的研究重点发生了变化，复合材料和有机相变材料的研究和开发有所增加。

（二）相变材料的分类

相变材料的分类：相变材料从不同的角度有不同的分类。根据相变形式，相变储能材料可分为四种类型：固—固相变，固—液相变、固—汽相变与液—汽相变。其中，以固—液相变材料最为常见，且就目前来说，更有实用价值。按照相变的温度范围，相变材料可分为三种类型：低温储能材料（100℃以下）、中温储能材料（100—250℃）和高温储能材料（250℃以上）。低温相变材料主要采用无机水合盐类、石蜡及脂肪酸等有机物，此外，冰也比较常用。高温相变材料主要采用高温融化盐类、混合盐类和金属及合金等。根据相变材料的性质和组成，相变材料可分为共晶混合物、无机材料和有机材料。

（三）相变材料的应用机理

当相变材料从液态向固态转变时，要经历物理状态的变化。材料在这两种相变过程中从环境中从环境中吸热，反之，向环境放热。当物理状态改变时，可以储存或释放的能量称为相变热。相变时，材料自身的温度在物理状态发生变化完成前几乎维持不变，温度范围很窄。大量的相变热转移到环境中，形成了一个非常宽的温度网络。 温度平台的出现意味着保温时间的延迟，在此期间，感热和绝缘体以及相变材料可以用来储存或释放感热。

二、相变材料在建筑节能中的应用形式

（一）太阳能相变蓄热应用

太阳能是一种清洁的可再生能源，但是它并不稳定。直接累积，与收集器的吸热或组合相结合，可以大大提高能量效率。例如，相变材料在白天吸收太阳能储存热量，晚上释放热量，使室内温度提高，大大降低冬季室内热负荷的能耗。

（二）相变储能围护结构

在相变材料中加入常规建筑材料，可以大大减小相变热包络的波动。房屋结构，包括相变墙和地板。

（1）相变墙体

由于相变材料的蓄热能力，在夏季室外温度较高时会发生相变。部分太阳能储存在相变材料中，相变材料不引入室内，降低了墙体温度。即使在没有太阳辐射的情况下，只要其温度超过相变温度，热量就会通过外壳传输到腔室，从而降低了相变蓄热材料的外部优势。当夜间室外温度下降时，相变材料变热。例如，在与夜间通风组合，空调负荷可大大减小。结合夜间通风相变蓄热系统的顶墙和相变，相变材料可在夏季夜间通风，然后在寒冷的白天释放，达到室内降温的效果，从而夜间室内的热负荷大大降低。相变材料还可以用来在室内储存热量，在夜间加热和释放外壳，然后在夜间加热。

（2）相变地板

将相变材料添加到地板上，形成相变..在夜间，低成本能量加热白天相变材料，热储藏室的相变。例如，在峰谷电价地区，夜间低成本运行可以节省电费。同时，与混凝土板相比，相变储能大于地面，热稳定性较好。

前两个应用程序是被动累加器，其中累加器应用程序是主动的。

三、工程中的应用实例及发展前景

（一）应用实例

柏林热带植物温室通风系统采用双塔，保持室内温度恒定。通风装置采用相变储能模块。其熔点为25℃，温室顶部通风塔入口处白天气温30℃，夜间气温22℃。白天相变蓄热模块吸收，这种调节在夜间释放热量，基本上牵伸塔出口温度保持在26-27°C，室内温度保持不变。

在国内，相变材料也已应用于武汉市宜都花园、南湾君阁、紫竹花园等节能建筑示范区。

混凝土在水化过程中，释放出大量的反应热，导致混凝土温度升高、开裂、强度降低，特别是大体积混凝土，特别是大体积混凝土甚至会引起严重的工程事故，如结构破坏。然而，通过添加适当的相变材料可以显著提高混凝土的温度。当相变材料吸收混凝土水化释放的热量时，混凝土在一定的内部温度范围内是稳定的，热量逐渐转移到外部以阻止反应。混凝土的内部温度不会太高，减少水化混凝土的表面裂缝可以更好地控制反应温度。也有利于保温，增加房屋有效面积。

（二）发展前景

目前，相变储能材料的发展已逐渐进入实践阶段。由于相变温度稳定性，高潜热具有良好的可逆性，许多区域开始添加所述相变材料以改变通常使用的构建材料的特性，生产的新混凝土，油漆，板材等等。提高壳体的隔热能力，减少与外界环境的热流，提高能源利用效率。此外，在军队中，美国海军生产具有良好隔热或降温效果的干式潜水服、空军冷浸服、防红外线服、士兵保温靴。目前，它已经在我们的新飞行服和通风服上进行了测试，且比俄罗斯同类的产品具有更好的隔热性能和温度调节性能。由此可见，相变材料除了被应用于建筑行业，还可在其他行业有所应用，具有广泛的应用前景。

四、结语

随着社会的发展，人们的生活水平越来越高，对室内环境舒适性的追求越来越受到人们的重视。同时，建筑在总能耗中的比重也在不断提高。为了提高建筑的室内舒适性和节能性，相变材料的出现提供了一条新的可靠途径——通过相变材料吸收或放出大量热量以达到储能的目的。它通常用于缓解能源供需在时间、强度和地点上的不匹配。随着这项技术的发展，它已广泛应用于太阳能“脱峰”用电、燃气回收和余热利用、工业与民用建筑、节能空調等领域，成为世界各国的热门话题。因此，进一步研究和应用相变储能技术对我国能源消费具有重要意义。

参考文献：

[1]李松波，常中权，李中培，相变储热技术在建筑节能中的应用，住宅与房地产，2019年31期.

[2]王磊，熊军，相变储能材料在建筑节能中的应用研究，建材世界，2010年03期.

[3]孔凡鑫，相变储能材料应用于供热管道保温的可行性综述，能源与环境，2019年02期.

[4]谢芳，相变建筑材料在建筑节能中的应用研究，2010年.

作者简介：

蒲玉蓉（1999—），女，汉族，四川南充，本科，研究方向：建筑环境与能源应用。

李欢（1997—），女，汉族，四川眉山，本科，研究方向：给排水科学与工程。

唐小漫（1998—），女，汉族，四川南充，本科，研究方向：法学。

王鲜（1998—），女，汉族，四川内江，本科，研究方向：法学。