相变储能技术在建筑领域的应用分析

原芷若 苏增强 张明旭 邓岳坤 战乃岩

(1.吉林建筑大学应急科学与工程学院，吉林 长春130018；2.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春130018）

0 引言

如今，热能储存系统对于减少对化石燃料的依赖并促进更有效的环境友好能源的使用是必不可少的。随着建筑热舒适需求的日益增加，建筑能耗也相应增加。例如，在法国，建筑的能源消耗在过去的30年里增长了30%。住房和三级建筑消耗的能源约占总能源的46%，二氧化碳排放约占总排放量的19%。蓄热可以通过显热蓄热或潜热蓄热来实现。显热储存已经被建筑商使用了几个世纪来储存/释放被动热能，但是与潜热储存相比，需要更大体积的材料来储存同等数量的能量。相变材料的使用原理简单。随着温度的升高，材料从固体变为液体。反应是吸热的，相变材料吸收热量。同样，当温度降低时，材料由液态变为固态。反应是放热的，相变材料释放热量。

储能对于增强各种能源系统的适用性、性能和可靠性至关重要，因为可以通过使用适当的热能存储方法消除能源供需之间的差异。在各种储能方法中，潜热储存是一种有效的储热方式，较于显热，它具有放热温差小，储能密度大等优点。在已研究的相变材料中，石蜡因其潜热大和适当的热特性而被广泛用于潜热储存。由于石蜡的特性，低的热导率[0.21～0.24W/（m·k）]是其主要缺点，降低了熔融和结晶过程中储存和释放的热量，从而限制了它们的使用范围。为了克服石蜡作为相变材料的低热导率问题，已经有学者进行了开发潜热储存的研究。近年来，多孔石墨基体被用于改善石蜡的导热性。Py等人[1]以石蜡/压缩膨胀天然石墨为高功率蓄热材料制备了复合材料，并确定了复合材料的导热系数与石墨的容重之间的关系。Mills等人[2]采用多孔石墨基体，研究了石蜡的热导率增强作用并建立了与该系统紧密结合的被动热管理系统的性能。

相变储能技术就是基于物质相变潜热的原理，来实现热量储存，目前已经应用于电热蓄能方面来实现电力的削峰填谷，以及工业余热回收等方面。近年来，人们的节能环保意识越来越强，世界能源危机也得到了更多国家的重视。目前将相变储能技术引入建筑领域，基于相变潜热能量转化机理来实现建筑节能已经受到了国内外重视。建筑行业一直是重要的能源消费领域，占全球能源消费总量的30%。在一些发达国家，如美国和英国，这一比例已经超过了40%[3]。由于建筑的耗能和投入都是巨大的，因此，对建筑围护结构的稍微改善能够起到明显的经济效益。

轻质建筑的主要缺点是热质量低。显然，由于外部冷却、太阳热或加热负荷，它们往往会出现较大的温度波动。在这种建筑墙体中使用相变材料可以减少温度波动，特别是在太阳辐射负荷的情况下。在被动设计的建筑中，这是一种潜在的降低能耗的方法。这一趋势已被过去20年的大量文献证实。选择相变材料时，平均室温应接近材料的熔化/冻结范围。此外，白天温度和太阳辐射的波动应该允许物质的相变。影响相变材料选择的因素有:天气、建筑结构和热物理性质。

1 集中供热

据统计，我国北方城市供热面积较大，大概占总体住房面积的40%以上。随着我国城市化步伐的加快，经济水平的快速增长，城市集中供热面积也越来越大，使不可再生资源加速消耗，大气污染愈发严重，给环境治理带来了巨大压力。

图1描述了北京、黑龙江、山东、青海从2015年到2019年城市集中供热面积变化趋势。如图1所示，近5年，四省城市集中供热面积都处于上升趋势，其中以山东省城市供热面积最大，青海省由于城市经济发展缓慢，城市供热面积处于较低水平，未来随着城市化水平提高，集中供热面积会越来越大，同时也会伴随能源消耗越来越大，投入成本越来越高。由于建筑能耗很大一部分来源于采暖能耗，如果能将多余的热量通过相变储能技术储存起来，不仅可以减少锅炉房煤炭的使用，而且也降低了设备的使用、维护、以及人工费用，更加经济。因此，相变储能技术的应用可以减少城市集中供热耗能，减轻环境压力，提高经济效益。

图1 各省供热面积变化图

2 相变材料在建筑围护结构的应用

相变材料是在使用温度下会经历相变的物质。利用相变潜热，它们可以在几乎恒定的温度下存储和释放大量能量。因此，建筑物中的相变材料可以是用于增加储热能力或获得对温度波动的稳定效果[4]，减少冷热负荷峰值，提高热舒适性[5]。

2.1 墙体

导热、空气热对流和热 辐射三种形式是建筑热传导的主要形式。 使用轻质建筑材料比如石膏板或矿物纤维绝缘材料，对轻质建筑构建具有重要意义。在满足建筑规范的前提下，将相变材料加入石膏板中制成相变墙体，白天温度较高，工质通过相变吸收多余潜热并储存，在夜晚温度较低时，通过相变放热，向房间供热完成循环。将相变材料与绝缘材料混合在一起，提高建筑墙体的节能效果。把相变材料和保温材料结合在一起，提高墙体的保温性能和蓄热性。

2.2 屋顶

传统材料主要以混凝土为主，对于屋顶而言，由于处于建筑顶端，所以受到的太阳辐射较多，且屋顶处风速较大，空气扰动强烈，对流换热系数大，热量损失有将近70%，因此，对屋顶材料的改善可以对建筑节能起到明显的作用，将相变材料注入夹层玻璃中，由于夹层空间较小，空气在夹层玻璃中几乎不流动，传热方式只有导热，而空气的导热系数较低，从而起到良好的保温作用，并且造价低廉，而且美观。但是液体相变材料要考虑其封装性，避免外界以及人为原因使其发生泄漏等问题。此外，相变中产生的空穴也会造成太阳辐射遮光性能不均。

2.3 地板

目前，冬季取暖采用低温辐射地板也比较普遍，它的主要原理是通过太阳能与集中供暖、电能加热循环水来实现地板的加热，地板再以导热和辐射的方式向人体和空气散热，是人的舒适感大大提高。将相变材料与地板相结合可以延迟水温降低的速率，并且使其蓄热能力大大提升。对此还需要进一步研究地板盘管的间距，以及水温等参数对其蓄热能力的影响。

3 结语

相变材料在建筑领域的应用前景是比较广阔的，可有效地提升建筑能量利用率，减少城市集中供热能耗，以及大气环境的污染。在建筑墙体的应用中，由于所示材料是轻质材料，必须要考虑满足建筑标准才能使用。采用夹层玻璃注入相变材料可以大大提升能量利用率并且美观，但是还需考虑工质泄漏以及遮光性不均等问题。地板辐射采暖与相变材料的结合可以延迟水温降低速率且提高蓄热性能，还需要进一步研究盘管间距以及水温等参数对其蓄热能力的影响，从而制定相应的规范。

为了使相变材料在建筑领域普及，不仅要考虑节能问题，还需要加强经济性、耐久性、运营维护能方面的综合考量。