相变蓄热在建筑节能领域的应用

王 拓

（中铁第五勘察设计院集团有限公司建筑设计研究院设备所，北京 102600）

1 前言

近年来，随着我国居民生活水平的提高，对居住、办公环境的舒适度要求也逐步提高，使得建筑能耗增长较快，约占社会能耗总量的30-40%[1]。然而，能耗的提高又与当前能源危机产生了巨大冲突。因此，在降低能耗、提高能源利用率的同时满足人们对生活环境舒适性的要求，已成为当前建筑节能领域的研究重点[2]。

自20世纪70年代末爆发能源危机以来，相变材料开始进入大众视野，并被广泛研究、应用于各种场合。研究表明，相变材料依靠潜热，在蓄放热过程中温度可保持在一稳定范围[3-4]；并且，在储存相同热量条件下，所需蓄热材料体积远远小于显热蓄热材料；此外，相变材料通常具有较大热阻，而且具有无毒无害、成分稳定、易于制备等特点。综上所述，相变材料在建筑节能及提高舒适性的领域仍具有很大研究空间与价值。本文拟从相变材料的分类、使用、存在问题与解决方案等入手，分析阐述这种材料在建筑节能领域的应用。

2 相变材料的分类

相变材料也称潜热蓄热材料，顾名思义，此材料可利用相变潜热，通过一种物态转变为另一种物态，在一定的温度区间内，储存或释放热量[5]。相较于显热蓄热，相同质量的相变材料蓄放热可提高5-10倍，并且所需材料体积也远小于显热蓄热材料[6]。

依据物态变化，相变材料可分为三大类：气—液相变、液—固相变、固—固相变。其中，气—液相变材料的相变潜热最大，但由于相变过程中体积变化很大，很难在节能、蓄热方面发挥作用，故较多地应用于制冷、传热领域。液—固相变材料的蓄热量虽不及上述气—液相变材料，但其在相变过程中体积变化很小（小于10%）[6]；更为重要的是，液—固相变材料在反复的蓄放热过程中，物理化学性质稳定[7,8]，因此成为目前较为主流的相变蓄热材料。

与前两种材料有所不同，固—固相变材料则是利用潜热蓄放热，其宏观物态并没有发生改变，但在微观上，它却由一种晶体转变为另一种晶体。相对于液—固相变材料，其相变潜热量更小，并且相变温度高[9]。由于导热能力较低，故固—固相变材料难以在熔化过程中通过自身对流提高其导热、蓄热能力[10]。尽管如此，这种材料因蓄放热时体积变化小、无相分离，物理化学性质更为稳定，无腐蚀、泄露等安全隐患[11]，因此在建筑节能领域仍有较大的研究潜力。

3 相变材料的应用

3.1 蓄热元件及蓄热的强化

由于固—液相变材料吸热后熔化为液体，因此需封装以制成蓄热元件后方可使用。当前主流的封装容器为图1所示的球形胶囊、管壳式换（蓄）热器、柱形、箱型容器等[12]。

图1 相变蓄热元件的不同形式[12]

Archibold等人[13]对内充硝酸钠的球形胶囊进行热学分析，并利用努谢尔数对硝酸钠的熔化过程进行分析。结果发现：在熔化初期，石蜡的传热由导热主导；随着液相的增多，液态硝酸钠会在胶囊上部形成环流，对流换热趋于主导，胶囊上部熔化速率大于下部，等温线成心形。Sattari等人[14]使用不同尺寸的球型胶囊封装正十八烷石蜡，并加热至不同温度。通过对比不同尺寸胶囊的熔化情况，发现胶囊尺寸增大，石蜡的比表面积减小，熔化速率降低。其中，直径为101.66mm的胶囊内石蜡熔化时间相较于直径80 mm胶囊的延长了80%；提高加热温度同样可提高熔化效率，当胶囊表面温度为45℃时，熔化时间仅为35℃时的一半。

Seddegh等人[15,16]将石蜡封装于外径0.128m、内径0.035m的管壳式换热器内，以水作为热媒，研究其热交换状况。对于蓄热过程，换热器水平放置与垂直放置对蓄热总时长影响不大，但在蓄热初期，水平放置换热器内部的石蜡熔化速度更快，全部熔化后其内部温度也更高，因此作为放热热源品质更高。与蓄热过程不同的是，放热时对流较弱，导热较强，因此过程持续时间更长。对于此种尺寸的换热器，其内部的液态石蜡完全凝固需11h。对于放热过程，水平与垂直放置的换热器内相变材料温度与液相组分变化趋势几乎重合，故提升热媒温度是增大其需热量的最有效方法。

龙伟月等人[17]利用月桂酸作为相变蓄热材料，分析对比了外、内径比(N)分别为1.5、1.8、2.0、2.2、2.5五种尺寸管壳式换热器的蓄热情况。发现蓄热元件的平均蓄热速率随N值的减小而增大，当N≤2.0，蓄热速率增加幅度大。这是由于N值越小，相变材料的比表面积越大，传热由导热向对流的转变越早。当边界温度为85℃时，N=1.5元件的蓄热速率相较于N=2.5提升了15%。程友良等人[18]将管壳式换热器中热媒管道替换为波节管，在增大换热面积的同时，由于提高了热媒的扰动，使蓄热效率最大提升了39%。而且还发现热媒与相变材料的导热系数均存在最佳值，热媒的导热系数提高使得放热效率先增后减，而当相变材料的导热系数大于热媒时，元件的放热效率会急剧下降，致使放热效果变差。此外，相变材料的熔点在略高于临界温度时放热效果最佳。陈华等人[19]提出了一种制冷剂管路与水管路以交错螺旋的方式排列而成的管壳式换热器（图2），他们以石蜡作为蓄热组分，发现：受熔化时石蜡内部温度分层明显，且以上部温度较高。因此，应当将盘管置于蓄热装置底部，以达到最佳的热效果。

图2 相变蓄热装置示意图[19]

Bouadila等[20-22]使用一种相变球形胶囊填充床集放热装置（图3）对入射进温室内的太阳能进行直接收集，并在夜间通过空气循环强制对流释放热量加热温室。实验结果表明，该系统夜间回用热量达到供暖总要求的30%，并且当室外气温降至8℃时，加热系统可使室内气温保持在15℃。Arfaoui等[23]改进了上述装置，将原有的单层填充床改为双层，结果表明：该装置蓄热量提高了47%，夜间有效放热量可达0.3 kW，出口空气温度可保持在27℃。说明该装置可直接吸收太阳辐射从而降低温室内峰值温度，无需安装额外集热装置，具有结构简单，易于安装，集热高效等优点。Elfeky等人[24]将填充床中蓄热材料由同一种改为三种不同熔点的相变材料，其排列方式为蓄热工况下顺热媒流动方向熔点依次降低。热媒与蓄热胶囊换热过程中温度会逐渐减低，但通过此种排列方式，热媒也可与填充床中后段熔点较低的相变材料继续换热，从而提高了热媒的利用率，故使得装置的蓄热效率大幅提高。Li等人[25]研发了一种相变材料耦合太阳能集热管的蓄热装置，此装置日间利用太阳能将热量蓄积在装有相变材料的外部套管中，夜间再通过内部套管中的热媒释放热量。测量结果表明：日间相变材料最高温度可达171℃。当日间辐射照度大于15.23MJ/m2时，此装置蓄热可达34.3%。

图3 相变球形胶囊填充床集放热装置示意图[20]

对于球形胶囊，除前文提及的缩小尺寸增大相变材料的比表面积外，还可在相变材料内引入添加剂以提高其导热能力。闫全英等人[26]将纳米铜、镍、钨、石墨以及硅粉以5%、15%、30%、50%的比例分别与硬脂酸、石蜡、石蜡硬脂酸混合，制备出多种复合蓄热材料。结果表明，上述添加剂对不同相变材料的导热能力均有提升，其中石墨使相变材料的导热能力最高提升3倍以上，并且它与相变材料还具有好的相容性，且价格低廉，为以上几种添加剂中的最优选择。但应注意的是，石墨的添加量并非越高越好，当其含量过高时，相变材料受热时温升速率难以控制而提升过快，大量相变材料到达熔点进入液相区，致使过热现象发生，降低了导热率。研究表明：30%为石墨的较优添加浓度。

对于管壳式换热器，添加肋片不失为一种行之有效的强化传热方法。Mahdi等人[27]在内、外径分别为50mm、150mm的管壳式换热器（水平放置）中添加肋片，且肋片添加在内管相变材料侧，其长度分别为12.7mm、25.3mm、38mm。研究分析发现：换热器上部石蜡在熔化过程中对流占主导，肋片添加过多、过长会阻碍液相的流动影响换热；而下部的导热更为强烈，因此需要较长、较多的肋片以增强换热。换热器上半部分添加2组肋片（长度为25.3mm，与垂直方向夹角为45°），下半部分添加4组肋片（长度为38mm，与垂直方向夹角分别为30°、60°）的结构形式（图4）对蓄热的强化效果最佳，其内部石蜡完全熔化仅需60min，相较于无肋片换热器，蓄热周期缩短了54%。

图4 新型肋片形式示意图 (L1=L2=L5=25.3 mm，L3=38 mm，W=1 mm)[27]

除肋片外，泡沫金属同样为强化传热的有效途径。如在孔隙率为94.76%的泡沫铝中充注水，其等效导热系数为水的8倍[28]。不仅如此，高孔隙率的泡沫金属在提高材料导热能力的同时，对材料密度、比热等性质影响很小，因此十分适合与相变材料结合，在保证巨大潜热的情况下提升其传热能力。Wang等人[29]将石蜡充注于不同孔隙率的铜、铝、镍等多种规格的泡沫金属中，发现：复合材料的导热系数随泡沫金属的孔隙率降低以及导热系数的增大而增大。与传统相变材料熔化过程不同的是，泡沫金属虽阻碍了液相的流动，但由于导热能力较强的“立体金属网”遍布容器的各个角落，因此泡沫金属复合相变材料的熔化可视为纯导热过程。Esapour等人[30]将孔隙率为70%与90%的泡沫铜分别置于管壳式换热器内，结果发现：与纯相变材料相比，添加泡沫铜的相变材料熔化周期由27min分别缩短至12min、14min。Mahdi等人[31]对此种强化传热方式进行了优化，在管壳式换热器内设置多级泡沫铜，由内壁（热媒管管壁）至外壁孔隙率分别为92%、94%、95%、96%、98%，以增强靠近热媒处相变材料的导热能力，避免过热现象的发生，从而提高了相变材料的潜热利用率。与单级泡沫铜工况对比可知，其熔化周期缩短了10min，放热周期延长了6min，并且相变材料的温度分布更为均匀。Liu等人[32]将石蜡封装于尺寸为160mm×80mm×600mm的箱体内，其中设有孔隙率为93%的泡沫铜，热媒管使用直径为20mm的U型管，以此为一个蓄热单元，实验台将6个单元并联设置，如图5所示。蓄热时在U型管内通入85℃的热水，放热则利用蓄热单元间空气的自然对流。实验结果表明：该装置的蓄热量与蓄热效率可达1907.1kJ以及198.7W，在环境温度为23℃时可持续放热41.5h。由此可知，泡沫金属在相变材料比表面积较小的工况下，依旧具有良好的强化传热能力。

图5 泡沫金属-相变蓄热装置原理图[32]

3.2 被动相变蓄热在建筑中的应用

围护结构的热工性能是影响建筑节能的重要因素，将相变材料作为建材组分以降低空调、采暖能耗已成为当前的研究热点[33]。Dabiri[34]将RT35（相变区间32-35℃）封装于空心砖夹层中，以德黑兰一月末与七月末室外气象参数作为边界条件，分析相变墙体在冬夏极端天气下的热工性能。发现夏季气温较高，相变材料熔化充分，七成热量以潜热形式储存在墙体中，从而使得室内气温更加稳定，波动幅度相对于普通墙体缩小了48%；冬天虽仅有三成热量以潜热蓄积于墙体，但由于相变材料具有较大的热容与热阻，室内温度波幅依旧减小了42%。不仅如此，此墙体使得室内气温在冬夏分别保持在19-26℃以及23-32℃，均处于舒适区或略高于舒适区，从而降低了空调和采暖的能耗。Souayfane等人[35]使用玻璃砖砌筑墙体，并在其内部充注相变材料（共晶脂肪酸）。结果表明，在冬日连续晴好天气，实验房间内气温始终保持在18.4℃，并且由于使用的玻璃砖与相变材料都具有一定的透明度，日间无需使用照明设备。但此种墙体在夏日温度较高、太阳辐射较强的气象条件下易出现过热现象，对室内气温的调节能力远不及冬日，需使用遮光百叶以削弱日光辐射。Mankibi等人[36]通过数值方法分析相变材料层在墙体中位置对室内热环境的影响，结果表明相变材料设置在墙体中靠近室内一侧对室内环境的改善能力较强；相变墙体设置于南墙上对室内环境的改善效果优于东西墙。此外，该研究还确定了墙体内充注相变材料的最佳相变温度为22±0.1℃。

3.3 主动相变蓄热在建筑中的应用

由于相变材料热阻较大，仅采用被动传热方式难以获得最有效的利用，因此许多研究采用主动的方式增强其蓄放热能力。Diarce等人[37,38]提出一种主动通风相变墙体，该墙体由外至内依次为相变材料层、风道层、聚苯乙烯保温层、承重砖层（图6）。在风机作用下，相变材料受太阳辐射蓄积的热量在夜间通过强制对流释放至室内，以此保持夜间室内温度。结果发现，该墙体使得室内气温提高1.1℃，在晴好天气可提高至2℃。Kong等人[39,40]将石蜡与膨胀珍珠岩以6:4的质量比混合后制成板状置于房间内墙表面，通过毛细管与太阳能集热器耦合，形成太阳能相变墙体蓄热系统。日间利用水循环将集热器收集的热量注入墙体内部，夜间再通过墙体与室内自然对流换热释放热量，以达到提升室内气温改善热环境的目的。对比发现，此系统使得室内气温平均提升5℃，降低采暖能耗44%。Evola等人[41]为降低办公楼等大型建筑的夏季能耗，将房间内墙替换为微胶囊相变材料砌筑的墙体，并在墙体靠近走廊一侧设置空腔，以便在夜间引入清凉室外空气以强制对流的方式排除相变墙体内蓄积的热量。研究发现，受强制对流影响，空腔侧当量传热系数远远大于房间侧，夜间室内热量始终由室内流向相变墙体及空腔，因此该系统使得夜间室内气温平均降低0.7℃。

图6 主动式相变蓄热墙示意图[38]

4 结束语

在当前时代背景下，兼顾舒适性与节能需求已成为建筑领域的主流研究方向，相变材料因自身具有强大的蓄热能力以及恒温蓄放热的特点可在此领域大显身手，通过对其传热能力以及在建筑结构引入形式等方面的优化，均可起到稳定室内热环境、提升使用者舒适度的作用。不仅如此，由于相变材料还可通过太阳能蓄热，在改善室内热环境的同时，一定程度上降低了空调及供暖的能耗，顺应了当前我国绿色发展的方向，为碳达峰、碳中和目标的实现发挥了应有的贡献。