相变蓄热材料在建筑采暖中的应用

许蒙蒙

(山东华宇工学院，山东 德州 253000)

相变蓄热材料有助于提高能源利用率，维持建筑物的热舒适性，减少环境污染，因此在建筑采暖中得到了广泛应用。介绍了相变蓄热材料的化学成分与类型，比较了各自的优缺点，分析了其在建筑采暖中的应用，包括在节能和蓄热方面的重要作用，分析了其供暖原理及方法，即利用光学性能提高蓄热性能，在地板中加入相变蓄热材料，以提升采暖效果。

1 相变蓄热材料

相变蓄热材料是热能存储系统中用于热能管理的先进材料，已用于多种蓄热设计中，可解决供热和需求之间的不匹配问题，可用于建筑领域中的蓄热管理、相变过程中，能够储存和释放相当数量的潜热，是普通建筑材料储存热量总容量的14倍，此特性可控制进入和离开建筑的热量，对改善建筑能源利用效果有积极作用。通常，相变蓄热材料根据化学成分可分为有机、无机和共晶，如图1所示。其中，有机相变蓄热材料是广泛可用的材料，分为链烷烃和非链烷烃(如脂肪酸、乙醇)，主要用于建筑。链烷烃具有很大的温度范围，性能优异，优势显著。而非链烷烃的成本较高。无机相变蓄热材料主要是盐水合物、金属，密度和能效高于有机物。共晶含有两种或多种低熔点有机物组分或组合制备而成，每种组分结晶时都会经历一致的熔化和冻结，以产生组分的晶体混合物。与其他类型的相变材料相比，共晶材料的优势是熔点可以通过组合不同重量百分比的组分来调节。表1总结了不同相变蓄热材料类型的优缺点，每种都具有特定的热物理性质，如熔化温度、熔化热、密度和导热率，可用于特定的建筑，其适用性在很大程度上取决于并入目的(加热/冷却)、采用的被动或主动并入技术及建筑位置。

图1 相变蓄热材料的化学分类Fig.1 Chemical classification of phase change heat storage materials

表1 不同相变蓄热材料类型的优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of different phase change heat storage materials

2 相变蓄热材料在建筑采暖中的研究现状

作为一种有前途的功能材料，相变蓄热材料凭借其高能量密度和在能量充放电过程中的轻微温度变化，可用于热能存储系统、采暖技术中。例如，使用石膏板、灰泥和混凝土等相变蓄热材料，可保证室内温度在舒适区内解决能耗问题。其主要应用于储能采暖系统，或直接与建筑结构内的围护结构元件相结合。图2是相变蓄热材料在建筑采暖中的应用。

图2 相变蓄热材料在建筑采暖中的应用Fig.2 Application of phase change heating materials in architecture heating

近年来，人们对相变蓄热材料掺入建筑材料时的蓄热性能进行了深入研究。Kong等[1]制造了一种新型形状稳定的相变蓄热材料墙板，通过数值和实验方法研究了墙板的蓄热性能。目前，相变蓄热材料的应用得到了迅速发展，其中商业相变蓄热材料温度覆盖-30℃～850℃，包括宏观封装、微观封装、直接混合、浸没和形状稳定等。很多人研究了相变蓄热材料浆料的性能，但仍存在传热、阻燃、过冷、相分离、稳定性、不均匀熔化、凝固和泄漏等问题。但作为潜热热能储存技术材料，相变蓄热材料具有显著优势，是储存和释放热能的有效材料之一。

3 相变蓄热材料在建筑中的供暖原理及方法

相变蓄热材料是“潜在”的储热材料，在熔化(储热)或固化(结晶恢复)时、在液体和固体之间发生等温相变。从固体到液体的相变过程中，通过吸热过程以潜热形式储存热能，该吸热过程溶解相变蓄热材料的化学键，并在冷却时放热，以恢复其固态。相变蓄热材料在无源系统中的应用原理是，当室温超过其熔化温度范围时，从固体转化为液体来吸收热量，以延迟室外到室内的热通量[2]。当室温低于凝固温度时，存储的热量用于调节室内空气温度波动。相变蓄热材料应用于有源系统时，可将建筑采暖/制冷负荷从高峰时段转移到非高峰时段[3]，热能存储系统以热形式存储能量，以供后续使用。热能存储系统主要包括3个步骤，即热充电、热存储和热放电。相变蓄热材料可通过3种方式储存热量，包括显热、潜热和化学反应。显热储热中，热量可在材料温度升高时存储。介质比热、温度变化和材料量是决定显热储热容量的主要因素，如式(1)所示：

(1)

相反，潜热存储中，当材料的相从一种状态变为另一种状态(如固态变为液态)时，热能被保留(或释放)。储存能量的量可通过以下方式确定：

(2)

Q=m[Csp(Tm-Ti)+amΔhm+CLP(Tf-Tm)]

(3)

用于建筑采暖的相变蓄热材料在受控条件下，通过温度变化吸收或释放热能，具有小温度间隔的单一存储容量和通常可忽略的体积变化，可用于建筑物的供热管理。例如，集成到建筑物中的相变蓄热材料可减少10%～87%的能量消耗，用于冷却。因此，其已被公认为是提高建筑能源效率的最先进的材料之一，尤其是用于采暖和制冷。与常规建筑材料(如混凝土)不同，相变蓄热材料可以在显热和潜热中存储热能。例如，与相变蓄热材料结合的25 mm厚的墙能够保留与420 mm厚的混凝土墙相同的热能[4]。此外，在冬天，相变蓄热材料可充当绝缘体，从而减少热负荷。相变蓄热材料可在炎热的天气防止过热，并减少寒冷季节夜间的供暖需求。

4 相变蓄热材料在建筑采暖中的应用

4.1 利用相变蓄热材料的光学性能提高蓄热性能

相变蓄热材料具有良好的光学性能，可用作透明物质。Goia等[5]通过实验比较了带相变蓄热材料和不带相变蓄热材料的建筑窗户的性能，发现在采暖季节，建筑物的热量损失有所减少，而太阳能的热量增加却显著减少，说明相变蓄热材料窗户在冬季可能不适合隔热。Li等[6]分析了光学参数的影响，包括折射率和消光系数对双层玻璃窗性能的影响，发现相变蓄热材料折射率对系统性能的影响很弱，而消光系数对其的影响很强。应适当调整相变蓄热材料在玻璃窗中的位置，以提高蓄热性能。

4.2 在地板中加入相变蓄热材料

相变蓄热材料地板可显著提高采暖系统的性能。Plytaria等[7]对面积100 m2的相变蓄热材料地板的太阳能辅助热泵进行了研究。如图3所示，地板由砂浆、混凝土、管道、相变蓄热材料、隔热层和水泥组成。使用相变蓄热材料地板时，建筑的热负荷减少了近40%[2，7]，冬季室内温度可能会升高约0.8 K，某些时候则会升高约2 K。Devaux等[2]中对地板下的供暖系统进行了性能评估，在地板和加热器之间放置了熔化温度较高的相变蓄热材料墙板。结果表明，与不使用相变蓄热材料的供暖系统相比，供热系统的节能率和成本节约率分别提高了32%和42%。Kim等[3]对日本千叶县采用相变蓄热材料的地板进行了实验研究，建立了3个几乎相同的实验室，即传统墙板，地板上有4层相变蓄热材料板，地板、墙壁和天花板上有1层相变蓄热材料板。研究发现，与传统房间相比，第二和第三房间的热能使用分别减少了9.2%和18.4%。与传统地板相比，相变蓄热材料地板对室内温度波动贡献较小。

图3 相变蓄热地板构成图Fig.3 Composition of phase change heating storage floor

5 结语

随着城市化发展的加快，建筑能耗也在快速增长。人们对室内热舒适环境的要求越来越高，为降低建筑能耗，可使用相变蓄热材料(主动或被动)，通过减少温度波动、转移能耗，将温度保持在热舒适范围内。此外，在相变蓄热材料的基础流体中添加具有高导热性材料，可提高其导热性和节能密度，这些新型材料通过转移和减少峰值负荷来减少能源供应和需求之间的不兼容性，因此相变蓄热材料在建筑采暖中的应用具有广阔的发展前景。