基于相变储热技术的绿色建筑性能优化研究

摘要：随着环保理念的深入践行，绿色建筑面临着更高的节能减排需求。为对绿色建筑的节能性能进行优化，研究在绿色建筑的节能设计的基础上，将相变储热技术应用到绿色建筑的围护结构、供热系统和光伏发电系统中。并对相变储热技术在供热系统中的应用进行了实验分析。结果表明，相较于传统的直热式电锅炉，研究提出的相变储热技术在不同时期的耗电量均更低，最高耗电量为5164kW·h，耗电量减少了约一半。实验结果展示了相变储热技术的良好供热和节能性能。研究有利于促进相变储热技术在绿色建筑中的应用，提高绿色建筑的节能性能。

关键词：绿色建筑相变储热技术性能优化环保节能

中图分类号：TU201.5

ResearchonPerformanceOptimizationofGreenBuildingsBasedonPhaseChangeHeatStorageTechnology

LIXijie

MiyunCampusofCapitalUniversityofEconomicsandBusiness，ohSl0A7hGige1b0+Cd6Uzg==Beijing，101500China

Abstract：Withthedeepeningimplementationofenvironmentalprotectionconcepts，greenbuildingsarefacinghigherdemandsforenergysavingandemissionreduction.Tooptimizetheenergy-savingperformanceofgreenbuildings，thisresearchappliesPhaseChangeHeatStoragetechnologytotheenclosurestructure，heatingsystem，andphotovoltaicpowergenerationsystemofgreenbuildingsbasedontheenergy-savingdesignofgreenbuildings.AndexperimentalanalysisisconductedontheapplicationofPhaseChangeHeatStoragetechnologyinheatingsystems.Theresultsshowthatcomparedtotraditionaldirectheatingelectricboilers，PhaseChangeHeatStoragetechnologyproposedintheresearchhaslowerpowerconsumptionatdifferentperiods，withamaximumpowerconsumptionof5164kW·h，whichhasbeenreducedbyhalf.Theexperimentalresultsdemonstratetheexcellentheatingandenergy-savingperformanceofPhaseChangeHeatStoragetechnology.ResearchisbeneficialforpromotingtheapplicationofPhaseChangeHeatStoragetechnologyingreenbuildingsandimprovingtheenergy-savingperformanceofgreenbuildings.

KeyWords：Greenbuilding;PhaseChangeHeatStoragetechnology;Performanceoptimization;Environmentalprotectionandenergyconservation

随着化石燃料的过量消耗，环境污染以及能源短缺问题愈发严峻，绿色建筑也越来越受到重视。绿色建筑是指在全生命期内，考虑周围自然生态环境的客观发展规律，合理地利用可再生能源，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑。许多学者对绿色建筑进行了大量的研究。徐河等人针对传统建筑设计模式返工率高，缺乏信息处理等问题，基于BIM技术提出了一种绿色建筑节能设计方法，有助于促进BIM技术在绿色建筑领域中的应用[1]。胡涛[2]针对绿色建筑市场中成本效益错配问题阻碍了其发展的问题，基于演化博弈理论构建了绿色建筑溢价分配决策模型，以深入探究绿色溢价在利益主体间的分配策略。姚宜等人[3]为了能够有效控制绿色建筑增量成本，提出利用决策试验和评价实验法-解释结构模型来分析绿色建筑增量成本的关键因素和根本因素。综上所述，绿色建筑得到了广泛的研究。但目前部分建筑仍然存在着碳排放多以及能源消耗大等问题，绿色建筑的概念还未得到完全的普及和落实，加速了能源消耗和环境污染。研究在这一背景下，提出了基于相变储热技术的绿色建筑性能优化。以期减少建筑的耗能和污染，促进建筑行业的绿色可持续发展。

1基于相变储热技术的绿色建筑

1.1绿色建筑的节能设计

在“双碳”目标下，建筑面临着巨大的节能挑战。绿色建筑在提升建筑工程的质量的基础上，能够降低能源的消耗，促使建筑行业获得最大化的经济效益和生态效益。自大力推广绿色建筑以来，我国的绿色建筑发展迅速，在2021年累计建成的绿色建筑面积超过85亿m2，已形成全世界最大的绿色建筑市场。据统计，在2008年至2019年，中国的绿色建筑项目数从10个大幅度增长到5500个。在2018年至2021年，中国的累计绿色建筑面积从32亿万m2增长至85亿万m2，这期间每年的新增绿色建筑面积均在15亿万m2以上。

现行建筑设计标准分为工业建筑、民用建筑、建筑防火、建筑节能、通用标准、建筑环境以及建筑设备7大类[4]。节能设计是绿色建筑设计的重要组成部分，在绿色建筑评估中的重要性体现在有效地节约和利用能源。但节能绿色环保技术并未得到很好的推广，在建筑施工过程中没能得到合理的运用[5]。为此，研究提出在设计绿色建筑的过程中使用可再生绿色建筑材料以及可再生的清洁型能源。研究提出采用地源热泵和太阳能来取代传统的电取暖器和照明设施。

此外，为对绿色建筑的节能设计方案进行客观的综合评价，研究提出将节能设计方案分为围护结构、规划设计、单体设计、配电与照明系统、节能材料、设备配置以及可再生能源利用率7个部分。其中，研究通过围护结构的添加来有效减少绿色建筑的热损失，通过规划设计来清晰地反映建筑群体间的布局情况及相对位置，通过单体设计来反映节能构造措施。

1.2相变储热技术的应用

研究提出采用相变储热技术来进一步对绿色建筑的节能性能进行优化。相变储热技术是一种以相变储能材料为基础的高新储能技术，凭借储放过程温度变化稳定、可控性强以及储热密度高等优点，广泛应用于建筑供暖和电子器件温控等方面。但相变材料的热导系数普遍偏低，并不利于热量交换，因此常通过添加高导热系数的颗粒或设置金属翅片等方法提高相变材料的导热能力[6]。为此，研究提出将相变储热技术应用在绿色建筑的围护结构、供热系统和光伏发电系统中。

首先是围护结构。通过在建筑的地板、墙体和屋顶等位置嵌入相变材料，实现室内温度的自动调节。在低温环境，相变材料能够释放储存的热量，在高温环境又能够吸收多余热量。由此降低空调系统的负荷，显著提升建筑能效。实际应用中，可将相变材料与传统保温材料相结合形成复合围护结构，提高建筑综合能效。

其次是绿色建筑的供热系统。为合理地转移用电负荷、降低用电成本，研究提出的电热装置主要利用低谷电，并通过电热转换装置来完成对建筑的供热以及能量存储。具体而言，在峰电期，启动风机进行空气循环，利用储热材料对循环空气进行加热，然后热空气经过换热器加热水，规避白天高峰电价。在用电低谷时期，则启动风机和电热管，在翅片换热器中利用白天加热好的热空气来提高相变储热材料的温度，实现能量储存。这种方式能够显著降低供热系统的能耗，以在保障供暖的同时，减少对环境的污染。相变储热材料电热装置的原理如图1所示。

最后是相变储热技术在可再生能源中的应用。研究提出将绿色建筑中常见的太阳能发电装置与相变储热技术进行结合。具体而言，在光照充足的情况下，利用太阳能发电装置收集太阳能进行发电，实现对绿色建筑的供能，同时利用相变储热技术来吸收多余的电能，实现能量储存。在光照不足的情况下，相变储热材料就会释放之前储存的能量，代替太阳能发电装置来为建筑提供热能和电能。如此，不仅能解决太阳能发电装置易受天气和光照影响的问题，还能够提高绿色建筑对清洁能源的利用率。

2绿色建筑性能优化结果

为验证相变储热技术对于绿色建筑性能优化的效果，研究以耗电量为依据对相变储热技术在某总面积为5000m2的住宅楼供热系统中的运行效果进行分析。将供暖温度设定为23℃，并与传统的直热式电锅炉进行对比。两种方法的耗电量对比结果如图2所示。从图2中可以看出，相较于传统的直热式电锅炉，研究提出的相变储热技术在不同时期的耗电量均更低。传统的直热式电锅炉耗电量最高达到了9253kW·h，相变储热技术电热装置的最高耗电量为5164kW·h，比直热式电锅炉低了4089kW·h。此外，相较于传统的直热式电锅炉，相变储热技术电热装置的耗电量波动较小。结果表明，基于相变储热技术的供热系统能够降低电能消耗，有利于节约用户的供热成本。

3结论

在“双碳”目标背景下，消费者对绿色建筑的需求也在逐渐增加，我国建筑行业面临的碳减排任务十分紧迫。为对绿色建筑的节能性能进行优化，研究提出将相变储热技术应用到绿色建筑的围护结构、供热系统和光伏发电系统中。结果表明，相较于传统的直热式电锅炉，研究提出的相变储热技术在不同时期的耗电量均更低，最高耗电量为5164kW·h，比直热式电锅炉低了4089kW·h。此外，相较于传统的直热式电锅炉，相变储热技术电热装置的耗电量波动较小。综上所述，相变储热技术能够显著降低供热系统的电能消耗，极大地节约用户的供热成本。但受实验条件的限制，研究仅对相变储热技术在供热系统中的应用效果进行了分析。因此，在未来的研究中，应该进一步分析相变储热技术在绿色建筑其他方面的应用效果，以促进相变储热技术在绿色建筑中的应用。

参考文献

[1]徐河，贾晓浒.基于BIM技术的绿色建筑节能设计方法研究[J].新型建筑材料，2023（11）：30-34.

[2]胡涛.基于演化博弈的绿色建筑溢价分配策略研究[D].济南：山东建筑大学，2023.

[3]姚宜，贾仁甫.基于DEMATEL-ISM的绿色建筑增量成本影响因素研究[J].工程管理学报，2023，37（4）：37-41.

[4]彭汝伦，王哲.建筑工程中的环保节能设计研究[J].环境工程，2022，40（7）：后插47.

[5]郑衍旭，黄兴超.新材料在超高层建筑中的应用及节能设计研究[J].合成材料老化与应用，2022，51（3）：161-163.

[6]王纾禾.光伏建筑能量供给侧相变储热特性的研究[D].北京：北京建筑大学，2023.