建筑用相變蓄能材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

白靜國

(天津市貳拾壹站檢測(cè)技術(shù)有限公司, 天津 300381)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的報(bào)告表明,全球近40%的能源消耗來自建筑業(yè)且主要是不可再生能源,同時(shí)建筑業(yè)每年貢獻(xiàn)了高達(dá)30%的溫室氣體排放量[1-2]。如今,建筑物單體普遍較大,裝備暖通空調(diào)系統(tǒng)保持適當(dāng)溫濕度和新風(fēng)補(bǔ)給是保障建筑內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度的必要條件,由此產(chǎn)生的能耗占建筑總能耗的40%以上[3]。隨著設(shè)計(jì)水平和建筑材料的進(jìn)步,大型建筑的傳統(tǒng)構(gòu)件已逐漸被輕質(zhì)結(jié)構(gòu)所取代[4],雖然降低了建筑總體重量和材料消耗,但也犧牲了建筑的熱惰性,增加了空調(diào)系統(tǒng)能耗。

人類社會(huì)正處于傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量日益降低、全球大氣環(huán)境污染和溫室效益日益加劇,新能源的開發(fā)利用還不成熟的歷史階段。作為重要的能源消耗源,大型建筑的能源消耗情況也受到季節(jié)、工作時(shí)間的顯著影響。加大對(duì)新能源的應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)其高效收集、儲(chǔ)存和調(diào)峰使用已經(jīng)成為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。利用相變材料(phase change materials,PCM)進(jìn)行新能源的儲(chǔ)存和匹配使用是解決這一問題的一個(gè)有效手段。將相變材料應(yīng)用于建筑物中進(jìn)行能量存儲(chǔ)以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能可追溯到1980年之前,Telkes[5]和Lane[6]最早將相變材料應(yīng)用于建筑物的供熱和制冷,并進(jìn)行了系列研究。隨著相變材料的儲(chǔ)熱能力和穩(wěn)定性的不斷提升,其在建筑中的應(yīng)用研究也越來越多,本文旨在對(duì)建筑用相變蓄能材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行歸納總結(jié),為相變材料在建筑中的應(yīng)用研究提供參考。

1 相變材料分類與要求

1.1 相變儲(chǔ)能原理

材料的物理狀態(tài)可以是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)或者固液混合態(tài),不同相態(tài)下物質(zhì)具有不同強(qiáng)度的分子間作用力。當(dāng)物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)時(shí),分子間作用力強(qiáng)度的變化伴隨著能量的吸收或釋放,借助這一物理現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。相變材料通常有固-液、液-氣和固-氣三種相態(tài)變化模式,其中固-液相變儲(chǔ)能材料的研究和應(yīng)用最為廣泛:當(dāng)外界溫度高于材料相變溫度時(shí),材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)并吸收熱量;當(dāng)外界溫度低于材料相變溫度時(shí),材料由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)釋放熱量,最終實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和調(diào)峰使用。

1.2 相變材料使用要求

如上所述,相變蓄能是利用材料從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N相態(tài)過程中的熱力學(xué)狀態(tài)(焓)的變化。篩選材料時(shí)要綜合考慮使用場(chǎng)景、安全性、經(jīng)濟(jì)性等諸多要素,在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的相變蓄能材料應(yīng)該滿足以下要求。

(1)相變溫度穩(wěn)定且與使用環(huán)境匹配。溫差是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力,過大的換熱溫差會(huì)使能量損失增大,過小的換熱溫差會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱速率降低,增大對(duì)換熱器面積的要求,因此,要求所用相變材料的相變溫度與換熱對(duì)象的溫度之差在一定的合理范圍之內(nèi)。

(2)材料具有較大的潛熱值。相變材料的潛熱值決定了單位質(zhì)量相變材料的儲(chǔ)能能力,潛熱值越高,相同儲(chǔ)能需求下所需要的相變材料越少,成本越低。

(3)蓄能/釋能循環(huán)性好。相變材料的儲(chǔ)能和釋放能量頻次由使用場(chǎng)景決定,對(duì)于建筑物通常考慮利用太陽能、風(fēng)能或晚間谷電進(jìn)行蓄能,平電、峰電階段釋放所蓄能量。蓄能材料需要進(jìn)行反復(fù)的蓄能-釋能循序,這就要求材料化學(xué)屬性穩(wěn)定,不會(huì)在反復(fù)凍融過程中發(fā)生化學(xué)變化,繼而影響相變溫度或潛熱值。

(4)熱物性良好。蓄能和釋能過程均需要通過傳熱過程實(shí)現(xiàn),傳熱效率將直接決定蓄能/釋能的時(shí)間。相變材料在液相時(shí)應(yīng)有良好界面潤濕能力,以便充分地填充界面間的空隙,增大有效換熱面積;固相時(shí)有良好的導(dǎo)熱性能。最終使蓄能和釋能過程均有較好的換熱系數(shù)。

(5)經(jīng)濟(jì)性良好。建筑體積龐大,對(duì)于蓄能量普遍要求較高,致使相變材料數(shù)量需求普遍較大,因此要求采用的相變材料的價(jià)格要低,降低蓄能系統(tǒng)的整體投資。

(6)化學(xué)性能良好。蓄能材料需要無毒、無污染,對(duì)其他材料的腐蝕性較低,降低整體維護(hù)和后期處理成本。

1.3 相變材料分類

相變材料可以有多種分類方式,按化學(xué)性質(zhì)可分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料,按相變狀態(tài)可分為固相-氣相、液相-氣相、固相-固相、固相-液相相變材料,按相變溫度可分為高溫相變材料(>120 ℃)、中溫相變材料(70～120 ℃)和低溫相變材料(0～70 ℃)。其中按照化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類是目前最為常見的分類方法,具體如下。

1.3.1 有機(jī)相變材料

有機(jī)相變材料是利用晶型之間的轉(zhuǎn)變和高分子支鏈在不同溫度下的轉(zhuǎn)變而吸熱或放熱,最常見的有機(jī)相變材料是石蠟和酯酸類。有機(jī)相變材料的化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性良好,通常無腐蝕性,過冷度較小,可回收;然而有機(jī)相變材料往往具有一定的可燃性,導(dǎo)熱性和相變潛熱低于其他類型的相變材料。建筑物中常用有機(jī)相變材料及其相主要參數(shù)如表1所示。

表1 常用有機(jī)相變材料及主要參數(shù)

1.3.2 無機(jī)相變材料

無機(jī)相變材料主要是通過結(jié)合水的脫離或結(jié)合實(shí)現(xiàn)能量的吸收或者釋放。常見的無機(jī)相變材料主要包括鹽水混合物、鹽和金屬等。無機(jī)相變材料通常密度相對(duì)較高,因此具有較高的潛熱,價(jià)格也相對(duì)較低。然而,無機(jī)相變材料普遍具有一定的腐蝕性、過冷較大、相偏析、熱穩(wěn)定性差等局限性。建筑領(lǐng)域常用無機(jī)相變材料如表2所示。

表2 常用無機(jī)相變材料及主要參數(shù)

1.3.3 復(fù)合相變材料

建筑用復(fù)合相變材料是由一種或幾種相變材料與載體材料組合而成。利用網(wǎng)絡(luò)狀物質(zhì)為基質(zhì)以維持材料的形狀、力學(xué)性能,作為相變材料的物質(zhì)嵌在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。通過相變吸收或釋放能量,具有較大的相變潛熱、較高的熱導(dǎo)率和合適的相變溫度,更好地解決了有機(jī)相變材料熱導(dǎo)率低、無機(jī)相變材料的相分離和過冷現(xiàn)象等問題[16]。目前,常采用納米顆粒作為基體制備納米復(fù)合相變材料[17-19],采用多孔介質(zhì)載體制備定形相變材料[20-22],可有效改善材料的熱導(dǎo)率性能,在建筑領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。一些學(xué)者[23-25]對(duì)有機(jī)和無機(jī)相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),如表3所示。

表3 有機(jī)和無機(jī)相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

1.4 相變材料制備與封裝方法

為避免相變材料在使用過程中發(fā)生泄漏,造成經(jīng)濟(jì)損失,污染建筑物中,需對(duì)其進(jìn)行封裝或制作成特定形狀,目前常見的方法有直接浸漬法、浸泡吸附法和封裝法(納米、宏觀和微觀)[26]。

1.4.1 直接混合法

將液體或粉末狀的相變材料直接與石膏、混凝土等建筑基體材料混合制成均勻的儲(chǔ)能相變材料。該方法不需要額外的設(shè)備,是使用相變材料成本最低、最簡單的方式,但可能存在泄漏和與建筑材料不兼容的問題。例如,相變材料直接引入混凝土混合物時(shí),破壞混凝土性能[27]的風(fēng)險(xiǎn)更大,可能會(huì)影響到原建筑材料的耐久性和穩(wěn)定性。

于文艷和殷凱[28]將微膠囊相變材料加入膩?zhàn)臃壑兄苽鋸?fù)合相變涂料應(yīng)用于水泥板內(nèi)表面,結(jié)果表明復(fù)合相變涂層能明顯降低峰值溫度和溫度的波動(dòng)范圍,起到調(diào)節(jié)室溫的作用。微膠囊相變材料含量為30%的復(fù)合相變涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時(shí)間比普通涂層延長23.5 min。

1.4.2 浸泡吸附法

通過浸泡將相變材料滲入多孔的建材基體中,通過毛細(xì)作用吸收相變材料,該方法工藝簡單,可使傳統(tǒng)的建筑材料(如石膏板)容易變成具備蓄能功能的建材。該方法制備的相變材料也有一定的局限性,主要表現(xiàn)為:經(jīng)過多次相變循環(huán)后熱物理性質(zhì)易降低,存在泄漏風(fēng)險(xiǎn),此外相變材料的腐蝕性會(huì)影響構(gòu)件的機(jī)械和耐久性能。

Feldman等[29]采用浸泡和混合兩種方法制備了相變儲(chǔ)能石膏板,后者得到的相變儲(chǔ)能石膏板所含相變材料的量均勻。Lee等[30]采用直接浸泡法分別制備了硬脂酸丁酯和商業(yè)石蠟兩種相變儲(chǔ)能混凝土材料,并比較了兩者與普通混凝土塊的儲(chǔ)熱性能和吸放熱,結(jié)果表明浸泡后的相變混凝土材料在一定的時(shí)間內(nèi)可以儲(chǔ)存熱量。

此外,可以利用真空提高相變材料浸漬效率和效果,所得到的復(fù)合材料可稱為多孔材料基相變材料。Memon等[31]使用真空浸漬法將月桂醇摻入高嶺土中,開發(fā)新型形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變材料,由于毛細(xì)管和表面張力的作用,月桂醇占據(jù)高嶺土的多孔和層狀結(jié)構(gòu),所得復(fù)合相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性和可靠性。

1.4.3 封裝法

為了解決泄露的問題,可以將相變材料封裝在一定的基體材料中,使其與周圍環(huán)境隔離,增強(qiáng)相變材料的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率。封裝質(zhì)量可以通過機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等指標(biāo)衡量。根據(jù)相變材料的封裝尺寸可為宏封裝(>1 mm)、微膠囊封裝(1～1 000 μm)和納米封裝(0～1 000 nm)。

宏封裝是相變儲(chǔ)能應(yīng)用中常用的封裝方法,封裝容器的形狀可以是球形、管狀、圓柱形或矩形。封裝材料的選取需要考慮其與相變材料的兼容性,最常用的封裝材料為塑料,當(dāng)對(duì)導(dǎo)熱要求較高時(shí),則需要使用金屬材料封裝。

微膠囊封裝是在相變材料表面包覆一層聚合薄膜而構(gòu)成的具有類似膠囊的結(jié)構(gòu),微膠囊的形狀多種多樣,該方法所得產(chǎn)品比表面積越大,能量傳遞量大能夠承受相變過程中體積的變化,較高的傳熱速率使得微膠囊相變材料能夠快速熔化和凝固。此外,微膠囊封裝還具有易于運(yùn)輸和處理、能夠設(shè)計(jì)封裝、材料兼容性好、外部體積變化小等諸多優(yōu)勢(shì)。

隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步,相變材料已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在納米尺度上的封裝。納米封裝相變材料可以在液體中形成穩(wěn)定的分散體但不會(huì)顯著增加其黏度,特別適合應(yīng)用于建筑中需要蓄能輸配的場(chǎng)景中。此外,納米封裝相變材料耐機(jī)械應(yīng)力的能力高于微膠囊封裝。

1.5 相變材料選用原則

相變材料的熱物理性質(zhì)主要包括相變溫度、相變潛熱、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)等。相變溫度直接決定相變材料的用途和應(yīng)用領(lǐng)域,相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)等直接影響材料的蓄熱密度、吸放熱速率等重要性能,膨脹系數(shù)會(huì)影響相變材料與基體、容器等的相容性及耐久性。在選取相變材料時(shí),主要從相變材料的熱物性、物理和化學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性等方面考慮,如圖1所示,具體包括:①與工作溫度相匹配的相變溫度;②高相變潛熱;③高導(dǎo)熱性;④可逆性好;⑤膨脹收縮性小;⑥化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定;⑦密度大、比熱容大;⑧不易燃、無爆炸性、無毒性及腐蝕性;⑨儲(chǔ)存豐富、價(jià)格低廉、容易大規(guī)模制備。

圖1 相變材料的選用原則

2 相變材料在建筑中的應(yīng)用方式

2.1 與傳統(tǒng)建筑材料復(fù)合

相變材料在建筑中最常見的應(yīng)用方式是將其與傳統(tǒng)建筑材料復(fù)合,形成具有蓄能功能的結(jié)構(gòu)部件,如墻體、屋頂、地板等,提高建筑的隔熱效果和熱惰性。

2.1.1 與水泥砂漿結(jié)合

何以芹和馮金榮[32]采用有機(jī)類固-液相變材料,用微膠囊法制備以脲醛樹脂為壁材,脂肪酸為芯材的相變保溫砂漿,將其應(yīng)用于外墻保溫體系改造。結(jié)果表明,使用相變保溫砂漿的外墻溫度為25 ℃,未使用相變保溫砂漿的溫度為20 ℃左右,相變保溫砂漿具有更好的保溫效果。陳金平等[33]利用膨脹珍珠巖吸附石蠟制備出膨脹珍珠巖-石蠟相變儲(chǔ)熱材料,選用球型1～4 mm膨脹珍珠巖作為儲(chǔ)能載體吸附相變材料制成相變膨脹珍珠巖作為細(xì)集料,將其與普通水泥砂漿直接混合制成了相變儲(chǔ)能砂漿,其溫度變化率和潛熱變化率較小、穩(wěn)定性好?？傮w而言,將相變材料應(yīng)用于水泥砂漿中能夠增強(qiáng)建筑調(diào)溫能力。

2.1.2 與墻板結(jié)合

對(duì)于相變材料的注入過程,可以通過浸泡或浸漬完成,這個(gè)過程包括將建筑材料浸泡在PCM液體中[34]。這種方法比傳統(tǒng)的直接混合模式更昂貴,用于建筑墻壁的建筑材料通常是石膏[35]或石膏水泥,生產(chǎn)的石膏板可以含有高達(dá)30%的PCM重量。比如可以采用石蠟RT20(質(zhì)量分?jǐn)?shù)26%)作為相變材料,通過浸泡吸附法將石蠟集成到石膏墻板中形成相變石膏墻,并將其放在一個(gè)室內(nèi)空間里,可有效降低室內(nèi)氣溫的晝夜波動(dòng),并將室內(nèi)溫度長時(shí)間保持在所需的舒適水平,帶來更健康的室內(nèi)空間和更好的節(jié)能性[36]。

張維維等[37]以石膏為基體材料,癸酸為相變材料制成定形相變石膏板,和普通石膏板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明,在同樣的加熱和散熱條件下,相變蓄能石膏板比普通石膏板具有更強(qiáng)的蓄放熱能力;夏季當(dāng)相變墻體相變溫度為26 ℃時(shí)房間節(jié)能效果最好,能夠使室內(nèi)獲得熱量減小37.73%;冬季當(dāng)相變墻體相變溫度為7 ℃時(shí)房間節(jié)能效果最好,能夠使室內(nèi)獲得熱量減小28.71%。閆亞鑫等[38]提出相變蓄熱型Trombe墻應(yīng)用于寒冷地區(qū)氣候條件下的冬季輔助供熱系統(tǒng),并且開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究,結(jié)果表明相變蓄熱型Trombe墻具有良好的蓄熱和輔助供熱特性,可以有效延長空氣通道的通風(fēng)時(shí)間進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延續(xù)供熱。

2.1.3 與混凝土結(jié)合

將適當(dāng)?shù)南嘧儾牧吓c混凝土基質(zhì)或開孔水泥相結(jié)合是相變材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的另外一種形式。Cabeza等[39]使用微膠囊方法將相變材料(熔點(diǎn)為26 ℃,相變焓為110 kJ/kg)封裝到混凝土中,分別建造了相變混凝土和普通的混凝土隔間,結(jié)果表明相變混凝土改善了熱慣性并降低了內(nèi)部溫度,同時(shí)在冷卻過程中節(jié)約了大量的能量。Yang等[40]以月桂醇和硬脂酸為原料,用陶粒作為封裝材料,應(yīng)用了基于多孔材料的吸附方法制作成復(fù)合相變材料并加入混凝土中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)復(fù)合相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),相變儲(chǔ)能混凝土既滿足建筑材料的承載能力需求,又具有良好的蓄熱性能。Ren等[41]在真空條件下分別用陶粒和浮石兩種輕骨料吸附脂肪酸(月桂酸、肉豆蔻酸和棕櫚酸作為共溶的三元脂肪酸)制成了兩種封裝蓄熱骨料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最大可提高15.8%,對(duì)溫度波動(dòng)具有調(diào)峰作用,使室內(nèi)溫度最多降低8.7 ℃。顧皖慶等[42]采用多孔材料吸附法,以膨脹珍珠巖浸泡吸附月桂醇來制作復(fù)合相變材料,通過滲漏性試驗(yàn)研究復(fù)合相變材料的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,膨脹珍珠巖吸附月桂醇的適宜吸附時(shí)間為4 h,適宜吸附溫度為50 ℃。

2.1.4 與屋頂或窗戶結(jié)合

一些學(xué)者研究了一種帶有錐形孔的建筑屋頂,并將石蠟作為相變材料填充到錐形孔中(圖2),該方法可使相變材料在熔化過程中的膨脹不影響屋頂結(jié)構(gòu)。在炎熱季節(jié)通過熔化過程吸收熱量來減少從室外到室內(nèi)空間的熱流,而寒冷的季節(jié)保持固態(tài),屋頂室內(nèi)表面的熱通量最多可減少39%[43]。澳大利亞的研究人員模擬了采用聚乙二醇作為屋頂?shù)南嘧儾牧蠈?duì)建筑物年供暖和制冷負(fù)荷的影響。結(jié)果表明,相變材料屋頂能夠顯著改善建筑熱慣性,降低室內(nèi)溫度幅值,具有更好的熱舒適性[44]。此外,還有學(xué)者研究了在雙層玻璃中間空腔內(nèi)加入石蠟制作成的相變玻璃(圖3),與傳統(tǒng)玻璃窗相比,相變玻璃窗可以降低玻璃內(nèi)表面的峰值溫度,降低建筑物的能耗,夏季可降低建筑熱增益50%以上,冬季效果不明顯[45]。

圖2 帶有填充PCM錐形孔屋頂示意圖

圖3 室外測(cè)試設(shè)施實(shí)物

相變儲(chǔ)能材料可以用來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、降低室內(nèi)峰值溫度、增加溫度時(shí)滯,以及減少能源的消耗。但研究也發(fā)現(xiàn)了一些問題,如相變過程中導(dǎo)熱性差,相變泄漏可能導(dǎo)致復(fù)合材料的熱物理性能變差,熱循環(huán)后熱性質(zhì)也可能變差。此外,單一熔點(diǎn)相變材料也無法滿足全季節(jié)內(nèi)的溫度變化[46]。

2.2 相變蓄能材料與建筑設(shè)施相結(jié)合

2.2.1 和空氣處理系統(tǒng)結(jié)合

將相變蓄能材料與空氣處理設(shè)備結(jié)合,形成具有調(diào)節(jié)空氣溫濕度和新風(fēng)換氣功能的系統(tǒng)。這種方式可以有效地改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度,減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間和費(fèi)用。

有研究人員使用無機(jī)材料ATS 30(熔點(diǎn)30 ℃,潛熱200 kJ/kg)作為相變材料集成到熱泵空調(diào)系統(tǒng)中(圖4),發(fā)現(xiàn)集成相變材料的空調(diào)系統(tǒng)可以有效地削減了電網(wǎng)的高峰負(fù)荷,節(jié)省7%的能源費(fèi)用[47]。

圖4 相變材料與熱泵系統(tǒng)的集成原理

一些學(xué)者研究了配備相變存儲(chǔ)單元蓄熱的新風(fēng)冷卻系統(tǒng)在各種氣候條件下的能源效率(圖5),其中相變存儲(chǔ)單元為長方體,使用球形宏封裝石蠟作為相變材料,結(jié)果表明,在當(dāng)?shù)貤l件下一個(gè)辦公樓可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電7%～41%,可有效減少碳排放[48]。

圖5 新風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意圖

杜文超等[49]制備了相變溫度為21.3 ℃的無機(jī)水和鹽相變材料,用于空調(diào)制冷系統(tǒng)。相變材料安裝在空調(diào)的室內(nèi)出風(fēng)口,當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),利用制冷壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷,同時(shí)相變材料儲(chǔ)存冷能;當(dāng)外部環(huán)境溫度較低時(shí),利用自然風(fēng)能實(shí)現(xiàn)空調(diào),同時(shí)相變材料儲(chǔ)存冷能。在壓縮機(jī)不工作,空調(diào)與外界風(fēng)隔離時(shí),風(fēng)機(jī)裝置帶動(dòng)室內(nèi)空氣循環(huán),配合儲(chǔ)能模塊實(shí)現(xiàn)制冷,節(jié)能效率可達(dá)28.3%(圖6)。

圖6 相變儲(chǔ)能輕型柜式空調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 與地板采暖系統(tǒng)結(jié)合

目前,地板輻射供暖系統(tǒng)已在許多國家得到廣泛應(yīng)用,一些研究人員將相變材料應(yīng)用到了地板輻射供暖系統(tǒng)中,在不影響熱舒適性的情況下顯著提高了建筑能源效率。

Jin和Zhang[50]對(duì)含有兩個(gè)不同熔點(diǎn)的相變材料層的輻射地板采暖系統(tǒng)(圖7)進(jìn)行了數(shù)值研究,由表層(木材)、冷卻用相變材料層、加熱用相變材料層、混凝土層、水管和保溫層組成。加熱用和冷卻用相變材料的最佳熔化溫度分別為38 ℃和18 ℃,最佳熔化溫度會(huì)隨著兩層相變材料層位置的變化而變化;與常規(guī)地板相比,該地板系統(tǒng)在加熱和冷卻過程中分別可多傳遞41.1%和37.9%的能量。

圖7 雙層PCM地板示意圖

Barzin等[51]研究評(píng)估了相變材料地板采暖系統(tǒng)與相變材料墻板相結(jié)合(圖8)的性能,地板上覆蓋著10 mm厚的石蠟基聚相變材料(峰值熔點(diǎn)為28 ℃,潛熱儲(chǔ)存能力為120 J/g)浸漬的石膏板,墻板采用的是杜邦墻板。5天內(nèi)總節(jié)能和電力成本分別為18.8%和28.7%,其間節(jié)能峰值可達(dá)35%,相應(yīng)的成本節(jié)約為44.4%。在一項(xiàng)類似的研究中,Cheng等[52]從理論和實(shí)驗(yàn)角度探討了相變材料的熱導(dǎo)率對(duì)能源節(jié)約和經(jīng)濟(jì)效益的影響,在一個(gè)帶有地暖系統(tǒng)的測(cè)試房間中引入了由(固體石蠟+液體石蠟)/高密度聚乙烯/膨脹石墨制成的相變材料,其電熱膜布置在地板表面下方(圖9),并將該系統(tǒng)的運(yùn)行特性與非相變儲(chǔ)能系統(tǒng)和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)提高相變材料的熱導(dǎo)率可以顯著提高供暖系統(tǒng)的能源效率。

圖8 PCM地板采暖系統(tǒng)示意圖

圖9簡化地板供暖系統(tǒng)示意圖

2.2.3 與通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合

自然冷卻是在夜間儲(chǔ)存室外冷量,并在白天供應(yīng)室內(nèi)空氣的方法。由于室內(nèi)白天和室外夜晚的溫差很小,因此相變材料是最佳的存儲(chǔ)選擇。Stathopoulos等[53]在一項(xiàng)研究中將PCM被用于在高峰時(shí)段進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移的供暖應(yīng)用,建立了PCM換熱器的原型,并開發(fā)了數(shù)值模型來研究PCM換熱器的行為。研究表明,相對(duì)簡單的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)PCM換熱器的實(shí)驗(yàn)行為。Mankibi等[54]研究了PCM被應(yīng)用于通風(fēng)系統(tǒng)中的供暖應(yīng)用中的換熱器,以在高峰時(shí)段進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移,開發(fā)了數(shù)值模型,并在一個(gè)矩形通用房間中測(cè)試了一個(gè)原型。這項(xiàng)研究表明,當(dāng)在夜間給PCM模塊充電時(shí),換熱器的性能在很大程度上取決于換熱器的絕緣,因?yàn)镻CM應(yīng)保持充電的時(shí)間較長。因此,增加絕緣可以防止PCM的非自愿放電。在大量的測(cè)試配置中,研究表明可以進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移,而不會(huì)影響熱舒適度或室內(nèi)空氣質(zhì)量。

3 未來的研究展望

在建筑中使用相變材料以節(jié)省能源消耗,學(xué)者進(jìn)行了廣泛的相關(guān)研究,但相變蓄能材料在建筑中的應(yīng)用還面臨著一些問題和挑戰(zhàn),這也是未來的研究方向和重點(diǎn)。

(1)相變蓄能材料的導(dǎo)熱率低,影響了其充放熱效率和速率。為了增強(qiáng)其導(dǎo)熱性能,需要添加納米顆粒、納米片、納米線等高導(dǎo)熱物質(zhì)。納米材料的應(yīng)用可以提高相變材料的熱傳導(dǎo)性能、提高相變材料的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命,并增加相變材料的吸附容量。

(2)相變蓄能材料的穩(wěn)定性差,容易發(fā)生老化、分解、泄漏等現(xiàn)象。為了提高其穩(wěn)定性,需要改善其封裝方式、選擇合適的載體材料、控制工作溫度范圍等。

(3)微/納米復(fù)合技術(shù)的主要瓶頸是高昂的加工成本和選擇合適的材料。為了商業(yè)化和擴(kuò)大復(fù)合技術(shù)的使用,必須簡化合成過程并降低封裝成本。

(4)建筑物中相變材料的復(fù)合方法仍然是研究人員面臨的一大挑戰(zhàn),以增強(qiáng)建筑材料的熱、機(jī)械和循環(huán)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。因此,未來的研究必須進(jìn)行以增加機(jī)械和熱穩(wěn)定性為目的的研究。

4 結(jié)論

隨著相變材料的儲(chǔ)熱能力和穩(wěn)定性的不斷提升,其在建筑中的應(yīng)用研究也越來越多。目前的研究主要集中在相變材料和傳統(tǒng)建筑材料復(fù)合、相變材料與建筑設(shè)施結(jié)合兩個(gè)方面。學(xué)者們分別研究了相變材料在相變砂漿、墻板、混凝土、天花板,以及在空氣處理系統(tǒng)、地板采暖系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)上的應(yīng)用,可見相變材料前景巨大。相變儲(chǔ)能建筑材料的大規(guī)模商業(yè)化使用需要考慮相變材料的種類、相變溫度范圍、與傳統(tǒng)材料復(fù)合的百分比、使用區(qū)域的氣候以及使用建筑物的結(jié)構(gòu)等因素。相變儲(chǔ)能建筑材料的熱傳遞模型,各種構(gòu)件和相變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面,仍然需要進(jìn)一步研究。