基于相變儲(chǔ)熱技術(shù)的綠色建筑性能優(yōu)化研究

摘要：隨著環(huán)保理念的深入踐行，綠色建筑面臨著更高的節(jié)能減排需求。為對(duì)綠色建筑的節(jié)能性能進(jìn)行優(yōu)化，研究在綠色建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將相變儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用到綠色建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供熱系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中。并對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐，研究提出的相變儲(chǔ)熱技術(shù)在不同時(shí)期的耗電量均更低，最高耗電量為5164kW·h，耗電量減少了約一半。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了相變儲(chǔ)熱技術(shù)的良好供熱和節(jié)能性能。研究有利于促進(jìn)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用，提高綠色建筑的節(jié)能性能。

關(guān)鍵詞：綠色建筑相變儲(chǔ)熱技術(shù)性能優(yōu)化環(huán)保節(jié)能

中圖分類號(hào)：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

隨著化石燃料的過量消耗，環(huán)境污染以及能源短缺問題愈發(fā)嚴(yán)峻，綠色建筑也越來越受到重視。綠色建筑是指在全生命期內(nèi)，考慮周圍自然生態(tài)環(huán)境的客觀發(fā)展規(guī)律，合理地利用可再生能源，最大限度地實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑。許多學(xué)者對(duì)綠色建筑進(jìn)行了大量的研究。徐河等人針對(duì)傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)模式返工率高，缺乏信息處理等問題，基于BIM技術(shù)提出了一種綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法，有助于促進(jìn)BIM技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[1]。胡濤[2]針對(duì)綠色建筑市場(chǎng)中成本效益錯(cuò)配問題阻礙了其發(fā)展的問題，基于演化博弈理論構(gòu)建了綠色建筑溢價(jià)分配決策模型，以深入探究綠色溢價(jià)在利益主體間的分配策略。姚宜等人[3]為了能夠有效控制綠色建筑增量成本，提出利用決策試驗(yàn)和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)法-解釋結(jié)構(gòu)模型來分析綠色建筑增量成本的關(guān)鍵因素和根本因素。綜上所述，綠色建筑得到了廣泛的研究。但目前部分建筑仍然存在著碳排放多以及能源消耗大等問題，綠色建筑的概念還未得到完全的普及和落實(shí)，加速了能源消耗和環(huán)境污染。研究在這一背景下，提出了基于相變儲(chǔ)熱技術(shù)的綠色建筑性能優(yōu)化。以期減少建筑的耗能和污染，促進(jìn)建筑行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1基于相變儲(chǔ)熱技術(shù)的綠色建筑

1.1綠色建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)

在“雙碳”目標(biāo)下，建筑面臨著巨大的節(jié)能挑戰(zhàn)。綠色建筑在提升建筑工程的質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能夠降低能源的消耗，促使建筑行業(yè)獲得最大化的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。自大力推廣綠色建筑以來，我國的綠色建筑發(fā)展迅速，在2021年累計(jì)建成的綠色建筑面積超過85億m2，已形成全世界最大的綠色建筑市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2008年至2019年，中國的綠色建筑項(xiàng)目數(shù)從10個(gè)大幅度增長(zhǎng)到5500個(gè)。在2018年至2021年，中國的累計(jì)綠色建筑面積從32億萬m2增長(zhǎng)至85億萬m2，這期間每年的新增綠色建筑面積均在15億萬m2以上。

現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分為工業(yè)建筑、民用建筑、建筑防火、建筑節(jié)能、通用標(biāo)準(zhǔn)、建筑環(huán)境以及建筑設(shè)備7大類[4]。節(jié)能設(shè)計(jì)是綠色建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，在綠色建筑評(píng)估中的重要性體現(xiàn)在有效地節(jié)約和利用能源。但節(jié)能綠色環(huán)保技術(shù)并未得到很好的推廣，在建筑施工過程中沒能得到合理的運(yùn)用[5]。為此，研究提出在設(shè)計(jì)綠色建筑的過程中使用可再生綠色建筑材料以及可再生的清潔型能源。研究提出采用地源熱泵和太陽能來取代傳統(tǒng)的電取暖器和照明設(shè)施。

此外，為對(duì)綠色建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行客觀的綜合評(píng)價(jià)，研究提出將節(jié)能設(shè)計(jì)方案分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、單體設(shè)計(jì)、配電與照明系統(tǒng)、節(jié)能材料、設(shè)備配置以及可再生能源利用率7個(gè)部分。其中，研究通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的添加來有效減少綠色建筑的熱損失，通過規(guī)劃設(shè)計(jì)來清晰地反映建筑群體間的布局情況及相對(duì)位置，通過單體設(shè)計(jì)來反映節(jié)能構(gòu)造措施。

1.2相變儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用

研究提出采用相變儲(chǔ)熱技術(shù)來進(jìn)一步對(duì)綠色建筑的節(jié)能性能進(jìn)行優(yōu)化。相變儲(chǔ)熱技術(shù)是一種以相變儲(chǔ)能材料為基礎(chǔ)的高新儲(chǔ)能技術(shù)，憑借儲(chǔ)放過程溫度變化穩(wěn)定、可控性強(qiáng)以及儲(chǔ)熱密度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑供暖和電子器件溫控等方面。但相變材料的熱導(dǎo)系數(shù)普遍偏低，并不利于熱量交換，因此常通過添加高導(dǎo)熱系數(shù)的顆粒或設(shè)置金屬翅片等方法提高相變材料的導(dǎo)熱能力[6]。為此，研究提出將相變儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用在綠色建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供熱系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

首先是圍護(hù)結(jié)構(gòu)。通過在建筑的地板、墻體和屋頂?shù)任恢们度胂嘧儾牧?，?shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在低溫環(huán)境，相變材料能夠釋放儲(chǔ)存的熱量，在高溫環(huán)境又能夠吸收多余熱量。由此降低空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，顯著提升建筑能效。實(shí)際應(yīng)用中，可將相變材料與傳統(tǒng)保溫材料相結(jié)合形成復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提高建筑綜合能效。

其次是綠色建筑的供熱系統(tǒng)。為合理地轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷、降低用電成本，研究提出的電熱裝置主要利用低谷電，并通過電熱轉(zhuǎn)換裝置來完成對(duì)建筑的供熱以及能量存儲(chǔ)。具體而言，在峰電期，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣循環(huán)，利用儲(chǔ)熱材料對(duì)循環(huán)空氣進(jìn)行加熱，然后熱空氣經(jīng)過換熱器加熱水，規(guī)避白天高峰電價(jià)。在用電低谷時(shí)期，則啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和電熱管，在翅片換熱器中利用白天加熱好的熱空氣來提高相變儲(chǔ)熱材料的溫度，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存。這種方式能夠顯著降低供熱系統(tǒng)的能耗，以在保障供暖的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境的污染。相變儲(chǔ)熱材料電熱裝置的原理如圖1所示。

最后是相變儲(chǔ)熱技術(shù)在可再生能源中的應(yīng)用。研究提出將綠色建筑中常見的太陽能發(fā)電裝置與相變儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。具體而言，在光照充足的情況下，利用太陽能發(fā)電裝置收集太陽能進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色建筑的供能，同時(shí)利用相變儲(chǔ)熱技術(shù)來吸收多余的電能，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存。在光照不足的情況下，相變儲(chǔ)熱材料就會(huì)釋放之前儲(chǔ)存的能量，代替太陽能發(fā)電裝置來為建筑提供熱能和電能。如此，不僅能解決太陽能發(fā)電裝置易受天氣和光照影響的問題，還能夠提高綠色建筑對(duì)清潔能源的利用率。

2綠色建筑性能優(yōu)化結(jié)果

為驗(yàn)證相變儲(chǔ)熱技術(shù)對(duì)于綠色建筑性能優(yōu)化的效果，研究以耗電量為依據(jù)對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在某總面積為5000m2的住宅樓供熱系統(tǒng)中的運(yùn)行效果進(jìn)行分析。將供暖溫度設(shè)定為23℃，并與傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐進(jìn)行對(duì)比。兩種方法的耗電量對(duì)比結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，相較于傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐，研究提出的相變儲(chǔ)熱技術(shù)在不同時(shí)期的耗電量均更低。傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐耗電量最高達(dá)到了9253kW·h，相變儲(chǔ)熱技術(shù)電熱裝置的最高耗電量為5164kW·h，比直熱式電鍋爐低了4089kW·h。此外，相較于傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐，相變儲(chǔ)熱技術(shù)電熱裝置的耗電量波動(dòng)較小。結(jié)果表明，基于相變儲(chǔ)熱技術(shù)的供熱系統(tǒng)能夠降低電能消耗，有利于節(jié)約用戶的供熱成本。

3結(jié)論

在“雙碳”目標(biāo)背景下，消費(fèi)者對(duì)綠色建筑的需求也在逐漸增加，我國建筑行業(yè)面臨的碳減排任務(wù)十分緊迫。為對(duì)綠色建筑的節(jié)能性能進(jìn)行優(yōu)化，研究提出將相變儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用到綠色建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供熱系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐，研究提出的相變儲(chǔ)熱技術(shù)在不同時(shí)期的耗電量均更低，最高耗電量為5164kW·h，比直熱式電鍋爐低了4089kW·h。此外，相較于傳統(tǒng)的直熱式電鍋爐，相變儲(chǔ)熱技術(shù)電熱裝置的耗電量波動(dòng)較小。綜上所述，相變儲(chǔ)熱技術(shù)能夠顯著降低供熱系統(tǒng)的電能消耗，極大地節(jié)約用戶的供熱成本。但受實(shí)驗(yàn)條件的限制，研究?jī)H對(duì)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。因此，在未來的研究中，應(yīng)該進(jìn)一步分析相變儲(chǔ)熱技術(shù)在綠色建筑其他方面的應(yīng)用效果，以促進(jìn)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]徐河，賈曉滸.基于BIM技術(shù)的綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法研究[J].新型建筑材料，2023（11）：30-34.

[2]胡濤.基于演化博弈的綠色建筑溢價(jià)分配策略研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2023.

[3]姚宜，賈仁甫.基于DEMATEL-ISM的綠色建筑增量成本影響因素研究[J].工程管理學(xué)報(bào)，2023，37（4）：37-41.

[4]彭汝倫，王哲.建筑工程中的環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].環(huán)境工程，2022，40（7）：后插47.

[5]鄭衍旭，黃興超.新材料在超高層建筑中的應(yīng)用及節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（3）：161-163.

[6]王紓禾.光伏建筑能量供給側(cè)相變儲(chǔ)熱特性的研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2023.