016 变储能房间节能技术进展及拓展潜力.doc

相变储能房间节能技术研究应用进展及拓展潜力* 基金项目：国家自然科学基金（50878133）；辽宁省优秀人才基金（2007R37）；辽宁省教育厅重点实验室基金（2008S193）联合资助 作者简介：黄凯良（1985-），男，硕士研究生，主要从事相变储能理论与技术研究沈阳建筑大学 黄凯良 冯国会 刘馨摘 要：归纳分析了相变储能房间特点与构建形式，综述了国内外相变储能房间在复合相变墙体被动式太阳房、相变储能耗电地板采暖、相变储能太阳能热水采暖、相变储能夜间通风蓄冷、相变储能夜间空调蓄冷等方面节能技术的研究状况，指出了相变储能房间可再生自然能源利用的潜力及技术研究方向。关键词：相变储能；复合技术；节能0 引言建筑围护结构作为室内外环境的分界面，承担的功能主要有视野、采光、遮阳与隔热、保温(散热)、通风和隔声六大方面，将相变材料融入建筑维护结构进而改进建筑围护结构形式与热性能, 是建筑节能的重要途径1，成为近些年建筑节能工作的一个亮点。相变储能房间在提高房间热舒适性、减少暖通空调能耗以及调节城市电网昼夜电力峰谷差方面展示了其独特的引人关注的优势。国内外诸多学者对于相变材料的性能优化、相变导热问题、相变材料与建材的结合、相变储能房间形式的优化与模拟做了较多的研究工作，相变储能理论与技术的发展不断向前推进，但是在相变储能房间的节能技术方面，特别是充分利用可再生自然能源而不采用(或少采用)附加能源方面显得非常薄弱，至今没有比较成熟可靠、系统性的技术，相变储能房间的节能潜力也有待进一步挖掘。笔者所在课题组在进行相变材料测试与配比优选、相变墙房间搭建与冬夏季工况测试、相变储能构建热性能优化、太阳能新风与相变地板热集成技术等研究基础上，开始进行相变储能房间太阳能利用新技术与夏季蓄冷技术的开发与应用研究。本文就国内外典型相变储能房间的节能技术研究应用进展进行分析讨论，并对相变储能房间可再生自然能源利用进行技术论证及节能潜力对比，本研究将会为目前全球关注的节能减排工作提供更有吸引力的选择方案。1 相变储能房间构建形式与特点相变材料具有潜热蓄热密度大，蓄放热过程近似绝热，传热温差小的优点。将相变材料融入建筑维护结构就构成了相变储能房间，它可以缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，对建筑物的供暖，空调负荷起到削峰填谷的作用。相变材料与建筑材料相结合不仅可以缩小冷热源的规模，节约初投资，而且，由于电网负荷峰谷电价分计制的实行，还可以降低供暖、空调系统的运行费用。相变材料与建筑材料结合可以构成热性能优异的相变储能构件，其方式一般有三种：（1）直接用相变材料浸泡建材（一般是石膏板）；（2）将相变材料封装成管状、板状或块状；（3）采用支撑材料包裹相变材料然后混入混凝土等建材中。方式一的特点是应用简单、相变材料容易挥发和渗漏；方式二的特点是相变材料利用量大，但影响相变材料的导热（主要针对有机相变材料）；方式三是现在研究的热点，较好的解决了前两种方式的缺点，但有些繁琐，且相变材料融入量不够理想。相变构件有机融入到建筑中的方式一般有以下几种：（1）相变墙板敷设在墙体内表面、顶棚；（2）相变构建设置在地板上与地板辐射采暖有机结合；（3）室内顶棚、地板等地方设置专门的蓄冷（热）相变构建；（4）将多层相变构件融入维护结构，这在国外研究的多一些。 美国Oak Ridge实验室的Stovall和Tomlinso2的分析表明相变石膏墙板的成本比普通石膏墙板增加约1.30美元/m2。通过模拟得出，对于类似美国田纳西州气候类型的地区，使用相变墙板能使采暖设备容量选型减少1/3，而对于类似丹佛气候类型的地区，使用相变墙板能使采暖设备容量选型减少1/2。Maha Ahmad3对由轻质墙板、真空板、相变材料组成的细胞房进行了热性能测试和模拟工作，实验数据与模拟数据符合较好，对于相变房间的指导设计很有意义。 A.Pasupathy总结了将相变材料集成到建筑中的各种方法、相变材料的选择以及相变材料在空调制冷和采暖的应用，A. Pasupathy等人提出了在屋顶采用双层相变材料的方案，并进行了实验和模拟工作，他们建议上层相变材料板的相变温度要比周围平均温度高6-7，该方案可以实现全年综合节能效益4。F. Mathieu-Potvin,和L. Gosselin提出了一个分析含有多相变材料层外墙的热防护效果的模型5，结果显示在室内外温差小的情况下可以实现较好的收益，他们还采用遗传算法对墙体的构成进行了优化，他们对多层相变层维护结构做了基础性的研究工作。2 典型相变储能房间节能技术2.1 复合相变墙体被动式太阳房 将相变材料复合到现有建材中，可以在建筑承重增加较小的条件下有效增大建筑热惯性， 减小室内温度波动，改善房间热性能。按照蓄能的方式可分为被动蓄能式相变建筑围护结构和主动蓄能式相变建筑围护结构。 图1 被动太阳房采暖 加拿大Concordia大学的建筑研究中心的Athienitis等人6在被动式太阳房中使用相变墙, 结果显示房间的温度在白天比常规墙板房间温度低4， 而夜间其放热可以延续7 h以上，夜间相变墙板的表面温度可比普通墙板高3.2，相变材料凝固过程放出的热量相当于总供热负荷的15%，可在很大程度上改善房间热舒适性。 K. Darkwa7对被动太阳能建筑中的相变干墙进行了模拟，变化的工况为相变半径和相变材料的放置情况，模拟结果显示对于窄的相变半径，压层放置的相变材料房间要比随机放置的相变材料房间温度高17。 北京工业大学陈超以冬季日照率较高、太阳辐射强度大的北京地区为研究对象，依据建筑热物理学、传热学以及相变储能理论，结合计算机模拟分析方法以及小尺寸实验台的搭建，研究了复合相变墙体被动式太阳房的应用可行性，实验结果显示：在2007年4月3-8日，白天温度30、晚上气温7时，白天相变间的温度比普通间低约1，夜间高越0.5。对于应用而言，实验结果不很理想，但由此说明了相变墙体是可以减小室内空气波动的。实验结果与相变材料的用量、相变太阳房的形式等是有很大关系的。 林坤平等人8,9分析了采用相变墙建筑适用的气候条件，并通过数值方法模拟和评价了相变墙房间在我国不同气候地区的使用效果，说明了相变墙建筑在我国不同地区使用的优点和局限性，并对给定的气象条件和相变墙房间，讨论了夏季“空调”型相变墙的优化设计方法。2.2 相变储能耗电地板采暖2.2.1 相变储能地板直接电采暖技术相变储能地板直接电采暖就是将晚间廉价电能转化成热能储存在相变材料中，白天的时候相变材料凝固放热提供采暖热能。冯国会等人10研制出了一种电采暖相变储能地板，所选相变材料为48号石蜡，设定16室温时，相变材料所蓄存的热量可以供白天9个小时使用，移峰填谷效率为53，具有较好的节能效益。叶宏等人11提出将定形相变材料与电缆加热的地板电采暖结合使用，并对该系统进行了实验和模拟研究。研究结果表明熔点在32左右的定形相变材料是该系统较理想的贮热材料，全天室内空气温度可维持在2125，具有很好的热舒适性；该系统在实行昼夜电价分时制的地区具有较好的应用前景。图2相变储能地板直接电采暖原理图林坤平等人建立电热膜加热的相变蓄能地板的一维非稳态传热过程的数学模型，提出了与夜间电采暖相结合的新型定形相变材料地板蓄热系统，开展了定形相变材料蓄能式电热膜地板采暖系统的实验与模拟研究12。 该系统可有效提高和均匀房间温度，能把白天负荷全部转移到了夜间, 有效利用夜间廉价能源，实现整个采暖季节夜间蓄能日间供暖的效果。她们还模拟分析了不同的气候条件下，相变材料适当的相变温度和相变材料与地板装饰层之间空气层的厚度，并介绍了该系统简单的设计和控制方法。2.2.2 相变储能电加热地板下送风技术直接式电加热储能地板采暖虽然有一些优点，但是只适于昼夜均有人活动的住宅类建筑，在办公建筑中使用会有些浪费，相变储能电加热地板下送风技术在晚上的时候将廉价电能转化为热能，相变材料蓄存的热能在白天人们办公的时候释放采暖可以达到减少这种浪费的效果。林坤平、张寅平13等人提出了一种利用定型相变材料蓄存夜间廉价电能，并能控制放热速率的地板下送风式相变储热电采暖系统，搭建了应用此系统的实验房间并进行了实验，结果表明该系统的蓄放热性能较好，白天的电热负荷全部转移到夜间低谷电价时段。2.2.3 相变储能夜间水源热泵采暖技术夜间的廉价电能直接用来采暖，从一次能源利用系数的角度讲是很浪费的，如果将这个时期的电能驱动水源热泵制备热水，热能储存在相变材料中，白天的时候相变材料凝固放热提供采暖热能，不会存在“高能低用”的问题，由于热泵的COP比较高，这样的系统将会有比较好的节能和经济效益。张群力等人14,15提出了相变蓄能式低温热水地板采暖系统和吊顶采暖空调系统，建立了系统在室内热环境稳态工况下的传热过程模型，结果表明，相变材料蓄能效率比混凝土高30%40%，导热系数影响蓄热效率与蓄热量，相变温度和潜热影响表面热流量的衰减时间。2.3 相变储能太阳能热风采暖图3 相变储能太阳能热风采暖原理图清华大学肖伟、王馨16等人研究了一种与太阳能空气集热器结合的定型相变储能地板采暖系统。白天由太阳能空气集热器加热后的热空气通过保温管道输送到相变地板夹层，相变材料蓄热；夜间，房间的冷空气进入相变地板夹层，被加热后送入房间，相变材料放热。可行性实验研究表明，实验期间除多云天气，相变储能地板夜间能一直维持在18以上，但是由于相变温度较低，供热速率有限，房间温度会降低到约14，和对比房相比，温度提升了5-6，此采暖系统安全可靠。2.4 相变储能太阳能热水采暖图4太阳能热水系统 图5 地板层结构前文提到张群力等人提出了相变蓄能式低温热水地板采暖系统和吊顶采暖空调系统，希望采用夜间的廉价电能驱动水源热泵制备热水晚间储能白天使用。按同样的原理，将白天的太阳能用相变材料蓄存起来，供晚间采暖使用，也是具有很好的实际意义的。现在太阳能供暖技术已经趋于成熟，国内出现很多太阳能热水供暖工程，这类工程一般在晚间采用电加热辅助供暖，供暖能效大打折扣。太阳能热水供暖与相变储能技术的融合将可以较好的推进超低能耗建筑的发展。该技术也将会是建筑节能研究工作的热点。2.5 相变储能夜间通风蓄冷图6 相变储能夜间通风蓄冷原理图康艳兵等人提出了一种结合夜间通风的新型贮能系统，堆积床式相变吊顶系统(NVPsystem) 17，其贮换热面积大，蓄/放热效率高，夏季降温效果好。Zhou Guobing等人对北京地区定性相变材料墙板结合夜间通风措施的房间进行了数值模拟工作，结果显示通过夜间通风措施相变房间的白天最高温度值可以下降2，文中提及在确定和计算相变墙板合适的融化温度、融化热、墙板的厚度以及导热系数的时候要结合考虑气候条件以及维护结构情况18。2.6 相变储能夜间空调蓄冷Feng Guohui等人在沈阳建筑大学人工环境与节能实验室进行了普通墙房间与相变墙房间夏季工况蓄冷时间规律的实测分析，实验结果显示相变墙房间的相变墙板会减小室内温度波动，降低室外通过维护结构向室内传递的热量，相变墙房间空调的起停次数要明显小于普通房间的起停次数，在该实验相变房间中5h的蓄冷时间会得到较好的效果。K. Nagano等人研究了一种铺设由泡沫玻璃颗粒和石蜡做成相变材料的地板送风空调系统，并进行了缩小比例尺寸的实验研究19，研究结果显示采用30mm厚的这种相变材料可以储存89的白天冷负荷，该研究对于电力调峰和节能有重要意义。德国Koschenz和Lehmann提出了一种应用于轻质建筑中的主动式相变蓄能石膏吊顶空调系统20。该系统通过冷水毛细管将冷量夜间蓄存入相变石膏板中, 日间时再释放出冷量, 可以将白天的空调负荷转移到夜间处理. 该系统还可以利用低品位能源进行空调采暖, 具有较好的应用前景。3 相变储能房间可再生自然能源利用3.1 研究存在问题相变储能构件热性能和配置方式的研究可以优化维护结构的热物性参数，大大增强维护结构的衰减和延迟作用，所起作用有以下几点：（1）在部分地区以及广大大地区的特定时间段，不采用或少采用采暖或空调就可以达到舒适温度；（2）使用相变墙板能使采暖设备容量选型减少约1/3-1/2；（3）在采暖和空调的过程中，结合相变储能技术就可以大大减少常规能源的消耗；（4）更进一步而言，相变储能技术与可再生自然能源的利用可以极大的降低建筑能耗甚至不用消耗常规能源。相变储能房间可再生自然能源的利用主要包括冬季太阳能采暖和夏季夜间蓄冷两个方面，尽管都有学者进行了研究，但是存在以下问题：（1）限于市场上没有成熟的太阳能空气集热器产品，相变储能技术与太阳能热空气采暖技术在常规建筑房间中的集成与应用存在瓶颈。（2）太阳能热水采暖系统的应用趋向成熟，但是与相变储能构件在建筑中的集成应用还缺乏实际研究，且储能作用对太阳能热水采暖系统的影响以及整套系统的优化都需要进行研究。（3）夏季夜间通风蓄冷的技术手段不多也不够成熟，利用空调蓄冷的研究在国内更为少见。(4) 相变储能房间可再生自然能源利用的系统冬夏季都可以发挥作用的研究有待进行，比方相变材料在冬季太阳能采暖和夏季夜间蓄冷中都能发挥作用，或者通过材料简单替换就可以实现系统冬夏两用。3.2 研究潜能相变墙房间可再生能源的利用需要研究的内容很多，节能潜力巨大。笔者结合所在课题组的研究基础，提出了理想的原始系统集成方案：a.对储能式太阳能热风系统而言，墙体由普通墙部分和相变墙部分组成，相变墙部分应该是有中空结构，在墙体的外侧是太阳能空气集热装置，当相变墙体蓄热达到饱和之后，集热板下侧的盖板开启，送风口停止向蓄热墙送风，开始向房间送被加热的外部新风。b.对储能式太阳能热水系统而言，热水在外部太阳能热水集热模块与室内储能地板（或墙体）间直接循环，最大程度利用太阳热能。白天相变墙体和地板蓄热，晚上通过辐射方式，向房间散热。c.采暖季节出现阴雨天，采用夜间廉价电能或者生物质燃料锅炉采暖。d.相变墙体（或地板）在夏季可以实现夜间蓄冷或者单体空调蓄冷。活动盖板风机相变墙体相变地板太阳能热水器太阳能集热板太阳能热水送回管 图7 相变房间可再生能源利用简单原理图图8 沈阳地区太阳日总辐射年变化图以沈阳地区某一层平房为例，计算相变储能房间冬季太阳能利用的节能潜能。建筑面积为50 m2，采暖负荷为35KW，每天耗能237600KJ。取沈阳地区典型年采暖季1月份（太阳能辐射强度不利月，如图8所示）分析，该月中有3天为阴天，取连续三天平均的日辐射能为9757.8KJ/m2，按平均水平假定太阳能热水利用综合效率为50%，太阳能热风的利用综合效率为40%，在小楼屋顶放置太阳能热水集热模块，其有效集热面积35m2，在小楼正南面设置太阳能空气集热器，其有效集热面积17 m2，能够提供的总热负荷为237114.5KJ，刚好可以满足采暖要求。相变储能房间冬季太阳能合理利用，运行能耗不到普通采暖能耗的1/10，一个采暖季节能3.39107 KJ的热能，相当于节约3吨多的标准煤。4 结论 （1）相变储能房间节能技术涵盖面广，各方面都有人进行研究，其中模拟和在小尺寸样板房上的实验研究居多，在普通商用、民用甚至工业用建筑中使用相变储能技术的研究工作应该深入。 （2）相变储能房间技术的研究一般比较单一，技术集成研究有待突破。（3）相变墙房间可再生能源的利用技术方面的研究较为薄弱，具有极大节能和研究潜力。参考文献1 张国强,龚光彩等. 能源、环境与空调制冷J. 制冷学报,2000,3:1-62 Stovall T K, Tomlinson J J. 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