相变储能材料与建筑节能(彩图).doc

编者按：随着人们生活水平以及对工作与居住环境舒适度要求的提高，空调能耗随之大幅度增高，造成能源消耗过快、环境污染增加、电网负荷峰谷过大、峰负荷时电力供应严重不足等建筑能耗增加，目前欧美发达国家的建筑能耗已达到全社会总能耗的40 ，在我国建筑能耗约占全国总能耗的278，随着经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，建筑能耗的比重将进一步增加。因此，建筑节能材料和节能技术的开发与应用已成为当前建筑和建筑材料领域的热点问题之一。今天小编请来了我们设计群网最热衷技术革新的发明家会员山野之人，请他为我们设计师介绍一种新型建筑节能材料-相变储能材料及其在建筑节能方面的应用！让我们以鲜花和掌声欢迎山野之人先生-发明家会员：山野之人-设计群网的会员朋友们，大家好！我是山野之人，主持人称我是发明家，过奖了，不过本人确实非常喜欢发明创造，只要是我感兴趣的新技术新材料，我就会穷追不舍，不弄个明白是不罢休的，由此收获了许多发明专利，也算小有成就吧！今天我就来给各位设计师朋友介绍一种新型建筑材料-相变储能材料。相变储能材料与建筑节能一、什么是相变储能材料？相变-物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。不同相之间的相互转变，称为“相变”或称“物态变化”。从广义上来说，所谓相，指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分，它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。例如，在由水和冰组成的系统中，冰是一个相，水是另一个相。所以，简单解释：相变就是物质系统不同相之间的相互转变。固、液、气三相之间转变时，常伴有吸热或放热以及体积突变。这是常识，大家都知道，但是大家想没想过，利用物体相变产生的吸热或放热特点来调节我们周围空间的温度，让空间不用能源也能变得冬暖夏凉呢？我相信我们的前辈想过。大家如果看过电视剧【甄环传】，你就知道古代皇宫里就是利用冰与水的相变来控制温度的。所以说，相变储能一点都不复杂，只要你有办法能促进材料的相变，就一定能产生或者吸收热量，而不同的物体所适用的收集或者储存热量的方式是不同的。相变储能材料（Phase Change Materials，简称PCM）-相变储能材料是在发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境释放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的，由于相变物质在其物相变化过程(熔化或凝固)中，可以从环境吸收或放出大量热量，同时保持温度不变，可以多次重复使用等优点，将其应用于建筑节能领域不但可以提高墙体的保温能力，节省采暖能耗，而且可以减小墙体自重，使墙体变薄，增加房屋的有效使用面积，因此可以说，相变储能技术是实现建筑节能的重要途径。相变储能建筑材料是通过向传统建筑材料中加入相变材料制成的具有较高热容的轻质建筑材料，具有较大的潜热储存能力。使用相变储能建筑材料构筑的建筑围护结构，可以降低室内温度波动，提高舒适度，使建筑供暖或空调不用或者少用能量，提高能源利用效率，并降低能源的运行费用。相变储能材料与目前广泛应用的外墙外保温和内墙内保温材料相比，后者虽然可以降低能量的消耗，但由于材料本身的热容量有限，不能充分地将能量进行储存利用， 因而限制了建筑节能的能力。而相变储能材料应用价值的优势就在于它的大量相变热转移到环境中时，产生了一个宽的温度平台，让恒温时间延长，并可与显热和绝缘材料区分开。因而具有广阔的应用前景。 对于相变储能材料，比较系统的科学研究是在第二次世界大战以后展开。美国麻省理工的M.Telkes 和G.A.Lane 等人在相变材料的配制和性能研究、相平衡、结晶、相变传热、相变储能系统设计等方面做了大量工作。20 世纪70 年代初，第一次能源危机爆发，西方发达国家受到巨大冲击，但促进了社会和工程界对相变储能材料和建筑节能技术的重视，相变储能材料的理论和应用研究也得到了长足的进步和发展。目前，相变材料在建筑领域的应用已经成为其最为重要的利用途径之一，它在太阳能系统、工业余热利用、电力调峰、纺织业等都有很广泛的利用。可以预计，在今后相当长的时间里，相变储能建筑材料在环境材料和建筑节能等领域都将扮演极其重要的角色。二、相变材料的分类1、大量的有机材料、无机材料和共晶混合物因为特有的熔解温度和潜热储存能力而被定义为相变储能材料，已知的相变储能材料几乎可以满足任何温度范围的使用需求。相变储能材料可以按照材料的性质和组成进行分类，具体的类别如图1所示。2、不同相变材料优缺点的比较根据上述相变储能材料的分类，各种不同材料的优缺点见表1。表1不同种类的PCM的优缺点项目优点缺点有机相变材料（1）适应温度范围广；（2）固化时没有明显过冷现象；（3）结晶速率高；（4）与传统结构材料兼容性好；（5）化学性能稳定；（6）安全无毒，无腐蚀；（7）循环利用性能强；（8）熔解热高（1）固态时导热性能较低；（2）单位体积储热能力差；（3）容易燃烧；（4）和无机相变材料相比成本较高无机相变材料（1）单位体积储热能力强；（2）成本低廉，易于获取；（3）导热系数高；（4）熔解热比较高；（5）不易燃烧；（6）有明确熔点。（1）过冷是固-液相变中的主要问题；（2）有析出现象；（3）体积变化较大。共晶混合物（1）与纯物质相似，也有明显的熔点；（2）储热能力略高于有机混合物。研究开发不多，能够使用的这种材料有限三、相变材料在建筑节能上的应用1、研究相变储能建筑材料的意义尽管从中央到地方都在强调建筑节能，但我国建筑能耗的总量还是在逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从20 世纪70 年代末的10%，上升到近年的27.5%。国家建设部科技司研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35%左右。如果任由这种状况继续发展，到2020 年，我国建筑耗能将达到1089 亿t 标准煤，空调夏季高峰负荷将相当于10 个三峡电站满负荷能力，如此庞大的建筑耗能已成为我国经济发展的沉重负担。目前，我国已明确提出了“十二五”期间所要达到的建筑节能目标，而要实现这个目标，需要各种节能材料和节能技术的改善和发展。基于上述原因，从建筑节能的角度来看，对相变储能建筑材料的应用研究就十分紧迫了。相变储能建筑材料如果要在建筑物上达到大面积的应用，需要达到以下几个基本指标：（1）在指定的温度范围内能够储存和释放适当的能量；（2）能够在任何传统的建筑制品中使用；（3）施工人员在传统的结构上能够方便安装；（4）在现有设备基础上能够进行生产；（5）节能所获得的经济效益高于安装、使用相变储能建筑材料的费用。2、相变储能建筑材料的形成工艺相变储能建筑材料是将PCM加入到传统的建筑材料中。相变储能建筑材料能够做建筑结构材料，承受载荷；同时有具有较大的蓄热能力。目前主流的实施方法主要是：其一，共混而成，即利用两者的相容性，熔融后混合在一起而制成成分均匀的储能材料。许多新型固固PCM的不断开发，也推动了这一工艺的应用。其优点在于，结构简单，性质更均匀，更易做成各种形状和大小的建筑材料。其二，采用封装技术，即把载体基质做成微胶囊、多孔泡沫塑料或三维网状结构，再把相变材料灌注于其中，主要微观仍是发生固液相变，但在整个储能材料宏观上仍是保持其固体形状。其优点在于，无需容器成装，可直接加工成型，不会发生过冷现象，使用安全方便。其三，通过浸泡将PCM渗入多孔的建材基体中。其优点在于，可以使传统的建筑材料按要求变成PCM建材。各种方式优缺点相异。比如上图的PCM颗粒铺装工艺，由于地板的阻隔存在着导热缓慢、吸放热缓慢的不足的问题，而且价格太昂贵！还有，地板下铺装的PCM颗粒以及PCM建材相变次数在1万次左右，也就是20-30年寿命，寿命一到就要更换，地板下铺装的PCM颗粒更换起来工程浩大，PCM建材则无法更换！因此，需要采用易更换的PCM系统！下图显示的易更换内装物的PCM金属面板具备这个特点，但很多厂家生产的PCM金属面板都是挂墙板，而少见铺在阳光照射最充足的地面上！设计群网（）的母亲温室建筑工作室，刚刚研发并已申报专利的“封装PCM的金属盒地板、墙板”以及已获得专利的封装PCM的“砖瓶”（中国专利2011202404228），可直接铺设在地面上作为相变储能地板（地砖）使用，或作为相变储能墙板（墙砖）使用，1万次寿命一到，打开封盖倒掉老液体、灌入新液体，即可实现轻易更换！3、相变储能建筑材料在建筑节能中的应用（1）相变材料所储存的能量可以来自于主动或被动接收的太阳能，也可以是仪器设备、照明或生产加工过程的废热能，或者是一些热空气渗透、迁移所带来的能量，以及人类活动所产生的热能（如在教室、剧院、餐厅、厨房等）。显然，这些能源都是廉价的可再生能源或者是废弃的热能，如果无法得到回收和利用，就将流失浪费。因此，相变储能建筑材料在利用太阳能和废热能方面，有着积极的作用。（2）相变储能建筑材料的使用有助于能量在不同时间上的迁移。在我国的夏热冬冷地区或者高原许多地区，温差较大，如果将白天多余的热能迁移到夜间释放，则有助于人居环境的改善，采用相变材料能够做到这一点。（3）相变储能建筑材料的使用有助于能量在不同空间上的迁移。相变储能材料在建筑物的屋面使用时，可以起到收集太阳能的作用，收集到的能量可以通过热传导系统传递到房屋天花板、地板和墙体等部位并释放出来，从而使得能量在不同空间进行迁移，以满足人们的使用需求。（4）相变储能建筑材料可以有效改善人居环境，降低建筑物制冷或制热设备的负荷。降低建筑物室内温度波动、缩减各种热能设备、降低能源支出和提供健康舒适的室内环境，可以利用低峰电力、削峰填谷、降低电能消耗、缓解电力紧张。（5）现代建筑向高层发展，要求所用围护结构为轻质材料。但普通轻质材料热容较小，导致室内温度波动较大。这不仅造成室内热环境不舒适，而且还增加空调负荷，导致建筑能耗上升，在轻质建筑材料中加入相变材料是解决这一问题的有效方法。4、相变储能建筑材料在建筑节能中的应用实例：（1）在相变建筑围护构件应用研究方面，美国Los Alamos国家实验室(LANL)的研究结果显示，使用相变墙能使建筑的逐时负荷趋于均匀化，因此可使空调设备选型减少约30。（2）加拿大的Athienitis等在被动式太阳房中使用相变墙板，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小时以上，夜间相变墙板的表面温度可比普通墙板高3.2，因而可在很大程度上改善房间热舒适性。（3）芬兰的Peippo等把相变墙用于直接得热的被动式太阳房中，通过数值模拟和分析，认为相变温度应在平均室温之上1-3，其节能量为5-20%，且与气候条件有关。（4）德国柏林热带植物温室：5、相变储能材料在建筑节能中的前景展望?相变材料作为高效的储能物质，在建筑节能领域具有良好的应用前景是毋容置疑的。但是尽管相变储能建筑材料已经逐步进入了实用阶段，还是存在着以下的问题：首先，目前的研究主要集中在价格便宜的无机盐类和石蜡，但由于存在各自的缺点，在实际应用中受到了制约；其次，相变储能建筑材料保温隔热性能的测定是一个研究难点。相变传热本身具有非线性的特点，同时还伴有液相流动、体积变化、相变材料与器壁间热阻等负杂因素，使得对其热工性能的分析变得非常困难；再次，PCM与基体材料融合性问题。PCM与基体材料的相容性、长期稳定性、结合形式都会对相变储能建筑材料的结构强度、应力变化等性能发生影响。最后，相变储能建筑材料的使用需要考虑相变材料的种类，相变温度范围，与传统材料复合的百分比，使用区域的气候以及使用建筑物的结构等因素。相变储能建筑材料的热传递模型，各种构件和相变系统的设计等方面，仍然需要进一步研究。不过随着新型PCM的不断研究和开发，新的测试技术的逐步完善，相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地，其应用前景也会随着人们对建筑节能的重视越来越广阔。总之，随着人们对相变材料的不断研究开发以及新的测试技术的发展，相变材料在建筑材料中应用的广度和深度都将不断得到拓展。另外：相变蓄能建筑材料的标准正在制定中，相信这个产品会有着很大的市场前景。四、相变建材与太阳能的结合应用：相变材料的应用研究已经受到各国建材界的重视，不断取得新的进展。利用相变材料贮热和放热的特性，做成的贮热节能装置和温控系统具有以下优点：装置简单；使用方便；节能效率高；管理和维修简便；经济效益好。但是，相变材料仅仅是储能材料，功能再完美如果没有能源也只能是巧妇难为无米之炊，当今世界性的化石能源紧缺，所以，太阳能就变成了大自然免费大派送给人类的礼物！让相变储能材料充分吸收储存太阳能是未来建筑节能的研究和发展方向！这非常值得我们建筑师关注！材料界正在研究采用各种各样复合技术的节能材料。如太阳能新风与相变储能复合技术的应用，就为降低建筑能耗的同时改善建筑环境的舒适性提供一种新的途径。太阳能新风系统又称为“太阳墙”系统，其本质上属于被动式太阳能系统，冬季，太阳能新风系统为建筑提供新风，以及热量；夏季，可以防止太阳辐射产生的热量透过围护结构进入室内。尤其对于北方严寒地区密闭良好的建筑来说，冬季获取新风和保持室内适宜温度很难兼得，而太阳能新风系统可以把预热的新鲜空气送入室内，解决了密闭良好建筑存在的问题。所以安装太阳能新风系统的房间比无太阳能新风房间的温度可以提高12，尤其在日照充足的冬天，最高可以将室外空气加热到40左右。相变地板采用以聚乙烯树脂封装有机相变材料和混凝土直接混合的形式，封装后的相变材料和混凝土混合后稳定性和材料的热性能都基本不变。利用相变材料的特性进行储放能量，达到降低室内温度波动，提高热舒适性的目的。二者的结合，可以有效地把白天