贮热相变材料应用

1引言

我国能源现状人均能源储备量少，远低于世界平均水平。能源开发利用设备和技术落后，能源利用效率低，浪费严重。环境污染严重。第1页/共90页2中国人口众多，资源相对不足，许多重要资源人均占有量远低于世界平均水平。我国石油可采资源总量为150~200亿吨。其中2020年以前可供勘探利用的资源总量为150亿吨，2020~2050年随着技术进步和领域拓展，可供勘探利用的资源总量有望再增加50亿吨，达到200亿吨。石油资源总量在世界排第六位、亚洲排第一位。我国天然气可采资源总量为14~22万亿立方米，其中2020年前可勘探利用的资源总量为14万亿立方米，2020~2050年可勘探利用的资源总量再增加8万亿立方米，达到22万亿立方米。天然气资源总量列世界第五位、亚洲第一位。第2页/共90页3附能源标准煤的折算系数=某种能源每千克实际热值/每千克标准煤热值（7000千卡）。第3页/共90页4我国能源现状2006，我国能源利用效率仅为34%，相当于发达国家20年前的水平，相差10百分点。一次能源生产总量增长11%，石油1.8%。从能源消费来看，按1990年不变价格计算，每万元GDP能耗从1990年的2.68吨标准煤下降到2007年的1.06吨标准煤，降幅超过60%。从能源生产来看，2007年我国平均每千瓦时发电煤耗为357克，较之“十五”期间下降了20克左右。

第4页/共90页2014年7月19日,美国节能经济理事会(ACEEE)发布报告称，16个最大的经济体中，美国在能源利用效率方面仅得42分，排在第13位。满分100，中国得61分排第四，在建筑领域能源利用率得分19，居世界第一。2012年在12个经济体中，美国排在第9位。第5页/共90页第6页/共90页第7页/共90页8我国能源现状广义上的建筑能耗包括建筑运行使用能耗和建材生产与建筑建造过程的能耗，节能的重点和技术措施也有不同。

我国的建筑能耗现状与趋势

我国建筑总能耗约占社会终端能耗的20.7％。其中，北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为1.6亿吨标煤/年，占我国2004年煤产量的11.4％；建筑用电和其它类型的建筑用能（炊事、照明、家电、生活热水等）折合为电力，总计约为5500亿度/年，占全国社会终端电耗的27％～29％。

我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的10%，上升到27.45%(2014年)。

第8页/共90页9目前我们全国房屋数量有400亿平方米左右，房屋建筑规模已超过所有发达国家。但在每年近20亿平方米的竣工面积当中，只有五六千万平方米是节能建筑，只占3%左右，97%属于高耗能建筑。北京市一般住宅的采暖能耗基准数是25公斤标准煤，搞了节能措施以后实际能耗是23.9公斤标准煤。而在气候条件相同的德国，其新建房的采暖能耗已经从上个世纪70年代的24到30公斤标准煤降到现在的4到8公斤。我国每年盖的房子普遍是节能很差的房子，如果这一状况不加以改进，建筑能耗的未来将非常沉重。第9页/共90页10电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%；机动车油耗水平比欧洲高25%，比日本高20%；单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2倍—3倍。

第10页/共90页11全国水电与火电发电情况05年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月水电发电量181.4166.2209.9254.4347398.6404.2389.8374365.3293.6244.2火电发电量1650.51376.81675.61586.71521.31553.81717.31712.11622.51592.41696.91953.3数据来源：国家统计局《2014年电力工业运行简况》2014年我国水电装机容量和发电量分别历史性突破3亿千瓦和1万亿千瓦时，火电发电量则首次出现下降。2014年全国非化石能源发电量已占到25%左右（火电量占75%左右）。也就是说，全国每5千瓦时电中约有1千瓦时水电和0.25千瓦时其他非化石能源发电，或者说，每4千瓦时电中已经有1千瓦时为非化石能源发电。2014年水电以外的清洁能源发电量情况为：风电1563亿千瓦时，核电1262亿千瓦时，太阳能发电突破200亿千瓦时达231亿千瓦时，同比分别增长12.2%、13.2%和171%，共占全国发电量5.6%左右，比上年提高0.7个百分点。第11页/共90页12电力电能供给相对恒定，需求变化不定。由于工业、商业和住宅的需求，电能消费在白天和夜晚的变化很大，特别是在极端气候地区的空调和采暖的耗电。这种变化导致不同的峰谷电价，如果能把波峰电负荷转移到用电波谷处，则会产生更好的经济效益。可用贮热或蓄冷的方式达到这一目的。第12页/共90页13工业余热电厂钢厂玻璃水泥石化第13页/共90页14可再生能源太阳能太阳能供给变化较大。太阳能的应用需要有效的热能贮存，有效的应用在很大程度上依赖于能源贮存。风能生物质能第14页/共90页15相变材料从八十年代开始，PCM（PhaseChangeMaterials）已作为贮热材料应用于太阳能建筑。用PCM强化石膏板、混凝土和其它砖块的热性能，以降低室内温度的波动，提高舒适性。第15页/共90页16第二节集中空调的相变贮能系统削峰填谷——分时计价：缓解或调节电网负荷，节约用户开支蓄冷空调：制冷剂直接蒸发制冰系统；利用盐水不冻液间接冷却制冰系统；热管式蓄冷系统；冰球式蓄冷系统。电能蓄热。公共场所需求较高。第16页/共90页17制冷剂直接蒸发制冰系统第17页/共90页18利用盐水不冻液间接冷却制冰系统第18页/共90页19热管式蓄冷系统

第19页/共90页20冰球式蓄冷系统第20页/共90页21蓄冷系统的设计部分蓄冷，全部蓄冷负荷经济性运行工况及耗电量系统控制第21页/共90页22

第三节PCM在建筑节能中的应用主动式部件建筑构件第22页/共90页23建材构件注入PCM的石膏板注入PCM的砖块地板百叶窗天花板墙体添加阻燃材料第23页/共90页24Peippo等展示了在Madison,Wisconsin(43N)的120m2

房屋，每年节约4GJ(约占全年的15%).最佳状况是熔点温度高于室内平均温度1–3℃。第24页/共90页25第25页/共90页26第26页/共90页27第27页/共90页28第28页/共90页29第29页/共90页30第30页/共90页31主动式系统--例一采用空气作传热介质时，相变贮能装置的贮热体积比显热贮热的小得多，且易于控制；右图为标准的太阳能空气采暖的原理图，所用相变材料可以是无机盐或石蜡；第31页/共90页32主动式系统--例二右图是另一种以空气为工质的太阳能供暖系统，采用的是回转圆筒型相变贮热装置。该实验将十水硫酸钠装入250升的钢制容器中，PCM只占该回转容器的95%（否则转不动）。从容器的一端沿回转轴插入管状结晶核发生装置（解决过冷问题）。安装在滚筒上的小型电动机以每分钟3转的速度回转，可保证容器内的蓄热材料均匀（解决析晶）。第32页/共90页33建筑部件—PCM的选择使用PCM作建筑贮热材料有以下优点：相变过程基本上在恒温下进行，有利于把温度变化维持在较小的范围内，提高舒适度；PCM的单位体积贮热密度高，可大大缩小贮热系统的体积。第33页/共90页34建筑部件—PCM的选择在建筑应用中，相变材料的融点应接近所需求的室温：十水硫酸钠、六水氯化钙以及石蜡是合适的材料，这些材料加入适当的混合物后可以做成墙、地板、天花板，应用于诸如直接受益式、附属温室型、贮热水墙式、Trombe墙等被动式采暖系统中；另外，羧酸、多元醇等有机化合物相变材料可灌入普通建筑材料中，特别适用于被动式太阳房。第34页/共90页35建筑部件—与建筑构件的组合传统PCM的三条使用途径将相变材料密封在合适的容器内；将相变材料密封在建筑材料中；将相变材料直接与建筑材料混合；定形相变材料直接应用胶囊第35页/共90页36将相变材料密封在合适的容器内（途径一）将PCM封装在由铁或塑料等做成的合适的容器内例：将加入适当成核剂的十水硫酸钠或六水氯化钙封装在由HDPE制成的容器中第36页/共90页37将相变材料密封在建筑材料中（途径二）为防止相变材料的泄露，通常使用一些特殊的封接剂，如：用尿烷煤焦油做六水氯化钙的封接剂，做成轻质水泥砖；或用聚酯做封接剂，制成泡沫水泥瓦；不用普通水泥而用聚酯黏结剂和甲基丙烯酸甲酯添加剂组成的高分子混凝土制成砖瓦；需要注意的是由于相变材料与建筑材料的不相容性而引起的材料长期使用后的变质问题。第37页/共90页38将相变材料直接与建筑材料混合这种方法的好处是结构简单、性质更均匀、易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同需要。主要的工作有：D.W.HawesandD.Feldman,Absorptionofphasechangematerialsinconcrete,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:91-101.D.W.Hawes,D.BanuandD.Feldman,Thestabilityofphasechangematerialsinconcrete,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:103-118.H.Kaasinen.Theabsorptionofphasechangesubstancesintocommonlyusedbuildingmaterials,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:173-179.第38页/共90页39Absorptionofphasechangematerialsinconcrete

D.W.Hawes.Centreforbuildingstudies,ConcordiaUniversity,CA研究了水泥建筑材料对贮热相变材料的吸收和保持的机理，建立了水泥构件（多孔介质）浸于液态相变材料中的浸润时间、吸收面积与所吸收的相变材料的关系方程，分析了温度、液态相变材料的黏度、水泥密度、氢键对相变材料在水泥构件中穿透状况的影响，并对水泥构件中的空隙率及它们被相变材料填充的方式做了观测和讨论。对四种常用建筑水泥及其与筛选出的六种相变材料间的相容性、结合性能及稳定性进行了实验研究，得到了具有良好热性能及稳定性的相变材料-水泥组合。研究结果还表明，采用经改进后的水泥后相变材料的稳定性有所增加，这种效果对碱性较强的水泥尤其明显。第39页/共90页40Theabsorptionofphasechangesubstancesintocommonlyusedbuildingmaterials

H.Kaasinen,TechnicalResearchCentreofFinland研究了常用建筑材料（石灰板、木屑板、多孔墙板、多孔水泥砖、水泥-沙-石灰合成砖等）对相变材料（羧酸、多元醇）的吸收问题。指出：羧酸进行的是固-液相变，建材吸饱羧酸后必须涂一密封层；多元醇在实际应用中发生的是固-固相变，将建材浸在其溶液中，吸收饱和后使溶剂蒸发完即可使用。其优点是不需考虑密封问题，缺点是建材对其吸收能力差，因而制成的构件热容量不大。第40页/共90页41Capricacid羊醋酸Lauricacid十二烷酸Myristicacid肉豆蔻酸Neopentylglycol(NPG)新戊二醇Neopentylglycol(NPG)Pentaerythritol(PE)季戊四醇Pentaerythritol(PE)季戊四醇第41页/共90页42PorouswallboardWood-particleboardGypsumboardCellularconcrete(多孔)timberbrickconcreteabsorptionofcarboxylicacidinbuildingmaterials第42页/共90页43第43页/共90页44Porouswallboard第44页/共90页45第45页/共90页46第46页/共90页47建筑部件—蓄热天花板夜间供暖系统利用百叶窗式反射镜，将太阳反射到天花板上铺设的片状相变材料上，白天蓄热，晚上供暖；片状物由预制的塑料混凝土制成，其中封入由38%wt硫酸钠，3%硼砂，8%氯化钠，3%二氧化硅粉末和48%的水混成的相变材料；氯化钠起降低融点的作用，硼砂和二氧化硅起促进结晶的作用；蓄热材料的共熔点为22.8度；实验表明能使室内温度维持在20度左右第47页/共90页48建筑构件—墙体（美国）1978年，美国Delaware大学的InstituteofEnergyConservation

研究了一种相变贮热墙板，以十水硫酸钠为贮热介质。墙板面积为2平方米，内装57根HDPE圆管。实验中，该墙板装在双层玻璃窗后，经一天日照，在玻璃外盖上隔热层，开动电扇，由空气将墙板所蓄热量带入室内。测试数据见后图。第48页/共90页49第49页/共90页50建筑构件—墙体优化（P.Kauraen）熔点被认为是被动式潜热贮热优化运行中最重要的参数之一。最佳融化温度取决于气候条件，较典型的值在20-25度之间。鉴于此，P.Kauraen等人提出气候条件优化的PCM墙板的概念。PCM墙是直接受益式被动太阳房贮热元件。能量平衡模拟表明，PCM的融化温度可以调节在与气候条件特定的最佳温度相差正负1度的范围内，此时贮热性能最佳。非最佳融化温度将大大降低潜热贮存容量，偏差3度就会造成50%左右的损失。P.Kauraen等人已开发出一种新的通用方法，可制备出在20-30度温度范围内融化温度可调的羧酸混合物。由于工业级羧酸很易得到，且具有很好的结晶性能。可望在被动式太阳能热利用领域中推广。第50页/共90页51建筑构件—PCM墙体与水墙的比较（法国NICE）法国Nice测试房见右图（1979）；中间集热墙面积为2.8平方米，由26根管径为5cm，内装100公斤chliarolithe(?PCM)构成；实验与67公斤水墙做了比较；有类Trombe结构。第51页/共90页52Nice实验结果多云晴天雨天第52页/共90页53建筑构件-热二极管墙体（Bourdeaus）PCM直接放在水泥板内；白天，空气通过空气加热器，被加热，同时将热量传给PCM；夜间，贮热单元与空气加热管间的通路被切断，贮热单元向室内放热，使夜间室内的平均温度高于环境温度10-15度第53页/共90页54建筑构件（美国LosAlamosScientificLab）在Trombe砖石墙中放置了装有chliarolithe的HDPE平行管，放在双层玻璃后的木架上。第54页/共90页55第55页/共90页56PCM墙性能的模拟研究

BourdeausLE,Studyoftwopassivesolarsystemscontainingphasechangematerialsforthermalstorage,LosAlamosScientificLaboratory,ReportNo.LA-UR-80-1669.可用于设计PCM墙体的厚度。为被动式太阳房的特征参数，是负荷与集热面的比值，AP是实际采光面在垂直面上的投影面积。第56页/共90页57相变蓄能与合适通风相结合—夏季空调

HEFeusttel,StetiuC.Performanceevaluationofphasechangewallboardforresidentalcoolingapplication,LBL-XYZAB,UC-1600,1994,Berkeley,USA.在夏季昼夜温差较大的地区，不用常规空调即可达到维持室内热舒适的目的。他们在墙体材料内加入了石蜡，以增大墙体的蓄冷能力。第57页/共90页58PCM在被动式太阳房中应用综述

SwetCJ,Phasechangestorageinpassivesolararchitecture,Pro.OftheFifthNationalPassiveSolarConf.,UniversityofDelaware,NewYork,282-296.认为十水硫酸钠、六水氯化钙和石蜡是合适的PCM；这些PCM可用在墙内、地板中、天花板上。第58页/共90页59建筑构件—相变蓄热辐射式地板舒适度高；清洁；电差价；NPG。第59页/共90页60第60页/共90页61第61页/共90页62第62页/共90页63第63页/共90页64第64页/共90页65第65页/共90页66第四节相变材料在太阳能热利用中的应用热水器发电第66页/共90页67第五节其他应用第67页/共90页68第68页/共90页69第69页/共90页70第70页/共90页71第71页/共90页72第五节温控航天器电子元件第72页/共90页73相变纤维美国隆孟特市（Longmont）的纺织测试和创新研究所的巴巴拉·伯斯（BarbaraPause）博士所强调的，热效率是相变材料涂层隔膜的一大优点，应用单层相变材料，可以代替目前使用的多层涂层结构，这样将节约大量材料。第73页/共90页74相变纤维纤维用相变材料的一个重要指标，即相变过程必须保持蓄热性能的稳定，无过冷、过热现象，在洗涤等使用过程中蓄热性能不损失、不变化。通常具有使用价值的纤维用相变材料的使用寿命一般大于1000次循环。第74页/共90页75相变纤维用于纺织调温纤维的石蜡烃主要是含有12-24个碳原子的直链烃，其相变温度为18-40℃，相变潜热为200-300kJ/㎏。其优点是石蜡无毒性、不腐蚀、不吸湿、潜热大，一般不过冷、不析出、性能稳定，且由于石蜡类化合物是石油精练的副产品，故其价格尤为低廉，但石蜡导热系数小，通常采用添加金属粉末、石墨粉的方法强化导热。第75页/共90页76相变纤维当人体处于热平衡时，感觉舒适的皮肤平均温度在33.4℃左右，身体各部位的皮肤温度与皮肤平均温度的差在1.5-3.0℃范围内，人体感觉不冷不热，若温度差超过4.5℃范围，人体将有冷暖感。第76页/共90页77相变纤维相变纤维能够根据外界环境温度的变化，在一定的温度范围内自由调节纺织品内部温度，当外界环境温度升高时，可储存能量；当外界环境温度降低时释放能量，使纺织品内部温度波动相对较少，人穿着、使用时会感觉更加舒适。相变纤维的保温机理无论对变形、水分或气压都不敏感，无过闷、厚重感觉，能为人体提供舒适的微气候环境。第77页/共90页78相变纤维浸渍法复合纺丝法微胶囊法微胶囊法是目前加工相变纤维最先进的方法之一。第78页/共90页79宇航设备1992年，Triangle公司将正二十一烷和正十八烷双组分相变材料包封于微胶囊中，制成相变材料微胶囊，用于宇航设备的降温处理。美国Outlast公司于1997年将Triangle公司的微胶囊整理织物技术实现了商业化。由这些纤维或织物制成的服装能够使身体损失的热量降到最低，从而使人的身体处于