相变储能材料在节能建筑中的应用

相变储能材料在节能建筑中的应用

1外墙节能改造是我国建材行业面临的新课题随着世界能源危机的日益增加，如何节约能源，有效利用能源已成为人们的目标和研究热点。尤其在我国建筑领域,建筑节能已深入人心,寻求新的建筑材料来降低建筑能耗,提高室内环境热舒适度,是我国建材领域面临的新课题。相变储能材料能将一定形式的能量在特定的条件下贮存起来,并在特定的条件下加以释放,有效地降低了能源消耗,收窄室内温度的波动幅度,改善了室内环境,是建筑节能领域具有良好发展前景的一种新型建材。2潜热储能材料的应用一般储能材料按照蓄热方式的不同,可分为潜热储能、显热储能和化学反应储能三类。显热储能材料虽然在操作性方面比较简单方便,但是材料自身的温度也在不断变化,其释能的诱导条件来源于周围环境,因此无法达到控制环境温度的目的,并且该类材料贮能密度较低,装置体积大,因此它的应用价值不是很高。化学反应储能材料虽然具有储能密度大的特点,但应用技术和工艺太复杂,目前仅在太阳能领域受到重视,离实际应用尚较远。而潜热储能材料(也叫相变储能材料)是利用材料自身相变过程中吸热或放热来进行储能或释能的,其材料蓄能密度大、效率高,吸热或放热不影响环境温度变化,被广泛用于太阳能利用、废热回收、智能空调建筑物调温、控温、工程保温隔热材料等各个领域。随着科学技术的进一步提高,相变储能材料与传统的建筑材料相结合,在生产、施工,尤其是节能等方面具有很大的优越性,因此相变储能材料的研究和应用是推动我国建筑节能深入发展的新途径之一。3能源材料在节能建筑中的应用3.1变储能材料的特点将相变材料掺入到现有的建筑材料中,制成墙体、地板、天花板等建筑结构,具有良好的蓄热性能。使用相变储能材料作为建筑的围护结构,不仅可以大大增强围护结构的隔热功能,提高能源的利用率,而且还具备以下特点:(1)减弱建筑物室内和室外之间的热流波动幅度,延迟作用时间,从而降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷,节约能源;(2)提高墙体的蓄热能力,减少建筑物负荷和温度波动,改善室内环境舒适度。3.1.1相变材料围护结构对建筑物能耗的影响相变储能墙体材料是一种新型的建筑材料,它利用相变调温机理,通过蓄能介质的相态变化来实现对热能储存,从而根据环境温度的变化自动调节室内温度。当环境温度低于一定值时,相变材料由液态凝结为固态,释放热量,当环境温度高于一定值时,相变材料由固态熔化为液态,吸收热量,使室温相对平衡。与普通的墙体材料如加气混凝土砌块、多孔砖、空心砖等材料相比,有相变储能材料的围护结构不仅蓄热效果明显,而且还具有改善室内环境,减少建筑物能耗的特点。从图1有相变材料和无相变材料(普通墙体材料)围护结构构成的建筑物室内温度随时间的变化规律可以看出:有相变储能材料的围护结构由于相变材料的蓄热特性,其构成的建筑物房间温度波动要小于无相变材料围护结构构成的建筑物,提高了房间舒适度。另一方面,从室外通过相变建筑围护结构传向室内的热流滞后且小于无相变材料围护结构,且热流的波动较小,减轻了传热量,从而减小了建筑物的负荷。因此,使用相变储能墙体材料,可以将能源二次利用,收集多余热量,适时平稳释放,有效降低损耗量,调节室温趋于稳定。并可充分利用夜间低价电蓄热,供次日白天作辅助热源,减少空调、暖气使用时间和空调开启次数,有助于它们避开用电高峰工作而平移用电时间,从而达到节能降耗的目的,具有可观的社会效益和经济效益。3.1.2提高建筑物的自调节能力相变储能采暖地板是通过将相变材料与地板材料基体复合制成的储能地板,由于相变材料的蓄热特性,增加了地板的热惰性,使室内外之间的热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟,易于室内温度的调控,提高了建筑物的温度自调节能力。同时它还可以利用低品位的热源或太阳能以及夜间廉价电运行,提供全天的采暖。减少了采暖地板结构厚度,减轻建筑物自重,具有节能降耗和提高舒适度的作用。应用于相变采暖地板结构中的相变材料必须要满足其相变温度在地板采暖容许的范围内,且具有较高的相变潜热,同时还要满足化学性质稳定、不泄漏、长期循环不变质、与建材相容等特点。3.2独立储层材料在加热系统中的应用3.2.1空气及辅助加热器带相变蓄热器的空气型太阳能供暖系统由空气型太阳能集热器、集热器风机、相变蓄热器、负荷风机以及辅助加热器组成。空气在太阳能集热器和相变储热器之间,相变储热器和负荷之间形成两个循环环路。相变蓄热器包含多个供空气流动的矩形断面的通道,这些通道相互平行并用相变蓄热相变材料隔开,利用相变材料蓄存白天的太阳能并在夜间加热通道内送风,以满足夜间房间负荷的需要。3.2.2蒸发器侧冷媒水系统带相变蓄热器的太阳能水源热泵供热系统,热泵机组的冷凝器作为空气加热器置于供暖房间,蒸发器侧冷媒水系统由太阳能集热器、相变蓄热器、蒸发器以及循环水泵组成,相变蓄热装置为壳管式结构,相变材料被封装于管侧。该系统利用相变储能材料蓄存吸收太阳能,并通过冷媒水将太阳能释放给蒸发器内制冷剂,从而达到供暖通风的效果。3.2.3内通热水热水供热相变蓄热地板辐射供暖系统是利用相变储能材料将白天的太阳能或夜间廉价的电力进行储热,并通过固定于相变材料中的电加热丝或紧贴相变材料层的水管(内通热水作为热媒),将储存的热量传递给其上面的热阻材料和地板层,从而达到供热的目的。这种供暖系统不仅将地板辐射供暖系统所需热媒的温度较低、热舒适性好的特点与相变材料蓄热储能效果好,温度波动稳定特点相结合,而且充分地利用了太阳能等各种廉价的低品位能源,系统的节能效果将非常显著,是适合于太阳能集热器、热泵等作为热源的理想供暖方式。3.3内部夹紧元件的应用3.3.1空调系统关闭该空调系统利用吊顶内的空间向房间内送风,不必设置专用的风道,系统简单、造价低。夜间电价低时,空调系统通向房间的送风阀关闭,空气在天花板和楼板之间的吊顶空间内循环流动,冷却天花板和楼板,楼板中的相变材料发生相变以储存冷量;日间送风阀打开,送风被楼板冷却后送到空调房间内,满足房间负荷的需要。同常规的吊顶空调相比,采用相变储能的吊顶送风方式房间内不会出现峰值负荷,比较经济。3.3.2平板式容器相变蓄冷空调新风机组是设置有平板式相变储换热器的新风机组。板式储换热器结构简单,由一组扁平的平板式容器堆积组合而成,每两个平板式容器之间用扁平的矩形风道隔开。相变材料封装在平板式容器中,容器中还装有若干水平水管,埋在相变材料中。利用夜间廉价的电力进行蓄冷。蓄冷时通入冷媒水,冷媒水将冷量传递给相变材料,使其凝固蓄冷;释冷时,室外新风通过风道,相变材料熔化释冷,使空气降温然后送入室内。4相变储能技术节能建筑是建筑业可持续发展的重要手段之一。在节能建筑中,相变储能材料的使用可以充分利用太阳能、季节温差能等可再生能源,有效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,也可以利用低峰电力、削峰填谷、降低电能消耗、缓解电力紧张,是建材领域中一种具有很大发展潜力的新型材料。近年来,随着高层建筑的快速发展,大量采用轻质建筑材料,而轻质建筑材料的热容比较低,不利于平抑室内温度波动。在轻质建筑材料中加入相变物质是解决这一问题的有效方法。将相变物质储藏在多孔的建筑材料中,使这些建筑材料同时具有承重和储能的双重功能,成为结构、功能一体化建筑材料。采用这样的多功能建筑材料,无需占用额外建筑空间,降低建筑成本,是性价比较高的新型建筑材料,具有明显的市场竞争力。目前,关于相变材料的研究和应用工作还处于起步阶段,其相变储能机理还有待进一步探明,其热工性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。对于相变储能材料而言,今后其在节能建筑中的发展主要体现在以下几个方面:进一步筛选符合环保的低价的有机相变储能材料,进一步提升相变储能建筑材料的生态意义。继续探讨相变储能材料与普通建筑材料的结合方式,并加强对在普通建筑材料中掺入相变材料后,相变材料与多孔隙建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热特性的研究,提高其应用性能的有效途径。针对相变材料的应用领域,开发多种复合手段和复合技术,研制出多品种的系列复合相变材料。结合建筑材料与暖通空调等领域,针对不同的使用条件(包括气象条件),开展房间热过程的数值模拟研究和与模拟研究对应的实验研究,对如何利用相变储能建筑材料使节能建筑达到最佳的节能效果进行探讨。对相变储能材料自身耐久性、经济性、储能性能进行研究,寻求物理性能良好,不易破坏,性价比高的小巧和轻便的高储能材料。5暖