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用于住宅和商业建筑热管理的相变材料建筑结构

摘要：

如何高效、经济的将大量冷热储存在一定的体积内一直是人们研究的课题。在建筑的热交换过程中，储热相当重要，它能有效的帮助在建筑中加入潜热储存（LHS）。相变材料中的潜热储存由于具有较高的存储密度和较小的温度摆动而具有很大的吸引力。研究表明，在建筑织物蓄热系统的开发中，除了相变材料的传热机制外，相变材料（PCM）的选择是很重要的。建筑物墙壁、天花板和地板中的热能储存可以通过在这些表面封装或嵌入适量的相变材料来增强。它们既可以直接吸收太阳能，也可以通过自然对流吸收热能。提高建筑物的蓄热能力可以通过减少室内空气温度波动的幅度来增加人体舒适度，从而使室内空气温度在较长时间内更接近所需要的温度。本文旨在收集早期有关建筑用相变材料的发展、选择相变材料有关的问题以及用于房间制热和制冷应用的各种方法的资料。

关键词：潜热储能；空间供暖；空间制冷；建筑节能；相变材料；封装

1. 简介

世界各地的科学家都在寻找新的和可再生的能源，其中一个选择是开发储能装置，这与开发新能源同样重要。热能储存系统有实现节能的潜力，从而减少了与能源使用相关的环境影响。事实上，这些系统为改善能源供需不匹配提供了一个有价值的解决方案，潜热储能是一个相对较新的研究领域，在70年代末80年代初的能源危机中受到了广泛的关注，并被广泛应用于太阳能供暖系统。当能源危机平息后，人们更少注重潜热储存，尽管对太阳能潜热储存的研究仍在继续，但近年来，在余热回收、发电负荷均衡、建筑节能和空调应用方面的研究越来越多。

在过去的十年中，随着空调需求的大幅增长，对电力的巨大需求和化石燃料的有限储备导致了人们对高效能源应用的兴趣上涨。根据工业、商业和住宅活动的需求，白天和晚上的电能消耗差异很大。在冬冷夏热的国家，负荷变化的主要原因分别是空调和家庭空间供暖。这种变化导致能源使用高峰期和非高峰期的价格差异。如果将部分峰值负荷转移到非峰值负荷期，则可以实现更好的发电/配电管理和显著的经济效益，而非峰值负荷期可通过住宅和商业建筑设施中的热能储存实现供热和制冷。

将各种间歇能源整合到一个供加热和冷却的系统中，最终需要将蓄热器结合起来。任何特定应用都可以包含一个或多个能源和系统输出。建筑质量越大，对冷暖需求的变化反应越缓慢。图1显示了基于新的可再生能源和蓄热的综合能源系统的概念图，该图显示了利用当地天气预报，通过主动而非被动控制来优化系统输出效率。

许多著名的科学家已经研究或测试了许多相变材料的不同实际用途。本文将提供有关住宅和商业建筑热管理的不同相变材料和系统的大量实用信息，随后是现有系统的使用情况和基于潜热储存技术的建筑综合能源系统未来可能的发展方向。

1. 热能储存

热能储存可以作为物质内能的变化来储存和回收，如显热、潜热以及热化学反应或它们的组合。在显热储存（SHS）中，热能是通过提高固体或液体的温度来储存的。显热储存系统利用材料在充放电过程中的热容和温度变化。储能的多少取决于介质的比热、温度变化和储能材料的多少。潜热储存是基于储存材料从固态转变为液态或液态转变为气态时的吸热或释放，反之亦然。与显热储存系统相比，潜热储存系统具有一定的优势。最重要的是单位体积每单位质量的能量密度更高。热化学系统依赖于在完全可逆的化学反应中分子键断裂和重组时吸收和释放的能量。在这种情况下，热能储存取决于储存材料的数量、反应过程中吸收的热量和转化程度。

在上述储热技术中，潜热储热由于具有提供高储能密度的能力，以及在与相变温度相对应的恒温下储热的特性，特别具有影响力。潜热储存可以通过固-液、液-气、固-气和固-固相变来实现。然而，固-液和固-固转变是有实际意义的。固体-气体和液体-气体系统的效用有限，因为这类系统所需的体积很大。在这两个实际系统中，固液系统是研究最多、最常见的商用系统。固体-固体系统显示出许多前景，但只是最近才被研究。热储存可以用来储存冷或热的能量，这些能量可以自由使用，也可以只在特定的时间内非常有效地产生。

• 1. 相变材料

与传统的显热储存方法不同，相变材料能提供更高的储能密度，并且在几乎恒定的温度下储存和释放热量。相变材料可用于有源和无源的空间加热和冷却系统。通常来说，相变材料可以封装在建筑材料中，例如混凝土，天花板或地板中的石膏板，以增加其储热能力。它们既可以直接吸收太阳能，也可以通过自然对流吸收热能。 目前已经对用于空间加热和冷却的相变材料的应用进行了大量研究，但是其使用的系统有限。表1显示了潜热储存材料的选择标准。

表1.潜热储存材料的选择标准

• 1. 相变材料的分类

在任何温度范围内都有大量的相变材料可以使用。相变材料的分类、优点和缺点在图2和表2中给出。有大量的有机，无机和共晶材料，从熔化温度和潜热的角度可以看作是相变材料的融合。由于没有一种材料可以具有理想的热存储介质所需的所有特性，因此必须使用可用的材料，并通过适当的设计来弥补其较差的物理特性。例如，可以使用金属翅片来增加相变材料的热导率，可以通过在热存储材料中引入成核剂来抑制过度冷却，并且可以通过使用合适的厚度来减弱不一致的熔化。由于它们的热和化学行为差距较大，每个子组的性质会影响使用该子组的相变材料的潜热热能储存系统的设计。

表2.不同相变材料的优缺点

优点

缺点

1. 用于建筑供热或制冷用相变材料的开发

相变材料在建筑物中的应用可以有两个不同的方向。首先，使用自然热源和冷源，即用于加热的太阳能或用于冷却的夜间冷；其次，使用人造热源或冷源。在任何情况下，需要存储热量或冷量以匹配时间和功率方面的可用性和需求。基本上存在三种不同的方式使用相变材料来供热或者制冷：

·建筑墙壁中的相变材料；

·除了墙壁之外其他建筑结构中的相变材料；

·用于隔热或冷储存的相变材料；

前两个是被动系统，当室内或室外温度上升或下降经过熔点时，储存的热量或冷量会自动释放。第三个是有源系统，其中存储的热量或冷量通过热绝缘体与建筑物热隔离。因此，热量或冷量仅在需要时使用而不是自动使用。

早期，大多数的潜热储存的研究都集中在低成本，易得盐水合物的熔融固化上，最初显示出很大的期望。在相变时，它们具有超冷却的趋势，并且组分不会一致地熔化，从而导致材料间的分离。因此，诸如超冷却和相分离的现象经常干扰这些材料的热行为并且在重复的相变循环中引起过渡区的随机变化或逐渐漂移。尽管取得了重大进展，但仍然存在着利用盐水合物和类似无机物质开发可靠和实用的储存系统的主要问题。

相变材料并不总是正确地重新固化，因为一些相变材料中的化学物质在其液态时分离并分层。当温度下降时，它们没有完全凝固，从而降低了它们储存潜热的能力。通过将相变材料包装在较浅容器中并通过添加增稠剂和结块剂来解决这些问题。然而，这些类型的相变材料与新一代低成本、高效、线性结晶烷基烃是不能相比的。研究人员现在将这些旧化合物标记为“有限的实用相变材料”。

为了避免无机相变材料中固有的一些问题，人们开始关注一种新的材料：低挥发性，无水有机物质如石蜡，脂肪酸和聚乙二醇。这些材料最初不被重视，因为它们比普通的盐水合物更昂贵，并且它们每单位体积的储热容量较低。现在已经认识到，这些材料中的一些具有强大的优点，例如物理和化学稳定性，良好的热性能和可调节的过渡区。而在建筑应用中，尽量使用具有接近人体舒适温度（20-28℃）的相变材料。以下是涵盖各种温度的相变材料综合列表中能应用于建筑物的重要候选材料，如表3所示。

相变材料商业已由表4中列出的一些制造商开发，这些制造商开发适用于建筑的相变材料。目前还在继续将相变材料集成到太阳能光伏模块中，以降低工作温度，从而提高其转换效率。最近的测试表明，通过采用29℃相变材料作为太阳能模块的背衬，温度降低了10℃以上。这是通过使用填充相变材料的方形金属管实现的。该研究中的一个重要要求是开发设计，使其在相变材料和模块之间保持良好的热接触，以便于在白天相变材料能及时将热量储存起来以及夜间将热量释放到到环境中。

表3.水合盐及有机相变材料

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