相变储能技术的研究和发展

ｏｏ’年第　期（总第。　卷第　。　期）　建筑节能　Ｎｏ．１２　ｉｎ　２００７　ｆｆｏｔａｌ　Ｎｏ．２０２，Ｖｏ１．３５）　■产品与材料　

ＰＲ０ＤＵＣＴ＆ＭＡ　ｒＥＲＩＡＬＳ　

相变储能技术的研究和发展　梁辰，闫全英　（北京建筑工程学院环境与能源学院建筑热能工程系，北京　１０００４４）　

摘要：　相变储热技术是利用低品位能源，实现建筑节能的重要途径。相变储能在建筑节能和暖通空调领域中的应用越来越受到重视，　已成为国际研究的热点。研究了在储能领域使用较为广泛的相变材料的种类及其特点。分析了国内外相变储能理论与技术的　发展现状以及相变材料在建筑围护结构、太阳房供暖系统、电热蓄热系统及蓄冷空调中的应用。展望了相变材料在蓄能技术方　面的发展前景。　关键词：　相变材料；　建筑节能；　蓄能技术　中图分类号：ＴＵ５９９　文献标志码：　Ａ　文章编号：　１６７３—７２３７（２００７）１２—００４１—０４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　Ｐｈａｓｅ　Ｃｈａｎｇｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ＬＥ４ＮＧＣｈｅｎ，ＹＡＮＯｕａｎ－ｙ／ｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＵｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｆｉｅｌｄｓ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｆｏｃｕｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｏｒ－　ａｇｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ，ｓｏｌａｒ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈｅａｔ．ｓｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｃｏｏｌ—ｓｔｏｒｉｎｇ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｏ　引言　随着现代建筑向高层发展，人们越来越多地使用　轻质围护结构。但普通轻质建筑材料的热容小，导致　室内温度波动大，舒适性差，同时也增加了供暖空调　系统的负荷和能耗。为了减少建筑能耗，提高室内舒　适度，相变建筑围护结构受到了人们的重视。相变建　筑围护结构是把相变材料采取不同的方式加入到普　通建筑材料中，这种结构可以降低室内温度波动，提　高舒适度，使建筑供暖空调系统不用或者少用能，减　小所需空气处理设备的容量，同时可使空调或供暖系　统利用夜间廉价电运行，降低空调或供暖系统的运行　费用。　相变材料根据其相变温度不同，主要有四方面的　用途：低温相变材料用来蓄冷，如空调蓄冷系统；室温　相变材料可以用来增加房屋的热惰性，降低房屋的温　度波动，从而降低空调负荷，达到建筑节能；５０￣６０℃　相变材料可以用在太阳能应用领域，如被动式太阳房　的蓄热墙或者蓄热地板，主动式太阳房中的蓄热器；　高温相变材料主要用于工业余热利用。　相变材料储能技术在建筑领域的研究在国内外　收稿日期：２００７．０９．０６　修回日期：２００７．０９．１　１　基金项目：北京市优秀＾才培养资助项目（２００７１ＤＯ５Ｏ１７００２４１　口］Ｅ京市　

迅速兴起，主要集中在相变材料的配制、相变材料储　热性能测试、相变建筑围护结构、相变供暖空调系统　等方面。　１相变材料的种类与特点　相变材料的种类很多，从材料的化学组成来看，　可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料　三类。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合　金等无机物。有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元　醇等有机物。混合相变材料主要是有机和无机共融相　变材料的混合物。从蓄热的温度范围来看，可分为高　温、中温和低温三类。高温相变材料主要是一些熔融　盐、金属合金；中温相变材料主要是一些水合盐、有机　物和高分子材料；低温相变材料主要是冰、水凝胶。从　蓄热过程中材料相态的变化方式来看，又可分为固液　相变、固固相变、固气相变和液气相变四类。固液相变　材料和固固相变材料在蓄能领域的研究较多、发展较　快。固液相变材料包括水合盐、石蜡等。固固相变材料　不发生相态的转变，而是相变材料的晶型发生了变　化，在晶型变化过程中有热量的吸收和放出。固固相　变材料包括高密度聚乙烯、多元醇以及具有“层状钙　钛矿”晶体结构的金属有机化合物。因为气体占有的　体积大，固气相变和液气相变体系体积变化大，设备　复杂，经济实用性差，所以，尽管其相变潜热较大，实　

１　

维普资讯 http://www.cqvip.com 际上一般很少用于蓄能。　理想的相变蓄热材料应具有以下特点：相变温度　合适、相变潜热高、相变可逆性好、相变体积变化小、　廉价易得、组成稳定、安全无毒、无腐蚀性。然而，同时　满足这些要求的相变材料并不多。无机相变材料中最　典型的是结晶水合盐类，这类材料具有相变潜热高、　导热系数大、相变时体积变化小、价格便宜等优点。但　是，这类材料易出现过冷和相分离现象，对容器腐蚀　性较大。过冷现象与材料性质、冷却速度及杂质种类　和含量有关。要防止过冷现象常选用过冷倾向、熔点　比相变材料略高、组成与性质接近相变材料的化合　物。为了防止相分离，需要加入防相分离剂。因此，在　实际应用中相变蓄热材料通常为多组分的，包括主蓄　热剂、相变温度调整剂、防过冷剂、促进剂、防相分离　剂等。有机相变材料具有固体成型好、不易发生相分　离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定等优点，但与无　机物相比，其导热性较差，熔点较低，相变潜热较低且　易挥发、易燃烧、价格昂贵等缺点。固液相变材料主要　优点是价格便宜，但是存在过冷和相分离现象，从而　导致蓄热性能恶化：易产生泄露问题，污染环境；腐蚀　性较大，封装容器价格高等缺点。与固液相变材料相　比，固固相变材料具有不少优点：可以直接加工成型，　不需容器盛装；固固相变材料膨胀系数较小，相变时　体积变化较小；不存在过冷和相分离现象，不需要加　入防过冷剂和防相分离剂：毒性很低，腐蚀性很小；无　泄露问题，对环境不产生污染；组成稳定，相变可逆性　好，使用寿命长；装置简单，使用方便。固固相变材料　主要缺点是相变潜热较低，价格较高。　目前国内外应用于建筑节能领域的相变材料主　要包括结晶水合盐类无机相变材料，以及石蜡、羧酸、　酯、多元醇和高分子聚合物等有机相变材料。结晶水　合盐类无机相变材料具有熔化热大、热导率高、相变　时体积变化小等优点，同时又具有腐蚀性、相变过程　中存在过冷和相分离的缺点；而有机类相变材料具有　合适的相变温度、较高的相变焓，且无毒、无腐蚀性，　但其热导率较低，相变过程中传热性能差。近年来，国　内外主要研究了石蜡烃、脂肪酸、多元醇类等有机相　变材料在建筑节能中的应用。正烷烃的熔点接近人体　舒适温度，其相变焓大，但正烷烃价格较高，且掺入建　筑材料中会在材料表面结霜；脂肪酸价格较低，相变　焓小，单独使用时需要很大量才能达到调温效果；多　元醇是具有固定相变温度和相变焓的固一固相变材　料，但其价格高。　为有效克服单一的无机类或有机类相变材料存　在的缺点，相变材料的研发必然要走二元或多元复合　的方向。近年来，研制复合相变材料已成为相变材料　领域的研究热点。当前复合的方式有两种：一种是将　４　正烷烃与脂肪酸类、多元醇类相变材料混合，制得一　定温度下的低共熔混合物，从而以更低的成本得到更　有效的复合相变材料；另一种是将两种或三种多元醇　按不同比例混合，形成“共融合金”，从而对相变温度　和相变焓进行调节，开发出具有合适的相变温度与相　变焓的复合相变材料。　２相变蓄能技术的应用研究　相变蓄能在暖通空调领域的应用主要分为两大　类：①把相变材料与建筑围护结构相结合，如相变墙　板、相变天棚和相变地板；②相变供暖空调系统。　２．１相变围护结构的研究与发展　加拿大、美国、日本、土耳其、中国等国在相变墙　板方面作了较深入的研究。加拿大Ｃｏｎｅｏｒｄｉａ大学建　筑研究中心的Ｆｅｌｄｍａｎ　Ｄ．，Ｈａｗｅｓ　Ｄ．，Ｂａｎｕ　Ｄ．　Ａｔｈｉｅｎｉｔｉｓ　Ａ．Ｋ．等人对大量的相变材料进行了筛选和　物性测试，选择出几种适合于作相变墙板的相变材　料，如硬脂酸丁酯［１，２］。他们还对普通建筑材料对相变　材料的吸收情况［３，４］，相变材料和建筑材料的兼容性和　稳定性进行了研究【５＇６］；进行了相变墙板火焰阻力和烟　火生成测试ｒ刁。另外，他们还对相变墙板在被动太阳房　中使用情况进行了测试和模拟。在被动式太阳房中分一　别使用了普通墙板和相变墙板（采用浸泡法在石膏板　中浸入硬脂酸丁酯）作对比试验，相变墙板使用房间　的最高温度下降了４℃；相变材料凝固放出的热量相　当于总供热负荷的１５％ｔ８１。　美国Ｌｏｓ　Ａｌａｍｏｓ国家实验室的Ｎｅｅｐｅｒ（１９９０）估　计相变墙板能转移居民空调负荷中９０％的显热负荷　到用电低谷期，可降低３０％的设备容量【９］。该实验室的　Ｋａｌ＇ｅｎ　Ｌ（１９９３）等人通过模拟显示，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　量降低１／３，而对于像丹佛气候类型的地区，使用相变　墙板能使采暖设备的容量降低１／２【　ｏｌ。美国的　Ｏａｋ　Ｂｒｉｄｇｅ国家实验室的Ｔｏｍｌｍｓｏｎ和Ｈｅｂｅｒｌｅ（１９９０）得　出结论：在太阳房中，相变墙板能明显地降低附加能　量的消耗，回报期大约是．５年。该实验室的Ｓｔｖａｌｌ　Ｔ．　Ｋ．和Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ（１９９１）在中等供热气候区评价了相变　墙板的可能利益，认为墙板对居民的舒适性影响很　小，但是能明显地节约负荷，又不需要附加的能量消　耗。他们指出相变石膏板比普通石膏板的成本高　１．３０￥／ｍ：。对于北美常见的房子，如果采用相变石膏　板用于辅助冬天采暖，其成本大约增加６００￥。在不　考虑安装费的情况下（针对新房子），如果高峰电价为　０．１０￥／ｋＷｈ（冬天从上午８：００到下午２：００，夏天从　上午１１：００到下午５：ｏｏ），谷电价为０．０４￥／ｋＷ・ｈ，　在经济上与热泵作比较，采用相变墙板的投资回收期　约为５年【“　２］。Ｔ．Ｋ．Ｓｔｏｖａｌｌ和Ｊ．Ｊ．Ｔｐｍｌｉｎｓｏｎ（１９９５）　用ＴＲＮＳＹＳ程序模拟了纳什维尔（美国田纳西州首