相變材料熱性能及其在室內(nèi)被動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡易計(jì)算

崔 艷 琦

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相變材料熱性能及其在室內(nèi)被動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡易計(jì)算

崔 艷 琦

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，廣東廣州 510225）

相變材料具有固定的相變溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于或低于相變溫度時(shí)，自動(dòng)發(fā)生熔化或凝固，同時(shí)吸收或釋出潛熱，在熔化和凝固過程中，保持溫度恒定。相變材料這種獨(dú)特的性能，得到了全世界各國政府和研究機(jī)構(gòu)的高度重視。本文綜述了相變材料的相變潛熱、相變溫度及傳熱系數(shù)等主要熱性能，介紹了相變材料在室內(nèi)應(yīng)用的被動(dòng)式基本結(jié)構(gòu)模型，并參照前人研究結(jié)果，簡易計(jì)算出相變材料在室內(nèi)被動(dòng)式控溫需要相變材料的數(shù)量，為相變材料在室內(nèi)等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和效益評估提供參考。

相變材料；潛熱；相變溫度；建筑節(jié)能

相變材料（phase change materials，簡稱PCM）是在一定環(huán)境條件下，自身發(fā)生相變，即固-液、液-氣、固-氣和固-固相之間的相互轉(zhuǎn)變的材料。這四種相變之中，固-氣和液-氣相變過程會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，體積變化較大，在固-固相變過程中往往熱量變化較小，因此，到目前為止這三種相變過程在實(shí)際儲(chǔ)能生產(chǎn)中很難應(yīng)用，研究和應(yīng)用較多的是固-液相變材料。固-液相變材料發(fā)生相變時(shí)，材料本身可以吸收或釋放大量的熱。當(dāng)環(huán)境溫度高于相變溫度時(shí)，固相發(fā)生融化，同時(shí)吸收環(huán)境的熱量，并保持本身的溫度恒定不變；當(dāng)環(huán)境溫度低于相變溫度時(shí)，液相發(fā)生凝固，同時(shí)釋放熱量[2]。相變材料的這種周而復(fù)始變化的特殊性能，對于解決周期性變化的氣溫和能源消耗具有很好的實(shí)際效果。例如可以把白天的太陽能儲(chǔ)存起來，晚上需要的時(shí)候釋放出來使用，也可以把用電低谷時(shí)的電能儲(chǔ)存起來，轉(zhuǎn)移到用電高峰的時(shí)候使用，這不僅可以解決能源的供需矛盾，還可以節(jié)約能源，減少二氧化碳的排放，改善環(huán)境[3]。建筑物是人們居住和工作的主要場所，建筑環(huán)境的條件直接影響人們的健康和工作效率，能源是當(dāng)代建筑不可替代的重要資源，是為居住者提供生活和工作條件的基本保障。根據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，建筑消耗的能源占社會(huì)耗能總量的30%～40%，是耗能大戶，而建筑室內(nèi)的耗能占整個(gè)建筑耗能的50%[4]。因此，近幾十年來，世界各國政府和科研機(jī)構(gòu)及高等院校都投入了大量的人力和物力開展建筑節(jié)能的研究工作，從主動(dòng)的室內(nèi)空調(diào)降溫到被動(dòng)的儲(chǔ)能降溫節(jié)能研究和應(yīng)用，且取得了很好的成效。被動(dòng)式相變儲(chǔ)能技術(shù)則是目前研究最熱、效果最明顯的領(lǐng)域之一。雖然影響相變儲(chǔ)能的因素很多，但是其中最關(guān)鍵的因素是相變材料的相變潛熱、相變溫度和傳熱系數(shù)等主要熱性能和環(huán)境條件。本文詳細(xì)地綜述和分析了相變材料的主要熱性能及其在建筑室內(nèi)被動(dòng)式降溫系統(tǒng)的應(yīng)用基本結(jié)構(gòu)，并根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出該種模型耗能的簡易計(jì)算方法，為相變材料的室內(nèi)降溫應(yīng)用研究提供參考。

1 相變材料的主要熱性能

1.1 潛 熱

潛熱是相變材料在等溫等壓的條件下發(fā)生相變時(shí)單位質(zhì)量材料所能吸收或者釋出的最大熱量，即相變材料從固相轉(zhuǎn)變成液相時(shí)吸收環(huán)境熱量，反之液相轉(zhuǎn)變成固相時(shí)向環(huán)境釋出熱量。潛熱的大小是相變材料能否在建筑中得到廣泛應(yīng)用的重要前提，也是影響相變儲(chǔ)能系統(tǒng)節(jié)能效率的主要因素。相變材料的潛熱越大，也就是單位質(zhì)量相變材料所能吸收或放出的熱量就越多，相變儲(chǔ)能系統(tǒng)占的體積就越小。據(jù)有關(guān)研究報(bào)道，潛熱的大小與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，有機(jī)相變材料其碳原子越多潛熱就越大；無機(jī)相變材料的水合物其結(jié)晶水越多，往往其潛熱也越大；無機(jī)熔融化合物其相變潛熱與其正負(fù)離子絕對值成正比[5]。從熱力學(xué)上來分析，潛熱是相變材料相變過程的末態(tài)與始態(tài)的焓差值即相變焓。根據(jù) 熱力學(xué)公式

從上式可以看出，在相變溫度m恒定時(shí)，相變材料的相變潛熱隨著熵的增加而增加。因此，在選定相變材料時(shí)可以從其相變焓的大小進(jìn)行選擇，一般要選擇熱焓大的相變材料作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能材料。

1.2 相變溫度

相變材料具有在恒定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。例如，在加熱到熔點(diǎn)溫度時(shí)，就產(chǎn)生熔化并吸收大量的潛熱，當(dāng)相變材料冷卻時(shí)，所儲(chǔ)存的潛熱釋放到環(huán)境中去，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。相變材料在發(fā)生這種物理狀態(tài)變化過程中，材料自身的溫度前后幾乎維持不變，形成一個(gè)寬的溫度平臺(tái)，這個(gè)溫度范圍稱為相變溫度。相變溫度決定于物質(zhì)本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不同的相變材料其相變溫度是不同的，有機(jī)相變材料的相變溫度往往較低，無機(jī)相變材料的相變溫度往往較高，相變溫度是決定相變材料應(yīng)用環(huán)境的主要條件，不同的應(yīng)用場所要求不同的溫度。建筑物是人們居住和工作的場所，其周圍環(huán)境的溫度應(yīng)該是滿足人體最舒適的溫度，即20～26 ℃[6]。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，符合該溫度范圍的相變材料是有限的，必須把兩種或兩種以上的相變材料復(fù)合在一起，生產(chǎn)成適宜相變溫度的復(fù)合相變材料。復(fù)合相變材料的相變溫度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定，也可以根據(jù)有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，重慶大學(xué)杜開明[7]對有機(jī)化合物相變材料進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)成低共熔物的相變溫度實(shí)測值與施羅德公式[式(2)]計(jì)算值一致，該公式表述見式(2)

式中，A為A組分的摩爾分?jǐn)?shù)；為純A組分的熔化潛熱，J/mol；f為A組分的相變溫度，K；c為復(fù)合相變材料的相變溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.315 J/(K·mol)。

1.3 傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)的物理意義是：間壁兩側(cè)流體主體間溫度差為1 K時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位間壁面積所傳遞的熱量，其單位為W/(m2·K)。相變材料的傳熱過程比較復(fù)雜，相變材料在相變過程中存在一個(gè)模糊的兩相區(qū)域，它不僅包含單相傳遞的熱量，還包含多相的熱量傳遞。在熔化的過程，相變材料主要通過對流傳熱方式進(jìn)行傳遞，在固化的過程，相變材料主要通過傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞，對流傳熱系數(shù)往往比導(dǎo)熱傳熱系數(shù)要大，因此，相變傳熱過程的總傳熱系數(shù)主要取決于熔化過程的熱傳遞。相變儲(chǔ)能效率主要取決于能量的儲(chǔ)存與釋放的速度，而往往相變材料的導(dǎo)熱性能又比較低，影響了相變傳熱的速度，為了提高相變傳熱系數(shù)，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了確有成效的研究工作，并且取得了較好的研究成果。華南理工大學(xué)吳淑英博士[8]研究了納米銅對相變石蠟相變傳熱的影響，添加1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米銅可以分別提高石蠟的凝固和熔化速率28.2%和30%。MEHLING等[6]也研究了不同厚度相變材料的傳熱系數(shù)，具體見表1。

表1 相變材料的厚度與傳熱系數(shù)的關(guān)系

從表1可以看出，相變材料的厚度對其總傳熱系數(shù)有較大影響，其厚度越大傳熱系數(shù)越小。為了提高相變材料的傳熱系數(shù)，畢勝山等[9]采用納米二氧化鈦對相變材料進(jìn)行改性，可以提高其導(dǎo)熱系數(shù)。

2 被動(dòng)式室內(nèi)相變儲(chǔ)能空調(diào)

建筑所用的材料直接影響到居民的身心健康，不僅是要求經(jīng)濟(jì)和節(jié)能，而且必須提供舒適的居住條件，包括溫度、濕度、氣味等。有關(guān)研究表明，人體皮膚與環(huán)境進(jìn)行能量交換的溫度為37 ℃，若高于或低于此溫度，人就會(huì)感到不適，甚至生病。為了滿足人體與環(huán)境之間的能量平衡，建筑內(nèi)空氣適宜溫度為20～26 ℃，相對濕度為30%～70%。古時(shí)，人們?yōu)榱丝刂七m宜的室內(nèi)環(huán)境，冬天主要靠柴火取暖，夏天靠扇子散熱?，F(xiàn)代，人們則主要依靠蒸汽取暖和空調(diào)降溫，這不僅要消耗大量的能源資源，而且排出大量的二氧化碳，嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，自20世紀(jì)70年代以來，人們就開始研究和探索新的能源資源和技術(shù)，相變材料儲(chǔ)能技術(shù)就是其中效率最高和最干凈的新能源技術(shù)之一。早期相變材料在建筑中的應(yīng)用主要有相變墻體、相變門窗、相變天花板和地板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)里封裝進(jìn)相變材料，當(dāng)外界溫度高于相變材料的相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)生相變，吸收或者釋出熱量，減少室外的溫度對室內(nèi)的影響，控制室內(nèi)適宜的溫度，達(dá)到節(jié)能的目的。目前，相變材料在建筑中的應(yīng)用逐步轉(zhuǎn)向可移動(dòng)式的被動(dòng)式相變儲(chǔ)能空調(diào)器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

該儲(chǔ)能控溫系統(tǒng)是把相變材料安裝在箱式的鋁盒里，空氣通過小風(fēng)扇從下面進(jìn)風(fēng)口進(jìn)，然后經(jīng)過相變材料進(jìn)行熱交換后，從上面出風(fēng)口排出，通過控制出口風(fēng)量可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的氣溫。為了提高該系統(tǒng)的安裝便捷性，往往先把相變材料封裝在鋁板盒或塑料盒里 然后再安裝在箱里，盒子的形狀如圖2所示[10]。

3 節(jié)能效率分析

相變儲(chǔ)能是利用材料本身在特定的溫度條件下發(fā)生相變，自動(dòng)吸收或釋出熱量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的效果，屬于被動(dòng)式儲(chǔ)能過程，所以其節(jié)能效率的評價(jià)可以從系統(tǒng)改變環(huán)境溫度的能力進(jìn)行計(jì)算，也可以從系統(tǒng)直接傳給環(huán)境的熱量進(jìn)行計(jì)算。周全等[11]采用溫度滯后的方法研究得知相變材料提高節(jié)能效率為30.8%。王健昌[12]采用峰值溫差方法進(jìn)行評價(jià)，提高節(jié)能效率為27.56%。本文根據(jù)熱量傳遞的基本規(guī)律，根據(jù)上述研究結(jié)果和MEHLING等對不同厚度傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，簡易計(jì)算室內(nèi)被動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能效果。

我國有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，室內(nèi)空氣新風(fēng)量為每人30 m3/h，空氣流速為0.3～0.2 m/s[13]。夏天我國大部分地區(qū)白天氣溫為30～34 ℃，人體的舒服溫度為22～26 ℃，一般空調(diào)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為28 ℃，也就是說要保證室內(nèi)空氣的溫度處于人的舒服溫度，相變材料的相變溫度應(yīng)該在26 ℃左右。相變材料在熔化時(shí)候吸收的熱量，在材料里以潛熱的形式儲(chǔ)存起來，在凝固時(shí)又釋放出來，由于其能量的釋出與吸收，與室內(nèi)的空氣建立能量的平衡，減少空氣溫度的波動(dòng)，從而節(jié)約能源。根據(jù)能量守恒定律，可建立如下能量平衡方程。

（4）

上式可改寫為

如果忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失，空氣溫度為34℃，相變材料的相變溫度為26℃，空氣密度為1.29 kg/m3，空氣熱容為1.013 kJ/(kg·℃)，按每人30 m3排風(fēng)量計(jì)算，每小時(shí)需要的能量為

每人每天需要降溫的時(shí)間從上午10時(shí)至下午16時(shí)，則每人每天需要的能量為

采用圖2的相變材料封裝盒，每個(gè)盒的表面積為0.02 m2，相變材料的厚度按10 mm、傳熱系數(shù)為500進(jìn)行計(jì)算，a為34 ℃，pcm為26 ℃，則每個(gè)盒的傳熱量為

（6）

把有關(guān)數(shù)據(jù)代入得

根據(jù)上述周全等[11]有關(guān)研究結(jié)果表明，相變材料的儲(chǔ)熱效率為30%，因此，每個(gè)盒的相變材料最大吸收熱量為

，

選取英國S25型的相變材料,其相變潛熱為 180 kJ/kg，則每個(gè)封裝相變材料質(zhì)量為

4 結(jié) 論

綜上所述，相變材料具有很好的熱性能，包括可選擇的相變溫度、較高相變熱、較大的潛熱以及較好的熱穩(wěn)定性等。因此，相變材料可直接應(yīng)用于建筑室內(nèi)儲(chǔ)能取暖和降溫，不僅可以節(jié)約能源，保持室內(nèi)舒適溫度，同時(shí)還減少二氧化碳等廢氣的排出，有利于居住者的身心健康。根據(jù)人的生理?xiàng)l件，人體皮膚的正常溫度為36～37 ℃，要保持人體正常的新陳代謝，室內(nèi)的適宜溫度為22～26 ℃，為確保室內(nèi)舒適溫度，可以選擇一種或多種相變材料作為儲(chǔ)能材料，其相變溫度為22～26 ℃。當(dāng)白天室內(nèi)的溫度高于26 ℃時(shí)，相變材料發(fā)生熔化并吸收熱量，降低室內(nèi)溫度，當(dāng)夜間室內(nèi)溫度低于26 ℃時(shí)，相變材料發(fā)生凝固并釋出熱量，保持室內(nèi)溫度在舒適的范圍內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過多種相變材料的復(fù)合和添加金屬氧化物等調(diào)整相變溫度和提高傳熱系數(shù)?？砂淳幼∪藬?shù)進(jìn)行計(jì)算估算相變材料用量，在熱帶地區(qū)，夏季白天平均氣溫為34 ℃，每人需用的相變材料為38.4 kg，材料費(fèi)約384元，初步估算6.1年可以回收材料成本。因此，相變材料用于室內(nèi)控溫，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

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Thermal properties of phase change materials (PCM) and their concise calculations for passive storage applications in buildings

CUI Yanqi

(College of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, Guangdong, China)

A phase-change material (PCM) is a substance that melts and solidifies at a certain temperature range with little change of temperature, whilst releasing/absorbing a certain amount of heat called latent heat. Because of some unique properties, PCMs have become a research focus in recent years. This paper provides a brief review on some important thermal properties and behavior of PCM including latent heat, phase transition temperature and heat transfer coefficient associated with the use of PCMs. A basic model of PCM is then introduced for assessing the use of PCM in buildings. Energy saving due to the use of PCM in indoor applications is then analyzed and a concise method for the calculation of the amount of PCM for interior temperature control is presented.

phase change material; latent heat; phase-transition temperature; building energy efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0002

TK 02；TU 599

A

2095-4239（2017）02-302-05

2017-01-04；修改稿日期：2017-01-17。2016-11-16。

崔艷琦（1979—），女，副教授，研究方向?yàn)榫G色建筑節(jié)能技術(shù)，E-mail：1328313514@qq.com。