相變蓄熱在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

王 拓

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)備所，北京 102600）

1 前言

近年來，隨著我國居民生活水平的提高，對居住、辦公環(huán)境的舒適度要求也逐步提高，使得建筑能耗增長較快，約占社會能耗總量的30-40%[1]。然而，能耗的提高又與當(dāng)前能源危機(jī)產(chǎn)生了巨大沖突。因此，在降低能耗、提高能源利用率的同時滿足人們對生活環(huán)境舒適性的要求，已成為當(dāng)前建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[2]。

自20世紀(jì)70年代末爆發(fā)能源危機(jī)以來，相變材料開始進(jìn)入大眾視野，并被廣泛研究、應(yīng)用于各種場合。研究表明，相變材料依靠潛熱，在蓄放熱過程中溫度可保持在一穩(wěn)定范圍[3-4]；并且，在儲存相同熱量條件下，所需蓄熱材料體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯熱蓄熱材料；此外，相變材料通常具有較大熱阻，而且具有無毒無害、成分穩(wěn)定、易于制備等特點(diǎn)。綜上所述，相變材料在建筑節(jié)能及提高舒適性的領(lǐng)域仍具有很大研究空間與價值。本文擬從相變材料的分類、使用、存在問題與解決方案等入手，分析闡述這種材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 相變材料的分類

相變材料也稱潛熱蓄熱材料，顧名思義，此材料可利用相變潛熱，通過一種物態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物態(tài)，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，儲存或釋放熱量[5]。相較于顯熱蓄熱，相同質(zhì)量的相變材料蓄放熱可提高5-10倍，并且所需材料體積也遠(yuǎn)小于顯熱蓄熱材料[6]。

依據(jù)物態(tài)變化，相變材料可分為三大類：氣—液相變、液—固相變、固—固相變。其中，氣—液相變材料的相變潛熱最大，但由于相變過程中體積變化很大，很難在節(jié)能、蓄熱方面發(fā)揮作用，故較多地應(yīng)用于制冷、傳熱領(lǐng)域。液—固相變材料的蓄熱量雖不及上述氣—液相變材料，但其在相變過程中體積變化很小（小于10%）[6]；更為重要的是，液—固相變材料在反復(fù)的蓄放熱過程中，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[7,8]，因此成為目前較為主流的相變蓄熱材料。

與前兩種材料有所不同，固—固相變材料則是利用潛熱蓄放熱，其宏觀物態(tài)并沒有發(fā)生改變，但在微觀上，它卻由一種晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體。相對于液—固相變材料，其相變潛熱量更小，并且相變溫度高[9]。由于導(dǎo)熱能力較低，故固—固相變材料難以在熔化過程中通過自身對流提高其導(dǎo)熱、蓄熱能力[10]。盡管如此，這種材料因蓄放熱時體積變化小、無相分離，物理化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定，無腐蝕、泄露等安全隱患[11]，因此在建筑節(jié)能領(lǐng)域仍有較大的研究潛力。

3 相變材料的應(yīng)用

3.1 蓄熱元件及蓄熱的強(qiáng)化

由于固—液相變材料吸熱后熔化為液體，因此需封裝以制成蓄熱元件后方可使用。當(dāng)前主流的封裝容器為圖1所示的球形膠囊、管殼式換（蓄）熱器、柱形、箱型容器等[12]。

圖1 相變蓄熱元件的不同形式[12]

Archibold等人[13]對內(nèi)充硝酸鈉的球形膠囊進(jìn)行熱學(xué)分析，并利用努謝爾數(shù)對硝酸鈉的熔化過程進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在熔化初期，石蠟的傳熱由導(dǎo)熱主導(dǎo)；隨著液相的增多，液態(tài)硝酸鈉會在膠囊上部形成環(huán)流，對流換熱趨于主導(dǎo)，膠囊上部熔化速率大于下部，等溫線成心形。Sattari等人[14]使用不同尺寸的球型膠囊封裝正十八烷石蠟，并加熱至不同溫度。通過對比不同尺寸膠囊的熔化情況，發(fā)現(xiàn)膠囊尺寸增大，石蠟的比表面積減小，熔化速率降低。其中，直徑為101.66mm的膠囊內(nèi)石蠟熔化時間相較于直徑80 mm膠囊的延長了80%；提高加熱溫度同樣可提高熔化效率，當(dāng)膠囊表面溫度為45℃時，熔化時間僅為35℃時的一半。

Seddegh等人[15,16]將石蠟封裝于外徑0.128m、內(nèi)徑0.035m的管殼式換熱器內(nèi)，以水作為熱媒，研究其熱交換狀況。對于蓄熱過程，換熱器水平放置與垂直放置對蓄熱總時長影響不大，但在蓄熱初期，水平放置換熱器內(nèi)部的石蠟熔化速度更快，全部熔化后其內(nèi)部溫度也更高，因此作為放熱熱源品質(zhì)更高。與蓄熱過程不同的是，放熱時對流較弱，導(dǎo)熱較強(qiáng)，因此過程持續(xù)時間更長。對于此種尺寸的換熱器，其內(nèi)部的液態(tài)石蠟完全凝固需11h。對于放熱過程，水平與垂直放置的換熱器內(nèi)相變材料溫度與液相組分變化趨勢幾乎重合，故提升熱媒溫度是增大其需熱量的最有效方法。

龍偉月等人[17]利用月桂酸作為相變蓄熱材料，分析對比了外、內(nèi)徑比(N)分別為1.5、1.8、2.0、2.2、2.5五種尺寸管殼式換熱器的蓄熱情況。發(fā)現(xiàn)蓄熱元件的平均蓄熱速率隨N值的減小而增大，當(dāng)N≤2.0，蓄熱速率增加幅度大。這是由于N值越小，相變材料的比表面積越大，傳熱由導(dǎo)熱向?qū)α鞯霓D(zhuǎn)變越早。當(dāng)邊界溫度為85℃時，N=1.5元件的蓄熱速率相較于N=2.5提升了15%。程友良等人[18]將管殼式換熱器中熱媒管道替換為波節(jié)管，在增大換熱面積的同時，由于提高了熱媒的擾動，使蓄熱效率最大提升了39%。而且還發(fā)現(xiàn)熱媒與相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)均存在最佳值，熱媒的導(dǎo)熱系數(shù)提高使得放熱效率先增后減，而當(dāng)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于熱媒時，元件的放熱效率會急劇下降，致使放熱效果變差。此外，相變材料的熔點(diǎn)在略高于臨界溫度時放熱效果最佳。陳華等人[19]提出了一種制冷劑管路與水管路以交錯螺旋的方式排列而成的管殼式換熱器（圖2），他們以石蠟作為蓄熱組分，發(fā)現(xiàn)：受熔化時石蠟內(nèi)部溫度分層明顯，且以上部溫度較高。因此，應(yīng)當(dāng)將盤管置于蓄熱裝置底部，以達(dá)到最佳的熱效果。

圖2 相變蓄熱裝置示意圖[19]

Bouadila等[20-22]使用一種相變球形膠囊填充床集放熱裝置（圖3）對入射進(jìn)溫室內(nèi)的太陽能進(jìn)行直接收集，并在夜間通過空氣循環(huán)強(qiáng)制對流釋放熱量加熱溫室。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)夜間回用熱量達(dá)到供暖總要求的30%，并且當(dāng)室外氣溫降至8℃時，加熱系統(tǒng)可使室內(nèi)氣溫保持在15℃。Arfaoui等[23]改進(jìn)了上述裝置，將原有的單層填充床改為雙層，結(jié)果表明：該裝置蓄熱量提高了47%，夜間有效放熱量可達(dá)0.3 kW，出口空氣溫度可保持在27℃。說明該裝置可直接吸收太陽輻射從而降低溫室內(nèi)峰值溫度，無需安裝額外集熱裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，集熱高效等優(yōu)點(diǎn)。Elfeky等人[24]將填充床中蓄熱材料由同一種改為三種不同熔點(diǎn)的相變材料，其排列方式為蓄熱工況下順熱媒流動方向熔點(diǎn)依次降低。熱媒與蓄熱膠囊換熱過程中溫度會逐漸減低，但通過此種排列方式，熱媒也可與填充床中后段熔點(diǎn)較低的相變材料繼續(xù)換熱，從而提高了熱媒的利用率，故使得裝置的蓄熱效率大幅提高。Li等人[25]研發(fā)了一種相變材料耦合太陽能集熱管的蓄熱裝置，此裝置日間利用太陽能將熱量蓄積在裝有相變材料的外部套管中，夜間再通過內(nèi)部套管中的熱媒釋放熱量。測量結(jié)果表明：日間相變材料最高溫度可達(dá)171℃。當(dāng)日間輻射照度大于15.23MJ/m2時，此裝置蓄熱可達(dá)34.3%。

圖3 相變球形膠囊填充床集放熱裝置示意圖[20]

對于球形膠囊，除前文提及的縮小尺寸增大相變材料的比表面積外，還可在相變材料內(nèi)引入添加劑以提高其導(dǎo)熱能力。閆全英等人[26]將納米銅、鎳、鎢、石墨以及硅粉以5%、15%、30%、50%的比例分別與硬脂酸、石蠟、石蠟硬脂酸混合，制備出多種復(fù)合蓄熱材料。結(jié)果表明，上述添加劑對不同相變材料的導(dǎo)熱能力均有提升，其中石墨使相變材料的導(dǎo)熱能力最高提升3倍以上，并且它與相變材料還具有好的相容性，且價格低廉，為以上幾種添加劑中的最優(yōu)選擇。但應(yīng)注意的是，石墨的添加量并非越高越好，當(dāng)其含量過高時，相變材料受熱時溫升速率難以控制而提升過快，大量相變材料到達(dá)熔點(diǎn)進(jìn)入液相區(qū)，致使過熱現(xiàn)象發(fā)生，降低了導(dǎo)熱率。研究表明：30%為石墨的較優(yōu)添加濃度。

對于管殼式換熱器，添加肋片不失為一種行之有效的強(qiáng)化傳熱方法。Mahdi等人[27]在內(nèi)、外徑分別為50mm、150mm的管殼式換熱器（水平放置）中添加肋片，且肋片添加在內(nèi)管相變材料側(cè)，其長度分別為12.7mm、25.3mm、38mm。研究分析發(fā)現(xiàn)：換熱器上部石蠟在熔化過程中對流占主導(dǎo)，肋片添加過多、過長會阻礙液相的流動影響換熱；而下部的導(dǎo)熱更為強(qiáng)烈，因此需要較長、較多的肋片以增強(qiáng)換熱。換熱器上半部分添加2組肋片（長度為25.3mm，與垂直方向夾角為45°），下半部分添加4組肋片（長度為38mm，與垂直方向夾角分別為30°、60°）的結(jié)構(gòu)形式（圖4）對蓄熱的強(qiáng)化效果最佳，其內(nèi)部石蠟完全熔化僅需60min，相較于無肋片換熱器，蓄熱周期縮短了54%。

圖4 新型肋片形式示意圖 (L1=L2=L5=25.3 mm，L3=38 mm，W=1 mm)[27]

除肋片外，泡沫金屬同樣為強(qiáng)化傳熱的有效途徑。如在孔隙率為94.76%的泡沫鋁中充注水，其等效導(dǎo)熱系數(shù)為水的8倍[28]。不僅如此，高孔隙率的泡沫金屬在提高材料導(dǎo)熱能力的同時，對材料密度、比熱等性質(zhì)影響很小，因此十分適合與相變材料結(jié)合，在保證巨大潛熱的情況下提升其傳熱能力。Wang等人[29]將石蠟充注于不同孔隙率的銅、鋁、鎳等多種規(guī)格的泡沫金屬中，發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨泡沫金屬的孔隙率降低以及導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大。與傳統(tǒng)相變材料熔化過程不同的是，泡沫金屬雖阻礙了液相的流動，但由于導(dǎo)熱能力較強(qiáng)的“立體金屬網(wǎng)”遍布容器的各個角落，因此泡沫金屬復(fù)合相變材料的熔化可視為純導(dǎo)熱過程。Esapour等人[30]將孔隙率為70%與90%的泡沫銅分別置于管殼式換熱器內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與純相變材料相比，添加泡沫銅的相變材料熔化周期由27min分別縮短至12min、14min。Mahdi等人[31]對此種強(qiáng)化傳熱方式進(jìn)行了優(yōu)化，在管殼式換熱器內(nèi)設(shè)置多級泡沫銅，由內(nèi)壁（熱媒管管壁）至外壁孔隙率分別為92%、94%、95%、96%、98%，以增強(qiáng)靠近熱媒處相變材料的導(dǎo)熱能力，避免過熱現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了相變材料的潛熱利用率。與單級泡沫銅工況對比可知，其熔化周期縮短了10min，放熱周期延長了6min，并且相變材料的溫度分布更為均勻。Liu等人[32]將石蠟封裝于尺寸為160mm×80mm×600mm的箱體內(nèi)，其中設(shè)有孔隙率為93%的泡沫銅，熱媒管使用直徑為20mm的U型管，以此為一個蓄熱單元，實(shí)驗(yàn)臺將6個單元并聯(lián)設(shè)置，如圖5所示。蓄熱時在U型管內(nèi)通入85℃的熱水，放熱則利用蓄熱單元間空氣的自然對流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置的蓄熱量與蓄熱效率可達(dá)1907.1kJ以及198.7W，在環(huán)境溫度為23℃時可持續(xù)放熱41.5h。由此可知，泡沫金屬在相變材料比表面積較小的工況下，依舊具有良好的強(qiáng)化傳熱能力。

圖5 泡沫金屬-相變蓄熱裝置原理圖[32]

3.2 被動相變蓄熱在建筑中的應(yīng)用

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是影響建筑節(jié)能的重要因素，將相變材料作為建材組分以降低空調(diào)、采暖能耗已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[33]。Dabiri[34]將RT35（相變區(qū)間32-35℃）封裝于空心磚夾層中，以德黑蘭一月末與七月末室外氣象參數(shù)作為邊界條件，分析相變墻體在冬夏極端天氣下的熱工性能。發(fā)現(xiàn)夏季氣溫較高，相變材料熔化充分，七成熱量以潛熱形式儲存在墻體中，從而使得室內(nèi)氣溫更加穩(wěn)定，波動幅度相對于普通墻體縮小了48%；冬天雖僅有三成熱量以潛熱蓄積于墻體，但由于相變材料具有較大的熱容與熱阻，室內(nèi)溫度波幅依舊減小了42%。不僅如此，此墻體使得室內(nèi)氣溫在冬夏分別保持在19-26℃以及23-32℃，均處于舒適區(qū)或略高于舒適區(qū)，從而降低了空調(diào)和采暖的能耗。Souayfane等人[35]使用玻璃磚砌筑墻體，并在其內(nèi)部充注相變材料（共晶脂肪酸）。結(jié)果表明，在冬日連續(xù)晴好天氣，實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)氣溫始終保持在18.4℃，并且由于使用的玻璃磚與相變材料都具有一定的透明度，日間無需使用照明設(shè)備。但此種墻體在夏日溫度較高、太陽輻射較強(qiáng)的氣象條件下易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，對室內(nèi)氣溫的調(diào)節(jié)能力遠(yuǎn)不及冬日，需使用遮光百葉以削弱日光輻射。Mankibi等人[36]通過數(shù)值方法分析相變材料層在墻體中位置對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明相變材料設(shè)置在墻體中靠近室內(nèi)一側(cè)對室內(nèi)環(huán)境的改善能力較強(qiáng)；相變墻體設(shè)置于南墻上對室內(nèi)環(huán)境的改善效果優(yōu)于東西墻。此外，該研究還確定了墻體內(nèi)充注相變材料的最佳相變溫度為22±0.1℃。

3.3 主動相變蓄熱在建筑中的應(yīng)用

由于相變材料熱阻較大，僅采用被動傳熱方式難以獲得最有效的利用，因此許多研究采用主動的方式增強(qiáng)其蓄放熱能力。Diarce等人[37,38]提出一種主動通風(fēng)相變墻體，該墻體由外至內(nèi)依次為相變材料層、風(fēng)道層、聚苯乙烯保溫層、承重磚層（圖6）。在風(fēng)機(jī)作用下，相變材料受太陽輻射蓄積的熱量在夜間通過強(qiáng)制對流釋放至室內(nèi)，以此保持夜間室內(nèi)溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該墻體使得室內(nèi)氣溫提高1.1℃，在晴好天氣可提高至2℃。Kong等人[39,40]將石蠟與膨脹珍珠巖以6:4的質(zhì)量比混合后制成板狀置于房間內(nèi)墻表面，通過毛細(xì)管與太陽能集熱器耦合，形成太陽能相變墻體蓄熱系統(tǒng)。日間利用水循環(huán)將集熱器收集的熱量注入墻體內(nèi)部，夜間再通過墻體與室內(nèi)自然對流換熱釋放熱量，以達(dá)到提升室內(nèi)氣溫改善熱環(huán)境的目的。對比發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)使得室內(nèi)氣溫平均提升5℃，降低采暖能耗44%。Evola等人[41]為降低辦公樓等大型建筑的夏季能耗，將房間內(nèi)墻替換為微膠囊相變材料砌筑的墻體，并在墻體靠近走廊一側(cè)設(shè)置空腔，以便在夜間引入清涼室外空氣以強(qiáng)制對流的方式排除相變墻體內(nèi)蓄積的熱量。研究發(fā)現(xiàn)，受強(qiáng)制對流影響，空腔側(cè)當(dāng)量傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于房間側(cè)，夜間室內(nèi)熱量始終由室內(nèi)流向相變墻體及空腔，因此該系統(tǒng)使得夜間室內(nèi)氣溫平均降低0.7℃。

圖6 主動式相變蓄熱墻示意圖[38]

4 結(jié)束語

在當(dāng)前時代背景下，兼顧舒適性與節(jié)能需求已成為建筑領(lǐng)域的主流研究方向，相變材料因自身具有強(qiáng)大的蓄熱能力以及恒溫蓄放熱的特點(diǎn)可在此領(lǐng)域大顯身手，通過對其傳熱能力以及在建筑結(jié)構(gòu)引入形式等方面的優(yōu)化，均可起到穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境、提升使用者舒適度的作用。不僅如此，由于相變材料還可通過太陽能蓄熱，在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時，一定程度上降低了空調(diào)及供暖的能耗，順應(yīng)了當(dāng)前我國綠色發(fā)展的方向，為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。