崔 艷 琦

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相變材料熱性能及其在室內(nèi)被動式儲能系統(tǒng)的簡易計算

崔 艷 琦

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院城市建設學院，廣東廣州 510225）

相變材料具有固定的相變溫度，當環(huán)境溫度高于或低于相變溫度時，自動發(fā)生熔化或凝固，同時吸收或釋出潛熱，在熔化和凝固過程中，保持溫度恒定。相變材料這種獨特的性能，得到了全世界各國政府和研究機構的高度重視。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)應用的被動式基本結構模型，并參照前人研究結果，簡易計算出相變材料在室內(nèi)被動式控溫需要相變材料的數(shù)量，為相變材料在室內(nèi)等領域的推廣應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-固相之間的相互轉變的材料。這四種相變之中，固-氣和液-氣相變過程會產(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際儲能生產(chǎn)中很難應用，研究和應用較多的是固-液相變材料。固-液相變材料發(fā)生相變時，材料本身可以吸收或釋放大量的熱。當環(huán)境溫度高于相變溫度時，固相發(fā)生融化，同時吸收環(huán)境的熱量，并保持本身的溫度恒定不變；當環(huán)境溫度低于相變溫度時，液相發(fā)生凝固，同時釋放熱量[2]。相變材料的這種周而復始變化的特殊性能，對于解決周期性變化的氣溫和能源消耗具有很好的實際效果。例如可以把白天的太陽能儲存起來，晚上需要的時候釋放出來使用，也可以把用電低谷時的電能儲存起來，轉移到用電高峰的時候使用，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)有關資料報道，建筑消耗的能源占社會耗能總量的30%～40%，是耗能大戶，而建筑室內(nèi)的耗能占整個建筑耗能的50%[4]。因此，近幾十年來，世界各國政府和科研機構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，從主動的室內(nèi)空調(diào)降溫到被動的儲能降溫節(jié)能研究和應用，且取得了很好的成效。被動式相變儲能技術則是目前研究最熱、效果最明顯的領域之一。雖然影響相變儲能的因素很多，但是其中最關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)被動式降溫系統(tǒng)的應用基本結構，并根據(jù)有關經(jīng)驗，提出該種模型耗能的簡易計算方法，為相變材料的室內(nèi)降溫應用研究提供參考。

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變成液相時吸收環(huán)境熱量，反之液相轉變成固相時向環(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用的重要前提，也是影響相變儲能系統(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，相變儲能系統(tǒng)占的體積就越小。據(jù)有關研究報道，潛熱的大小與物質(zhì)結構有關，有機相變材料其碳原子越多潛熱就越大；無機相變材料的水合物其結晶水越多，往往其潛熱也越大；無機熔融化合物其相變潛熱與其正負離子絕對值成正比[5]。從熱力學上來分析，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) 熱力學公式

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

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，在加熱到熔點溫度時，就產(chǎn)生熔化并吸收大量的潛熱，當相變材料冷卻時，所儲存的潛熱釋放到環(huán)境中去，進行從液態(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，形成一個寬的溫度平臺，這個溫度范圍稱為相變溫度。相變溫度決定于物質(zhì)本身的化學結構，不同的相變材料其相變溫度是不同的，有機相變材料的相變溫度往往較低，無機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用環(huán)境的主要條件，不同的應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)境的溫度應該是滿足人體最舒適的溫度，即20～26 ℃[6]。但是，在實際的應用中，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合在一起，生產(chǎn)成適宜相變溫度的復合相變材料。復合相變材料的相變溫度可根據(jù)實驗進行測定，也可以根據(jù)有關公式進行計算，重慶大學杜開明[7]對有機化合物相變材料進行復合，構成低共熔物的相變溫度實測值與施羅德公式[式(2)]計算值一致，該公式表述見式(2)

式中，A為A組分的摩爾分數(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：間壁兩側流體主體間溫度差為1 K時，單位時間內(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雜，相變材料在相變過程中存在一個模糊的兩相區(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行傳遞，在固化的過程，相變材料主要通過傳導的方式進行傳遞，對流傳熱系數(shù)往往比導熱傳熱系數(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。相變儲能效率主要取決于能量的儲存與釋放的速度，而往往相變材料的導熱性能又比較低，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)量分數(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行改性，可以提高其導熱系數(shù)。

2 被動式室內(nèi)相變儲能空調(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。有關研究表明，人體皮膚與環(huán)境進行能量交換的溫度為37 ℃，若高于或低于此溫度，人就會感到不適，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，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，嚴重污染環(huán)境。因此，自20世紀70年代以來，人們就開始研究和探索新的能源資源和技術，相變材料儲能技術就是其中效率最高和最干凈的新能源技術之一。早期相變材料在建筑中的應用主要有相變墻體、相變門窗、相變天花板和地板等圍護結構。在這些圍護結構里封裝進相變材料，當外界溫度高于相變材料的相變溫度時，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，達到節(jié)能的目的。目前，相變材料在建筑中的應用逐步轉向可移動式的被動式相變儲能空調(diào)器，其結構如圖1所示[9]。

該儲能控溫系統(tǒng)是把相變材料安裝在箱式的鋁盒里，空氣通過小風扇從下面進風口進，然后經(jīng)過相變材料進行熱交換后，從上面出風口排出，通過控制出口風量可以調(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

相變儲能是利用材料本身在特定的溫度條件下發(fā)生相變，自動吸收或釋出熱量，從而達到調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的效果，屬于被動式儲能過程，所以其節(jié)能效率的評價可以從系統(tǒng)改變環(huán)境溫度的能力進行計算，也可以從系統(tǒng)直接傳給環(huán)境的熱量進行計算。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行評價，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)上述研究結果和MEHLING等對不同厚度傳熱系數(shù)的經(jīng)驗總結，簡易計算室內(nèi)被動式相變儲能系統(tǒng)的節(jié)能效果。

我國有關環(huán)境標準要求，室內(nèi)空氣新風量為每人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)設計溫度為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該在26 ℃左右。相變材料在熔化時候吸收的熱量，在材料里以潛熱的形式儲存起來，在凝固時又釋放出來，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，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

如果忽略圍護結構的熱損失，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排風量計算，每小時需要的能量為

每人每天需要降溫的時間從上午10時至下午16時，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進行計算，a為34 ℃，pcm為26 ℃，則每個盒的傳熱量為

（6）

把有關數(shù)據(jù)代入得

根據(jù)上述周全等[11]有關研究結果表明，相變材料的儲熱效率為30%，因此，每個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，則每個封裝相變材料質(zhì)量為

4 結 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，相變材料可直接應用于建筑室內(nèi)儲能取暖和降溫，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)人的生理條件，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能材料，其相變溫度為22～26 ℃。當白天室內(nèi)的溫度高于26 ℃時，相變材料發(fā)生熔化并吸收熱量，降低室內(nèi)溫度，當夜間室內(nèi)溫度低于26 ℃時，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)。在實際應用中，可以通過多種相變材料的復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)進行計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，研究方向為綠色建筑節(jié)能技術，E-mail：1328313514@qq.com。