不同气候下相变材料的节能效率探究

　　摘    要：　在现代建筑材料中，相变材料（PCM）因其具有巨大相变潜热的特殊性能，在国内外绿色建筑领域得到了日趋广泛的运用。通过合理选择和使用相变材料，可以有效降低建筑运行过程中的能源消耗，更好地发挥清洁能源的优势。为了对相变材料的节能特性有更加清晰的了解，尤其是其在不同气候区域的情况下的节能工况，需要对该材料进行深入的分析。从研究中可以充分看出，该材料在早晚温差比较大的地区最为适宜应用，而在常年温度比较高的地区产生的节能效果非常有限。因此，针对于不同气候区域，需要合理选用相变材料，以达到节能的目的。

　　关键词：　建筑; 相变材料; 节能率;

　　0、前言

　　近年来，随着社会经济的不断发展，化石能源消耗量也逐渐增加，人类赖以生存的化石能源的消耗越来越严重，特别是煤、石油、天然气等不可再生资源，全球环境正面临严重的威胁。目前解决能源紧缺问题的方法主要有两种：一种是“开源”，即寻找可利用的可再生能源，例如，太阳能、风能、地热能、潮汐能等。另一个方面是“节流”，主要是通过节约资源利用，采用更加节能环保的材料等方式实现。对国内建筑行业来说，目前“开源”的实施难度较大，因此，一般情况下主要采取的方式还是尽可能“节流”。建筑作为人类活动必不可少的一部分，调查表明，建筑行业在全球能耗总量中占据30%～40%[1]。为了对抗持续增长的能源消耗，尤其是建筑用电量的持续增长，建筑的主、被动节能措施以及可再生能源利用的相关研究在近些年得到了极大的拓展。其中，相变材料作为一种特殊的储能材料，将其应用于建筑中，可以有效调节室内温度，为人们打造舒适的居住环境，使建筑能耗可以控制在合理的范围内。然而，由于不同相变材料均具有独特的材料性能，不同气候环境可能会对特定材料的使用产生影响。
 

　　1、 相变材料的选择

　　将相变材料应用于建筑中，可以使建筑维护结构具有相对更好的隔热作用，使室内居住者可以获得更加舒适的居住体验，避免空调和供暖系统的过度使用导致建筑能耗增加。相变材料的选择方式多样，可根据相变温度、导热系数、相变焓值、密度、成分等特征按需进行选择。Barreneche等研究者[2]结合相变温度建立了与相变材料相关的相变材料数据库（图1），该数据库包含上百种相变材料，可满足不同建筑的需要。如图1所示为相变温度与相变潜热关系图，从该图中可以明确看出不同的颜色代表着不同领域的相变材料。商业中应用的相变材料以黑色表示，相变温度高低同时存在，需求针对性地选择相变材料。适用于生活环境的相变材料以绿色表示，相变温度可以保持在18℃以上，最高不会超过30℃；应用于冷却系统的相变材料；不同成分的相变材料表示，其中收录最多的是有机相变材料，选择材料时，要结合目标建筑的温度范围，选用相变温度相符合且相变焓值较高的材料，同时需兼顾考虑备选材料的化学稳定性、传热效率、经济成本等其他方面因素。

　　图1 不同类型相变材料展示[2]

　　2 、不同气候下相变材料的节能效率

　　即使采用同一种相变材料，但是其在不同气候下进行应用时产生的节能效率会存在明显的差异，为了更好地了解相变材料，发挥相变材料的优势，全面降低建筑能耗，需要对不同气候条件下，相变材料的节能效率进行大致对比。因此，此次研究选用savENRG品牌[3]的相变材料PCM-HS22P（相关性能指标见表1）作为研究对象，采用仿真软件对该材料在不同气候夏至条件下的节能性能进行分析。如表1所示，不同的相变形态PCM-HS22P相关性能指标有所不同，在变色形态为固态时，其热值为2.2 kJ/kgK，相变潜热185 kJ/kg，导热系数为1.13 W/mK，相变温度为22℃。在相变形态为液态时，其热值为3.04 kJ/kgK，相变潜热185 kJ/kg，导热系数为0.56 W/mK，相变温度为23℃。可以明显看出两种不同的形态在相变潜热与相变温度都没有较大的差异，而在热值与导热系数两方面的指标在固态和液态中就出现了较大差异，说明该材料在液态时相关工作效率更高。

　　表1 PCM-HS22P相关性能指标

　　如表2所示，在不同的洲际，相变材料节能效率呈现出明显的不同。在同一个洲际不同的地区，不同的气候特点，其节能效率也有所不同。在所研究的所有城市之中，在欧洲马德里的温带大陆性气候条件下的PCM节能性是最好的，其具体述值为27%。在非洲开罗的亚热带草原和亚洲深圳的亚热带至热带海洋性气候条件下PCM节能性是最差的，为0%。

　　表2 夏至不同气候下相变材料节能效率对比

　　对于给定的建筑，在绝大多数情况下，在维护结构中添加或附加相变材料可有效地降低建筑能耗，且对提升室内舒适程度、降低结构热峰值等方面有着一定的效果。以上分析中，马德里的夏季气候最适合HS22P材料的使用，其原因为较大的夏季昼夜温差（19～32℃）所带来的高传热效率。另一方面，开罗、背景、深圳三地夏季气候因夏季夜晚最低温度均高于该材料的相变温度（开罗24℃、深圳25℃、北京22℃），无法满足相变条件，因此采用该相变材料无法达到节能的效果。

　　可以看出，该相变材料（PCM-HS22P）在夏季温带气候条件下，均能带来不错的节能效果。其中，从适用区域来看，欧洲大陆的整体气候条件更有利于相变材料的应用，其原因在于(1)较大的昼夜温差；(2)气温变化范围更接近人体舒适温度区间（18～24℃）[4]。

　　3、 延伸分析结果

　　基于对上述夏季不同气候情况的适用性分析的结果进行延伸研究，可得出下列结果：

　　(1）在建筑中应用中，相变材料需要对性能、安全性、价格等进行全面的分析和考虑。一般来说，如此次采用的PCM-HS22P相类似的非有机相变材料，其相变焓值与一般大于有机相变材料，其安全性能（可燃性、化学性质等）和经济性也通常较好，但同时也易发生不均匀沉淀、热胀冷缩等问题；

　　(2）建筑室内所应用的相变材料温度需要保持在18～24℃之间，以保证建筑内的人体舒适环境；

　　(3）针对于长时间处于温度较高或者温度较低的地区（温度变化幅度较小），选择的相变材料应避免相变温度与环境温度产生较大的差异，以此确保相变的顺利进行；

　　(4）针对于季节特征比较明显的地区来说，为了提升相变材料的工作效能，在可选择的温度范围内，以保温为主要目的气候使用的相变材料可尽量选择较低的相变温度，而以降温目的气候则可选择相变温度相对较高的材料；

　　(5）另外，通过文献研究可发现，现有的通过相变材料以实现建筑节能的研究大多仅限于软件模拟或微缩模型实验，缺乏实际应用的研究。

　　4 、结论

　　对于同一种相变材料来说，不同气候工况对其节能效率方面存在较大的影响。选择合适的相变材料时需要进行多方面考量，确保其特性与当地气候及建筑设计情况相适应。此外，现有的关于相变材料的研究均仅停留在理论阶段，因此，需要继续不断加强对相变材料的研究，重点分析建筑物实装数据，为相变材料在建筑节能领域的推广和应用创造更加良好的条件。

　　参考文献

　　[1] 蒋敏，方万军.相变材料在建筑节能中的应用研究[J].新型建筑材料，2020,47(4):151-153.
　　[2] Barreneche C,Navarro M E,Cabeza L F,et al.New database to select phase change materials:Chemical nature,properties,and applications[J].Journal of Energy Storage,2015(3):18-24.
　　[3] Pielichowska K,Pielichowski K.Phase change materials for thermal energy storage[J].Progress in Materials Science,2014,65(8):67-123.
　　[4] 王昭俊.智慧供热的目标：满足人的热舒适需求[J].煤气与动力，2019,39(7):8-11.