相变蓄能材料在建筑节能中的应用——以墨尔本CH2办公楼为例

相变蓄能材料在建筑节能中的应用——以墨尔本CH2办公楼为例
发表时间：2012-12-18T11:37:34.873Z 来源：《建筑学研究前沿》2012年8月Under供稿作者：陈卓然
[导读] 相变蓄能材料作为一种节能材料在建筑领域得到了广泛应用。

陈卓然（南京大学建筑与城市规划学院，江苏省南京市，210093）
摘要：相变蓄能材料作为一种节能材料在建筑领域得到了广泛应用。

本文对相变蓄能材料的作用原理、性能特点进行了介绍，并以墨尔本CH2办公楼为例，讨论了材料在建筑节能中的应用情况和特点。

最后指出了目前存在的问题，对相变蓄能材料的发展前景进行了展望。

关键词：相变材料；建筑节能；应用；墨尔本CH2办公楼
1 引言
随着社会经济的发展和科学技术的进步，人类对各种能源的使用也越来越深入。

但是在利用能源的过程中，能源的供应与分配依然存在着时空上的不一致性。

人们设想是否存在着一种合理方法，可以预先存储能源，而在需要使用的时候又可以迅速的释放出能量。

而相变蓄能材料就是一种很好的解决方式。

相变蓄能材料可以在物质发生相变时吸收或释放热能，控制环境温度，借此达到存储和使用能量的的目的。

相变蓄能材料是当前材料学研究中十分重要的研究内容，同时在建筑学科中也有越来越多对其实际应用的探索。

2 相变蓄能材料的作用机理及类型
相变材料的特点即其潜热性，在相变过程中，材料会吸收环境中的热量并存储，而在逆相变过程中，这些存储的热量又可以释放出来，这种能力称为相变潜热。

潜热的优势在于它具有比显热更大的储热能力，同时相变过程的全程中材料几乎处于恒温状态，因此相变材料有更好的节能性，并有效保持人体舒适度。

根据相变材料的化学成分可将其分为无机物、有机物、复合物三类。

无机物包括水合物盐类、熔融盐类、金属类等，其储热密度大，成本较低，但有冷度大和易分离的缺点。

有机物包括石蜡、脂肪酸和多元醇等。

它避免了无机物冷度大易分离的问题，但导热系数低、燃烧性能差是其缺点。

复合物是无机物和有机物的混合，避免了这两类的单一问题，但具有潜热较低、稳定性差的缺点。

而根据相变过程的形态变化，一般分为四种类型：固气相变、液气相变、固液相变及固固相变。

一般来说，前两者涉及到气体形态，虽然具有更大的潜热，但是由于相变过程中体积变化剧烈，较难控制，因此在建筑材料中应用较少。

而固液相变体积变化和潜热情况都较适中，是当前实际应用中使用较多的类型，但对容器有一定要求。

而固固相变体积变化最小，对容器要求最低，是目前相变材料研究的重点。

3 相变蓄能材料在建筑节能中的应用情况
（1）相变蓄能材料作为储能器件
这种方法主要是用容器装载材料，利用其对工质的加热和冷却完成热量的传递。

它有利于固液相变时材料的形态转换，通过附加装置可以进一步提高材料的传热效率。

（2）相变蓄能材料与围护结构结合
通过浸泡、能量微球、直接掺入等方法使相变蓄能材料进入建筑构件内，形成复合相变蓄能建筑材料。

这样既可以提高围护结构的隔热性能，提高其节能性，同时可以间接的降低建筑采暖制冷系统的运行负荷，减少能耗。

另外，与围护结构结合后可在更小的构件体积内实现原有的热工性能，就可以增加建筑的使用面积。

（3）相变蓄能材料与采暖制冷系统结合
这种结合主要是利用相变蓄能材料对能源的储存能力，调整能源的时空不均匀分布，达到有效利用能源的目的。

如可利用相变蓄能材料部分储存白天产生的太阳能，在夜间将能量释放，以改善建筑的室内热环境，这样可以更充分的利用这类低品位能源，并改善其能源制备的稳定性。

或是通过利用夜间的电力波谷，以低电价制备能量并存储，供白天时使用。

4 墨尔本CH2办公楼的相变蓄能材料应用
墨尔本市政府2号办公楼（Council House 2，以下简称为CH2办公楼）位于澳大利亚墨尔本市中心商业区的Little Collins 街200号。

这栋办公楼于2004年开始施工建设，2006年8月交付墨尔本市政府使用。

CH2办公楼是一栋10层预制混凝土结构建筑，基地面积为1316
m2，总建筑面积为12536 m2，包括1995 m2的地下室和500 m2的底层商铺，标准层面积为1046 m2。

其总造价为5100万澳元（含建筑设备），约有540名政府工作人员。

2005年3月22日，澳大利亚绿色建筑委员会将CH2办公楼评为6星级绿色建筑（最高级别），这也是澳大利亚第一座6星级绿色建筑。

CH2办公楼使用的相变材料是无机盐和有机混合物，熔点约为15°C。

这一冰点可以通过改变混合物的配比进行调节。

这些相变材料被储存在直径100mm的30000个金属球内，总共有三个相变材料池存储这些金属球。

相变材料系统的具体工作方式是：由冷却塔和制冷机冷却后的水进入相变材料池，增加相变材料池的整体冷度。

一个单独的密封水循环系统从相变材料池流经冷梁板，对建筑进行冷却，喷淋塔则对来自冷梁板的水在进入相变材料前进行预冷后再流回池内，与外部的冷却水进行热交换后继续循环。

在白天，相变材料系统处于制冷方式，对输出至冷梁的水进行冷却，夜间相变材料处于“充电”模式，冷却塔将冷气输入至相变材料储存供第二天使用。

使用相变材料的目的在于利用夜间低温空气提供的免费冷源来储存冷气，在白天对建筑进行制冷，以尽可能少的减少能耗。

在传统建筑中，制冷完全由制冷机通过利用电力来完成，而在CH2办公楼中，储存了冷气的相变材料可以在需要时提供制冷所需的冷却水。

这套相变材料系统具有1200kw的蓄冷能力，冷源由电气制冷机、喷淋塔和冷却塔提供，其中冷却塔为主要部分。

相变材料系统在过渡季节效率更高，而在夏季则相对有限。

设计希望在全年63%的时间内由冷却塔对相变材料供冷，其他时间则使用制冷机。

5 相变蓄能材料在建筑节能中的优点
相变蓄能材料在建筑节能应用中的主要优点是：
（1）可自动调节环境温度，调节简单可靠
相变蓄能材料主要利用其潜热大的特点调节温度，在调节时可使环境温度较为稳定，并且相变作为物化过程，无需太多的机械和电子设备控制，一方面可以降低系统成本，同时整个调温过程也简单可靠。

（2）更加合理有效的利用能源，减少无谓能耗
相变蓄能材料的使用可以利用波谷期的低电价存储能量，而在波峰期使用能量，即起到“削峰填谷”的作用，这样减少能耗，避免了电
力的无谓浪费。

同时相变蓄能材料可以和太阳能、风能这些稳定性差的新能源利用方式结合起来，通过蓄能放能的控制保证能源使用的稳定性，促进新能源的发展。

（3）节约建筑材料，优化建筑物内环境
相变蓄能材料与建筑围护结构的结合可以使建筑物在具有同等热工性能的前提下大大减少围护结构厚度，一方面可以节约建筑材料，另一方面可以优化建筑物室内热环境，进一步改善人体的舒适度。

6 结语
相变蓄能材料在建筑中已经开始逐步应用，并取得了良好的使用效果，但相变蓄能材料仍然存在着一定问题，并对其进一步扩大应用规模产生了制约：（1）耐久性问题，即在现有的相变蓄能材料应用中，材料的蓄能稳定性、蓄能能力的持久性、热物理性质的耐久性，以及材料与基体的兼容性等尚未达到预期的性能标准。

（2）经济性问题，即现有的材料价格及加工工艺的成本，仍然太高，总体提高了能量的利用成本，丧失了其在能量利用上的效率优势。

（3）其他问题，如蓄能性能的进一步提高，相变临界点与人体舒适温度的契合等。

但不可否认的是，相变蓄能材料是一种高效优质的节能材料，在建筑节能方面表现出色，随着科学研究和实践探索的进一步发展，相变蓄能材料会得到更大规模的应用，为社会经济、环境做出更大的贡献。

参考文献
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[2] 涂逢祥主编.建筑节能(37)[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002
[3] 张寅平，康艳兵，江亿.相变和化学反应储能在建筑供暖空调领域的应用研究[J]. 暖通空调.1999,29(5)：34-37。