貯熱相變材料應用

1引言

我國能源現(xiàn)狀人均能源儲備量少，遠低于世界平均水平。能源開發(fā)利用設備和技術(shù)落后，能源利用效率低，浪費嚴重。環(huán)境污染嚴重。第1頁/共90頁2中國人口眾多，資源相對不足，許多重要資源人均占有量遠低于世界平均水平。我國石油可采資源總量為150~200億噸。其中2020年以前可供勘探利用的資源總量為150億噸，2020~2050年隨著技術(shù)進步和領域拓展，可供勘探利用的資源總量有望再增加50億噸，達到200億噸。石油資源總量在世界排第六位、亞洲排第一位。我國天然氣可采資源總量為14~22萬億立方米，其中2020年前可勘探利用的資源總量為14萬億立方米，2020~2050年可勘探利用的資源總量再增加8萬億立方米，達到22萬億立方米。天然氣資源總量列世界第五位、亞洲第一位。第2頁/共90頁3附能源標準煤的折算系數(shù)=某種能源每千克實際熱值/每千克標準煤熱值（7000千卡）。第3頁/共90頁4我國能源現(xiàn)狀2006，我國能源利用效率僅為34%，相當于發(fā)達國家20年前的水平，相差10百分點。一次能源生產(chǎn)總量增長11%，石油1.8%。從能源消費來看，按1990年不變價格計算，每萬元GDP能耗從1990年的2.68噸標準煤下降到2007年的1.06噸標準煤，降幅超過60%。從能源生產(chǎn)來看，2007年我國平均每千瓦時發(fā)電煤耗為357克，較之“十五”期間下降了20克左右。

第4頁/共90頁2014年7月19日,美國節(jié)能經(jīng)濟理事會(ACEEE)發(fā)布報告稱，16個最大的經(jīng)濟體中，美國在能源利用效率方面僅得42分，排在第13位。滿分100，中國得61分排第四，在建筑領域能源利用率得分19，居世界第一。2012年在12個經(jīng)濟體中，美國排在第9位。第5頁/共90頁第6頁/共90頁第7頁/共90頁8我國能源現(xiàn)狀廣義上的建筑能耗包括建筑運行使用能耗和建材生產(chǎn)與建筑建造過程的能耗，節(jié)能的重點和技術(shù)措施也有不同。

我國的建筑能耗現(xiàn)狀與趨勢

我國建筑總能耗約占社會終端能耗的20.7％。其中，北方城鎮(zhèn)建筑采暖和農(nóng)村生活用煤約為1.6億噸標煤/年，占我國2004年煤產(chǎn)量的11.4％；建筑用電和其它類型的建筑用能（炊事、照明、家電、生活熱水等）折合為電力，總計約為5500億度/年，占全國社會終端電耗的27％～29％。

我國建筑能耗的總量逐年上升，在能源總消費量中所占的比例已從上世紀七十年代末的10%，上升到27.45%(2014年)。

第8頁/共90頁9目前我們?nèi)珖课輸?shù)量有400億平方米左右，房屋建筑規(guī)模已超過所有發(fā)達國家。但在每年近20億平方米的竣工面積當中，只有五六千萬平方米是節(jié)能建筑，只占3%左右，97%屬于高耗能建筑。北京市一般住宅的采暖能耗基準數(shù)是25公斤標準煤，搞了節(jié)能措施以后實際能耗是23.9公斤標準煤。而在氣候條件相同的德國，其新建房的采暖能耗已經(jīng)從上個世紀70年代的24到30公斤標準煤降到現(xiàn)在的4到8公斤。我國每年蓋的房子普遍是節(jié)能很差的房子，如果這一狀況不加以改進，建筑能耗的未來將非常沉重。第9頁/共90頁10電力、鋼鐵、有色、石化、建材、化工、輕工、紡織8個行業(yè)主要產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進水平高40%；機動車油耗水平比歐洲高25%，比日本高20%；單位建筑面積采暖能耗相當于氣候條件相近發(fā)達國家的2倍—3倍。

第10頁/共90頁11全國水電與火電發(fā)電情況05年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月水電發(fā)電量181.4166.2209.9254.4347398.6404.2389.8374365.3293.6244.2火電發(fā)電量1650.51376.81675.61586.71521.31553.81717.31712.11622.51592.41696.91953.3數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計局《2014年電力工業(yè)運行簡況》2014年我國水電裝機容量和發(fā)電量分別歷史性突破3億千瓦和1萬億千瓦時，火電發(fā)電量則首次出現(xiàn)下降。2014年全國非化石能源發(fā)電量已占到25%左右（火電量占75%左右）。也就是說，全國每5千瓦時電中約有1千瓦時水電和0.25千瓦時其他非化石能源發(fā)電，或者說，每4千瓦時電中已經(jīng)有1千瓦時為非化石能源發(fā)電。2014年水電以外的清潔能源發(fā)電量情況為：風電1563億千瓦時，核電1262億千瓦時，太陽能發(fā)電突破200億千瓦時達231億千瓦時，同比分別增長12.2%、13.2%和171%，共占全國發(fā)電量5.6%左右，比上年提高0.7個百分點。第11頁/共90頁12電力電能供給相對恒定，需求變化不定。由于工業(yè)、商業(yè)和住宅的需求，電能消費在白天和夜晚的變化很大，特別是在極端氣候地區(qū)的空調(diào)和采暖的耗電。這種變化導致不同的峰谷電價，如果能把波峰電負荷轉(zhuǎn)移到用電波谷處，則會產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益。可用貯熱或蓄冷的方式達到這一目的。第12頁/共90頁13工業(yè)余熱電廠鋼廠玻璃水泥石化第13頁/共90頁14可再生能源太陽能太陽能供給變化較大。太陽能的應用需要有效的熱能貯存，有效的應用在很大程度上依賴于能源貯存。風能生物質(zhì)能第14頁/共90頁15相變材料從八十年代開始，PCM（PhaseChangeMaterials）已作為貯熱材料應用于太陽能建筑。用PCM強化石膏板、混凝土和其它磚塊的熱性能，以降低室內(nèi)溫度的波動，提高舒適性。第15頁/共90頁16第二節(jié)集中空調(diào)的相變貯能系統(tǒng)削峰填谷——分時計價：緩解或調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷，節(jié)約用戶開支蓄冷空調(diào)：制冷劑直接蒸發(fā)制冰系統(tǒng)；利用鹽水不凍液間接冷卻制冰系統(tǒng)；熱管式蓄冷系統(tǒng)；冰球式蓄冷系統(tǒng)。電能蓄熱。公共場所需求較高。第16頁/共90頁17制冷劑直接蒸發(fā)制冰系統(tǒng)第17頁/共90頁18利用鹽水不凍液間接冷卻制冰系統(tǒng)第18頁/共90頁19熱管式蓄冷系統(tǒng)

第19頁/共90頁20冰球式蓄冷系統(tǒng)第20頁/共90頁21蓄冷系統(tǒng)的設計部分蓄冷，全部蓄冷負荷經(jīng)濟性運行工況及耗電量系統(tǒng)控制第21頁/共90頁22

第三節(jié)PCM在建筑節(jié)能中的應用主動式部件建筑構(gòu)件第22頁/共90頁23建材構(gòu)件注入PCM的石膏板注入PCM的磚塊地板百葉窗天花板墻體添加阻燃材料第23頁/共90頁24Peippo等展示了在Madison,Wisconsin(43N)的120m2

房屋，每年節(jié)約4GJ(約占全年的15%).最佳狀況是熔點溫度高于室內(nèi)平均溫度1–3℃。第24頁/共90頁25第25頁/共90頁26第26頁/共90頁27第27頁/共90頁28第28頁/共90頁29第29頁/共90頁30第30頁/共90頁31主動式系統(tǒng)--例一采用空氣作傳熱介質(zhì)時，相變貯能裝置的貯熱體積比顯熱貯熱的小得多，且易于控制；右圖為標準的太陽能空氣采暖的原理圖，所用相變材料可以是無機鹽或石蠟；第31頁/共90頁32主動式系統(tǒng)--例二右圖是另一種以空氣為工質(zhì)的太陽能供暖系統(tǒng)，采用的是回轉(zhuǎn)圓筒型相變貯熱裝置。該實驗將十水硫酸鈉裝入250升的鋼制容器中，PCM只占該回轉(zhuǎn)容器的95%（否則轉(zhuǎn)不動）。從容器的一端沿回轉(zhuǎn)軸插入管狀結(jié)晶核發(fā)生裝置（解決過冷問題）。安裝在滾筒上的小型電動機以每分鐘3轉(zhuǎn)的速度回轉(zhuǎn)，可保證容器內(nèi)的蓄熱材料均勻（解決析晶）。第32頁/共90頁33建筑部件—PCM的選擇使用PCM作建筑貯熱材料有以下優(yōu)點：相變過程基本上在恒溫下進行，有利于把溫度變化維持在較小的范圍內(nèi)，提高舒適度；PCM的單位體積貯熱密度高，可大大縮小貯熱系統(tǒng)的體積。第33頁/共90頁34建筑部件—PCM的選擇在建筑應用中，相變材料的融點應接近所需求的室溫：十水硫酸鈉、六水氯化鈣以及石蠟是合適的材料，這些材料加入適當?shù)幕旌衔锖罂梢宰龀蓧?、地板、天花板，應用于諸如直接受益式、附屬溫室型、貯熱水墻式、Trombe墻等被動式采暖系統(tǒng)中；另外，羧酸、多元醇等有機化合物相變材料可灌入普通建筑材料中，特別適用于被動式太陽房。第34頁/共90頁35建筑部件—與建筑構(gòu)件的組合傳統(tǒng)PCM的三條使用途徑將相變材料密封在合適的容器內(nèi)；將相變材料密封在建筑材料中；將相變材料直接與建筑材料混合；定形相變材料直接應用膠囊第35頁/共90頁36將相變材料密封在合適的容器內(nèi)（途徑一）將PCM封裝在由鐵或塑料等做成的合適的容器內(nèi)例：將加入適當成核劑的十水硫酸鈉或六水氯化鈣封裝在由HDPE制成的容器中第36頁/共90頁37將相變材料密封在建筑材料中（途徑二）為防止相變材料的泄露，通常使用一些特殊的封接劑，如：用尿烷煤焦油做六水氯化鈣的封接劑，做成輕質(zhì)水泥磚；或用聚酯做封接劑，制成泡沫水泥瓦；不用普通水泥而用聚酯黏結(jié)劑和甲基丙烯酸甲酯添加劑組成的高分子混凝土制成磚瓦；需要注意的是由于相變材料與建筑材料的不相容性而引起的材料長期使用后的變質(zhì)問題。第37頁/共90頁38將相變材料直接與建筑材料混合這種方法的好處是結(jié)構(gòu)簡單、性質(zhì)更均勻、易于做成各種形狀和大小的建筑構(gòu)件，以滿足不同需要。主要的工作有：D.W.HawesandD.Feldman,Absorptionofphasechangematerialsinconcrete,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:91-101.D.W.Hawes,D.BanuandD.Feldman,Thestabilityofphasechangematerialsinconcrete,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:103-118.H.Kaasinen.Theabsorptionofphasechangesubstancesintocommonlyusedbuildingmaterials,SolarEnergyMaterials&SolarCells,27(2),1992:173-179.第38頁/共90頁39Absorptionofphasechangematerialsinconcrete

D.W.Hawes.Centreforbuildingstudies,ConcordiaUniversity,CA研究了水泥建筑材料對貯熱相變材料的吸收和保持的機理，建立了水泥構(gòu)件（多孔介質(zhì)）浸于液態(tài)相變材料中的浸潤時間、吸收面積與所吸收的相變材料的關(guān)系方程，分析了溫度、液態(tài)相變材料的黏度、水泥密度、氫鍵對相變材料在水泥構(gòu)件中穿透狀況的影響，并對水泥構(gòu)件中的空隙率及它們被相變材料填充的方式做了觀測和討論。對四種常用建筑水泥及其與篩選出的六種相變材料間的相容性、結(jié)合性能及穩(wěn)定性進行了實驗研究，得到了具有良好熱性能及穩(wěn)定性的相變材料-水泥組合。研究結(jié)果還表明，采用經(jīng)改進后的水泥后相變材料的穩(wěn)定性有所增加，這種效果對堿性較強的水泥尤其明顯。第39頁/共90頁40Theabsorptionofphasechangesubstancesintocommonlyusedbuildingmaterials

H.Kaasinen,TechnicalResearchCentreofFinland研究了常用建筑材料（石灰板、木屑板、多孔墻板、多孔水泥磚、水泥-沙-石灰合成磚等）對相變材料（羧酸、多元醇）的吸收問題。指出：羧酸進行的是固-液相變，建材吸飽羧酸后必須涂一密封層；多元醇在實際應用中發(fā)生的是固-固相變，將建材浸在其溶液中，吸收飽和后使溶劑蒸發(fā)完即可使用。其優(yōu)點是不需考慮密封問題，缺點是建材對其吸收能力差，因而制成的構(gòu)件熱容量不大。第40頁/共90頁41Capricacid羊醋酸Lauricacid十二烷酸Myristicacid肉豆蔻酸Neopentylglycol(NPG)新戊二醇Neopentylglycol(NPG)Pentaerythritol(PE)季戊四醇Pentaerythritol(PE)季戊四醇第41頁/共90頁42PorouswallboardWood-particleboardGypsumboardCellularconcrete(多孔)timberbrickconcreteabsorptionofcarboxylicacidinbuildingmaterials第42頁/共90頁43第43頁/共90頁44Porouswallboard第44頁/共90頁45第45頁/共90頁46第46頁/共90頁47建筑部件—蓄熱天花板夜間供暖系統(tǒng)利用百葉窗式反射鏡，將太陽反射到天花板上鋪設的片狀相變材料上，白天蓄熱，晚上供暖；片狀物由預制的塑料混凝土制成，其中封入由38%wt硫酸鈉，3%硼砂，8%氯化鈉，3%二氧化硅粉末和48%的水混成的相變材料；氯化鈉起降低融點的作用，硼砂和二氧化硅起促進結(jié)晶的作用；蓄熱材料的共熔點為22.8度；實驗表明能使室內(nèi)溫度維持在20度左右第47頁/共90頁48建筑構(gòu)件—墻體（美國）1978年，美國Delaware大學的InstituteofEnergyConservation

研究了一種相變貯熱墻板，以十水硫酸鈉為貯熱介質(zhì)。墻板面積為2平方米，內(nèi)裝57根HDPE圓管。實驗中，該墻板裝在雙層玻璃窗后，經(jīng)一天日照，在玻璃外蓋上隔熱層，開動電扇，由空氣將墻板所蓄熱量帶入室內(nèi)。測試數(shù)據(jù)見后圖。第48頁/共90頁49第49頁/共90頁50建筑構(gòu)件—墻體優(yōu)化（P.Kauraen）熔點被認為是被動式潛熱貯熱優(yōu)化運行中最重要的參數(shù)之一。最佳融化溫度取決于氣候條件，較典型的值在20-25度之間。鑒于此，P.Kauraen等人提出氣候條件優(yōu)化的PCM墻板的概念。PCM墻是直接受益式被動太陽房貯熱元件。能量平衡模擬表明，PCM的融化溫度可以調(diào)節(jié)在與氣候條件特定的最佳溫度相差正負1度的范圍內(nèi)，此時貯熱性能最佳。非最佳融化溫度將大大降低潛熱貯存容量，偏差3度就會造成50%左右的損失。P.Kauraen等人已開發(fā)出一種新的通用方法，可制備出在20-30度溫度范圍內(nèi)融化溫度可調(diào)的羧酸混合物。由于工業(yè)級羧酸很易得到，且具有很好的結(jié)晶性能?？赏诒粍邮教柲軣崂妙I域中推廣。第50頁/共90頁51建筑構(gòu)件—PCM墻體與水墻的比較（法國NICE）法國Nice測試房見右圖（1979）；中間集熱墻面積為2.8平方米，由26根管徑為5cm，內(nèi)裝100公斤chliarolithe(?PCM)構(gòu)成；實驗與67公斤水墻做了比較；有類Trombe結(jié)構(gòu)。第51頁/共90頁52Nice實驗結(jié)果多云晴天雨天第52頁/共90頁53建筑構(gòu)件-熱二極管墻體（Bourdeaus）PCM直接放在水泥板內(nèi)；白天，空氣通過空氣加熱器，被加熱，同時將熱量傳給PCM；夜間，貯熱單元與空氣加熱管間的通路被切斷，貯熱單元向室內(nèi)放熱，使夜間室內(nèi)的平均溫度高于環(huán)境溫度10-15度第53頁/共90頁54建筑構(gòu)件（美國LosAlamosScientificLab）在Trombe磚石墻中放置了裝有chliarolithe的HDPE平行管，放在雙層玻璃后的木架上。第54頁/共90頁55第55頁/共90頁56PCM墻性能的模擬研究

BourdeausLE,Studyoftwopassivesolarsystemscontainingphasechangematerialsforthermalstorage,LosAlamosScientificLaboratory,ReportNo.LA-UR-80-1669.可用于設計PCM墻體的厚度。為被動式太陽房的特征參數(shù)，是負荷與集熱面的比值，AP是實際采光面在垂直面上的投影面積。第56頁/共90頁57相變蓄能與合適通風相結(jié)合—夏季空調(diào)

HEFeusttel,StetiuC.Performanceevaluationofphasechangewallboardforresidentalcoolingapplication,LBL-XYZAB,UC-1600,1994,Berkeley,USA.在夏季晝夜溫差較大的地區(qū)，不用常規(guī)空調(diào)即可達到維持室內(nèi)熱舒適的目的。他們在墻體材料內(nèi)加入了石蠟，以增大墻體的蓄冷能力。第57頁/共90頁58PCM在被動式太陽房中應用綜述

SwetCJ,Phasechangestorageinpassivesolararchitecture,Pro.OftheFifthNationalPassiveSolarConf.,UniversityofDelaware,NewYork,282-296.認為十水硫酸鈉、六水氯化鈣和石蠟是合適的PCM；這些PCM可用在墻內(nèi)、地板中、天花板上。第58頁/共90頁59建筑構(gòu)件—相變蓄熱輻射式地板舒適度高；清潔；電差價；NPG。第59頁/共90頁60第60頁/共90頁61第61頁/共90頁62第62頁/共90頁63第63頁/共90頁64第64頁/共90頁65第65頁/共90頁66第四節(jié)相變材料在太陽能熱利用中的應用熱水器發(fā)電第66頁/共90頁67第五節(jié)其他應用第67頁/共90頁68第68頁/共90頁69第69頁/共90頁70第70頁/共90頁71第71頁/共90頁72第五節(jié)溫控航天器電子元件第72頁/共90頁73相變纖維美國隆孟特市（Longmont）的紡織測試和創(chuàng)新研究所的巴巴拉·伯斯（BarbaraPause）博士所強調(diào)的，熱效率是相變材料涂層隔膜的一大優(yōu)點，應用單層相變材料，可以代替目前使用的多層涂層結(jié)構(gòu)，這樣將節(jié)約大量材料。第73頁/共90頁74相變纖維纖維用相變材料的一個重要指標，即相變過程必須保持蓄熱性能的穩(wěn)定，無過冷、過熱現(xiàn)象，在洗滌等使用過程中蓄熱性能不損失、不變化。通常具有使用價值的纖維用相變材料的使用壽命一般大于1000次循環(huán)。第74頁/共90頁75相變纖維用于紡織調(diào)溫纖維的石蠟烴主要是含有12-24個碳原子的直鏈烴，其相變溫度為18-40℃，相變潛熱為200-300kJ/㎏。其優(yōu)點是石蠟無毒性、不腐蝕、不吸濕、潛熱大，一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定，且由于石蠟類化合物是石油精練的副產(chǎn)品，故其價格尤為低廉，但石蠟導熱系數(shù)小，通常采用添加金屬粉末、石墨粉的方法強化導熱。第75頁/共90頁76相變纖維當人體處于熱平衡時，感覺舒適的皮膚平均溫度在33.4℃左右，身體各部位的皮膚溫度與皮膚平均溫度的差在1.5-3.0℃范圍內(nèi)，人體感覺不冷不熱，若溫度差超過4.5℃范圍，人體將有冷暖感。第76頁/共90頁77相變纖維相變纖維能夠根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化，在一定的溫度范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)紡織品內(nèi)部溫度，當外界環(huán)境溫度升高時，可儲存能量；當外界環(huán)境溫度降低時釋放能量，使紡織品內(nèi)部溫度波動相對較少，人穿著、使用時會感覺更加舒適。相變纖維的保溫機理無論對變形、水分或氣壓都不敏感，無過悶、厚重感覺，能為人體提供舒適的微氣候環(huán)境。第77頁/共90頁78相變纖維浸漬法復合紡絲法微膠囊法微膠囊法是目前加工相變纖維最先進的方法之一。第78頁/共90頁79宇航設備1992年，Triangle公司將正二十一烷和正十八烷雙組分相變材料包封于微膠囊中，制成相變材料微膠囊，用于宇航設備的降溫處理。美國Outlast公司于1997年將Triangle公司的微膠囊整理織物技術(shù)實現(xiàn)了商業(yè)化。由這些纖維或織物制成的服裝能夠使身體損失的熱量降到最低，從而使人的身體處于