1、相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能在建筑供暖空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用研究 提要以1997年召開的第7屆國(guó)際儲(chǔ)能會(huì)議文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，綜述了近年來國(guó)際上有關(guān)應(yīng)用研究成果和動(dòng)態(tài)，指出了近期該領(lǐng)域中一些值得研究的問題。關(guān)鍵詞：蓄熱 相變 化學(xué)反應(yīng) 應(yīng)用研究AbstractBased on the literature of the 7th International Conference on Thermal Energy Storage, Reviews the research progress and trends of latent heat storage and chemical reaction in heating

2、, ventilation and air conditioning, and puts forward some problems needed to be solved in the near future.Keywords：thermal storage，phase change，chemical reaction，applied research 1 引言近年來相變及化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能研究的一個(gè)熱點(diǎn)是其在建筑領(lǐng)域（包括建筑空調(diào)和供暖）的應(yīng)用。這一方面是由于建筑行業(yè)在世界各國(guó)都是舉足輕重的行業(yè)，其技術(shù)進(jìn)步將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，另一方面是由于人們對(duì)環(huán)保和節(jié)能的日益重視以及晝夜電價(jià)分計(jì)制

3、產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)。1997年日本召開的第7屆國(guó)際儲(chǔ)能會(huì)議論文集中的很大一部分文章集中在此領(lǐng)域，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)即International Energy Agency (IEA)下屬項(xiàng)目組ECES (Energy conservation through energy storage)討論確定的1998年啟動(dòng)歷時(shí)3年的Annex10（主題是相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱）也將相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在建筑中的應(yīng)用列為最主要的研究方向，其參加國(guó)家為加拿大、芬蘭、德國(guó)、日本、波蘭、瑞典、瑞士、英國(guó)和土耳其2。相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在建筑空調(diào)和供暖領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要分為3個(gè)方面：相變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供暖儲(chǔ)熱系統(tǒng)和空調(diào)蓄冷系統(tǒng)，由

4、于空調(diào)蓄冷系統(tǒng)方面的研究?jī)?nèi)容很多且自成體系，其研究情況已屢見報(bào)道，故在此只介紹相變和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在前兩方面的應(yīng)用研究情況。就筆者所知，我國(guó)在此領(lǐng)域內(nèi)的研究剛剛走步，且離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)距離。考慮到該領(lǐng)域的研究面較廣，涉及建筑、暖通空調(diào)、材料和工程熱物理等學(xué)科，需要引起我國(guó)上述領(lǐng)域研究者的足夠關(guān)注，才能取得一些實(shí)質(zhì)性成果，并使之真正具有工程應(yīng)用價(jià)值。因此，本文將近年來發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域的部分研究工作和研究動(dòng)態(tài)作一簡(jiǎn)介，以期對(duì)我國(guó)該領(lǐng)域的研究有所幫助。2 研究綜述21 化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱在供暖和空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用3德國(guó)Fisher博士研究了利用沸石儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)熱網(wǎng)峰谷負(fù)荷的供暖系統(tǒng)。其原理見圖1。該系統(tǒng)運(yùn)行

5、模式及其與建筑及供暖系統(tǒng)的連接方式見圖2。圖1 沸石儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作原理圖圖2 沸石儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式及其與建筑及供暖系統(tǒng)的連接這一系統(tǒng)已在實(shí)際建筑中應(yīng)用，建筑供暖面積為1625m2，熱負(fù)荷（環(huán)境溫度-16時(shí)）為96kW，熱源為熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)，采用7000kg沸石，加熱功率為130 kW，充熱溫度為130180，儲(chǔ)熱密度為180 kWh/m3，系統(tǒng)COP約為1。22 相變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)微生物熱性能的影響221 蓄熱建筑結(jié)構(gòu)對(duì)熱舒適和空調(diào)能耗的影響4以往在濕熱的環(huán)境中人們往往只重視強(qiáng)化通風(fēng)而忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)貯能對(duì)室內(nèi)環(huán)境的改善作用，所以在建筑物中較多使用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（lightweight structure）

6、。H Hirayama等人利用模擬方法研究了建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱容對(duì)房間熱性能的影響。他們以木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)分別作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和重質(zhì)結(jié)構(gòu)的代表，模擬分析了空調(diào)和供暖系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下采用兩種結(jié)構(gòu)的建筑的熱特性。空調(diào)和供暖系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：空調(diào)或供暖系統(tǒng)江作，滲新風(fēng)；空調(diào)或供暖系統(tǒng)每天6：0024：00間歇運(yùn)行；空調(diào)或供暖系統(tǒng)每天24h連續(xù)運(yùn)行，以保證室內(nèi)恒定的舒適溫度。圖3給出了能上能下3種情況下室溫曲線。 圖3 3種情況下重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)的室溫曲線注：室溫為合成溫度（resultant temperature)或運(yùn)行溫度(operative temperature)注：室溫為合成

7、溫度（resultant temperature)或運(yùn)行溫度(operative temperature) 研究結(jié)果表明，重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：可降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，使建筑供暖或空調(diào)不用或少用能；可以減小所需空氣處理設(shè)備（加熱及制冷）的容量，同時(shí)可使空調(diào)或系統(tǒng)利用夜間廉價(jià)電運(yùn)行，降低空調(diào)或供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。空調(diào)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略對(duì)重質(zhì)結(jié)構(gòu)的使用效果有較大影響，此外房間的體積與表面積比、濕度控制及通風(fēng)情況對(duì)使用效果也有一定的影響。重質(zhì)建筑構(gòu)件的使用效果受以下因素影響：建筑構(gòu)件的熱容及其放置位置，建筑朝向，建筑保溫材料的性能和放置位置，通風(fēng)情況，氣象條件，空調(diào)或供暖系統(tǒng)的使用。222

8、 吸收太陽(yáng)輻射熱的相變蓄熱地板5為降低冬季室溫的變化幅度，減小供暖能耗，提高建筑物的舒適度，S.Hokoi等人討論了在地板內(nèi)安裝吸收太陽(yáng)輻高壓的相變蓄熱板的使用效果。該工作建立了分析采用相變地板的房間熱性能的物理模型，研究了影響房間溫度、房間平均溫度的因素，分析了墻體和相變材料的儲(chǔ)、傳熱過程，同時(shí)提出了確定所用相變材料最佳相變溫度的準(zhǔn)則。圖4為模擬研究考慮的房間情況，圖5為日射和外溫條件，圖6為采用相變地板和普通地板的房間地板和室內(nèi)溫度示意圖。模擬研究分析了無蓄熱系統(tǒng)和相變材料熔點(diǎn)分別為11，13，15時(shí)房間溫度和地板溫度的逐時(shí)變化規(guī)律，并分析了通過墻、窗和地板等建筑構(gòu)件以及通風(fēng)和輻射等不同傳

9、熱方式的逐時(shí)熱流量。分析結(jié)果表明：選擇具有合適相變溫度的相變材料很重要：相變溫度太高，蓄熱效果不明顯，即白天地板和室溫太高，夜間則太低；相變溫度太低則相反；房間的平均溫度與地板中是否有相變材料無關(guān)，與相變材料的相變溫度也無關(guān)。模擬分析中，將地板溫度視為常數(shù)（等于最佳相變溫度），則可由定地板溫度求得房間溫度，這樣做大大簡(jiǎn)化了分析，造成的誤差卻很?。?.1 ）。 圖4 房間示意圖圖5 日射和外溫條件圖6 地板和室內(nèi)溫度示意圖1 室溫(含相變材料，熔點(diǎn)13)2 地板溫度(含相變材料熔點(diǎn)13) 3 室溫(不含相變材料)4 地板溫度(不含相變材料) 223 特朗勃墻（Trombe Wall）結(jié)合夜間電加

10、熱的蓄熱系統(tǒng)6JOnishi等人研究了被動(dòng)式太陽(yáng)房特朗勃墻（Trombe Wall）結(jié)合夜間電加熱的蓄熱系統(tǒng)的熱性能，用CFD模擬了以下4種工況的效果：電加熱器置于特朗勃墻內(nèi)；電加熱器置于特朗勃墻室內(nèi)側(cè)；電加熱器置于地板表面；與工況相同，但加熱溫度為40。工況的電加熱功率為1kW。模擬分析表明，相變蓄能墻不僅能夠有效利用太陽(yáng)能，而且能貯存夜間電加熱器加入的熱量供次日白天使用；加熱器置于墻內(nèi)比放在墻表面效果要好；工況效果比工況略差。23 相變儲(chǔ)熱與供暖空調(diào)相結(jié)合的系統(tǒng)231工程 相變儲(chǔ)能系統(tǒng)與吊頂送風(fēng)結(jié)合7利用吊頂送風(fēng)，無需安裝送風(fēng)管道，省時(shí)省力。若不采用保溫吊頂，還可節(jié)省建材。結(jié)合相變儲(chǔ)能，吊

11、頂送風(fēng)的使用效果會(huì)更佳。T.Miura等人利用吊頂送風(fēng)進(jìn)行了研究，送風(fēng)方式有以下4種：吊頂送風(fēng)；準(zhǔn)備間用吊頂送風(fēng)，白天則通過管道向室內(nèi)送風(fēng)；管道送風(fēng)，吊頂回風(fēng)；管道送風(fēng)，門或墻上百葉回風(fēng)。空調(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行設(shè)定溫度有3種：不用相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，8：0018：00開空調(diào)，空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)定值為26；用相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，白天（8：0018：00）降溫，夜間（18：000：00）蓄冷，空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)定值為26；與相同，但空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)定值為變量：8：0018：00為25，10：0013：00為25.5，13：0018：00為26。對(duì)比研究表明，采用上變儲(chǔ)能系統(tǒng)的吊頂送風(fēng)方式比較經(jīng)濟(jì)，室內(nèi)平均輻射溫度低于采用其它3

12、種空調(diào)系統(tǒng)及送風(fēng)方式的相應(yīng)溫度；利用吊頂送風(fēng)可以減小室溫和平均輻射溫度差，有利于空調(diào)系統(tǒng)的控制；將空調(diào)運(yùn)行和平均輻射擊溫度差，有利于空調(diào)系統(tǒng)的控制；將空調(diào)運(yùn)行溫度從一常數(shù)改為變量，可以保證熱負(fù)荷在一天內(nèi)保持均勻，避免出現(xiàn)峰值負(fù)荷。232 利用樓板蓄熱的吊頂空調(diào)系統(tǒng)為了減少白天空調(diào)電耗，利用建筑結(jié)構(gòu)蓄熱是一條有效的途徑。典型的方法是在樓板中安裝冷、熱水管（或電加熱器）。M.Udagawa等人8研究了夏季此類系統(tǒng)的使用效果，夜間（23：00次日7：00），利用空調(diào)系統(tǒng)使樓板降溫，冷卻后的樓板可降低次日午時(shí)熱負(fù)荷。他們對(duì)以下4種情況進(jìn)行了研究：空調(diào)系統(tǒng)僅在白天運(yùn)行；24h運(yùn)行，設(shè)定室溫為22（18：

13、00次日8：00）；吊頂送冷風(fēng)，設(shè)定吊頂溫度為16，供冷時(shí)間為23：00次日7：00；在樓板中裝冷水管，冷水溫度為7，供冷時(shí)間為23：00次日7：00。研究結(jié)果顯示：方式對(duì)于降低白天冷負(fù)荷最為有效，雖然總負(fù)荷與方式相近，但由于方式僅用夜間用電，所以比方式節(jié)省運(yùn)行費(fèi)。方式全部用白天高價(jià)，室內(nèi)溫度也較高；方式雖然耗能最少，但總耗能量卻最大。Ryu等人9比較了一種天花板、地板蓄熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行模式的使用效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。夜間電價(jià)低谷時(shí)，通向房間的送風(fēng)閥關(guān)閉，空氣在天花板空間內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，冷卻天花板和地板。白天，送風(fēng)閥打開，將冷風(fēng)送到房間。圖7 利用樓板蓄熱的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了夜間蓄冷10h

14、（22：00次日8：00）、早晨蓄冷3h（5：008：00）和只在辦公時(shí)間開空調(diào)系統(tǒng)3種模式下房間溫度和地板溫度以及人體熱反應(yīng)預(yù)測(cè)值PMV逐時(shí)變化情況。結(jié)果表明，模型導(dǎo)致清晨室內(nèi)溫度降至22.5，房間溫度太低；模式在辦公開始時(shí)間房間溫度驟然降低，但PMV保持在0.3范圍內(nèi)，最穩(wěn)定；模式比模式省電22%。此外，通過模擬程序PSSP模擬分析了以下7種工況下的室內(nèi)溫度和電耗情況：認(rèn)間不蓄冷；蓄冷10h，出口空氣溫度16；蓄冷10h，出口空氣溫度12；蓄冷10h，出口空氣溫度8；蓄冷5h，出口空氣溫度16；蓄冷5h，出口空氣溫度12；蓄冷5h，出口空氣溫度8。結(jié)果表明：10h蓄冷會(huì)導(dǎo)致房間溫度過低；5

15、h蓄冷時(shí)房間舒適程度相對(duì)較高；工況的PMV保持在0.5內(nèi)；與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，工況和工況的能耗分別降低45%和75%，工況，的運(yùn)行費(fèi)用分別降低27%，37%和47%。M.Yamaguchi等人10討論了帶有相變蓄熱的房間地板的加熱系統(tǒng)，由于在日本夜間電價(jià)僅為白天的1/3，因此準(zhǔn)備間使用熱泵作為熱源，并結(jié)合相變蓄熱地板是比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式。研究的房間條件如下：房間面積40m2，高2.4m，無窗，總傳熱系數(shù)K=1.94W/( m2/)，房間熱損失1.79kW，室外空氣溫度為-3，室溫為23。地板由上往下依次為相變材料層、水管和隔熱材料，面積26 m2。相變材料：Na2SO410H2O，熔點(diǎn)為32，

16、凝固點(diǎn)為30，貯熱密度43.0Wh/kg，總蓄熱量28.5kW。采用水-水熱泵，夜間運(yùn)行8h。壓縮機(jī)功率為2kW，供、回水溫度分別為43和37，流量為15L/min。熱泵系統(tǒng)、輸配管路和地板的連接如圖8所示。圖8 熱泵系統(tǒng)、輸配管路和地板的連接圖圖9顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明房間溫度可保持在20左右。圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(1月27日17:00至1月28日13:00) 233 樓板儲(chǔ)熱系統(tǒng)的模糊預(yù)測(cè)控制11相變蓄熱地板，由于其控制簡(jiǎn)單安全，可望得到廣泛應(yīng)用。在相變蓄熱地板，由于其控制簡(jiǎn)單安全，可望得到廣泛應(yīng)用。在相變蓄熱地板的系統(tǒng)控制中，對(duì)次日所需熱能的預(yù)測(cè)是很必要的。R.Mizuno等人研究了預(yù)

17、測(cè)方法，以確定夜間應(yīng)將蓄熱材料加熱至多高的溫度。他們建立了到達(dá)最高控制溫度所需時(shí)間的預(yù)測(cè)公式，為保證最高設(shè)定溫度不致過高或過低，他們用模糊推理法建立了所需熱能的預(yù)測(cè)法，即如果邏輯前提（氣候條件、環(huán)境溫度和室內(nèi)平均溫度差以及兩天熱負(fù)荷之差）變化，就要改變?cè)O(shè)定的最高溫度，文獻(xiàn)11列出了28種模糊控制結(jié)果。3 近期值得研究的一些問題通過文獻(xiàn)綜述并結(jié)合自身的科研實(shí)踐，我們認(rèn)為以以下問題值得進(jìn)一步研究：開發(fā)適合在建筑隊(duì)?wèi)?yīng)用的相變材料；建立分析相變建筑構(gòu)件的物理模型，并使之與國(guó)際流行建筑熱環(huán)境模擬軟件匹配，在建筑熱過程模擬程序中添加考慮相變儲(chǔ)能建筑結(jié)構(gòu)的模塊，使相變建筑構(gòu)件使用效果的計(jì)算具有通用性和可比性

18、；研究相變儲(chǔ)能構(gòu)件的使用條件（包括氣象條件）及其設(shè)計(jì)方法；開展與模擬研究對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證/修正模擬研究結(jié)果。筆者受知識(shí)、水平和視角的局限，以上綜述和所提問題難免偏頗，誠(chéng)望得到批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)1 張寅平，胡漢平，孔祥冬，等。相變貯能-理論和應(yīng)用。合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1996。2 Fredrik Setterwall. Phase change materials and chemical reactions for thermal energy storage - A proposal for future work. 國(guó)際能源機(jī)構(gòu)內(nèi)部報(bào)告。3 S Fischer. Therm

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