石蜡变相材料实现高效利用太阳能，让建筑变为热能的“储蓄罐”

石蜡变相材料实现高效利用太阳能，让建筑变为热能的“储蓄罐”

近年来，相变材料（PCM）在建筑节能领域的应用越来越受到关注。其中，石蜡作为一种具有相变特性的材料，因其优异的热能储存性能而备受青睐。本文将详细介绍石蜡基相变材料在建筑中的应用原理、优势及具体案例。

变相材料是什么？

相变材料（Phase Change Materials，PCM）是一种在温度不变的情况下能够改变物质状态并释放或吸收潜热的物质。这种物质会在相变过程中经历物理性质的转变，同时释放或吸收大量的潜热。

相变材料在电池热管理技术（Battery Thermal Management，BTM）领域备受关注。这项技术主要利用PCM在熔化和凝固过程中释放和吸收的相变潜热（Latent heat），来改善电池组内部温度的分布和稳定性。近年来，PCM在BTM中的应用受到广泛关注。

传统的BTM方法通常采用强制风冷或液冷等方式，但存在成本高、冷却效率低以及工艺复杂等问题。而PCM的应用可以改善这些问题，实现更加节能的热管理方案。

为了提高PCM的传热性能，开始致力于合成复合PCM，其中一种常见的方法是构建导热骨架。这些骨架通常与金属相耦合，或者添加膨胀石墨或活性炭等材料。这些金属和碳材料虽然可以增加PCM的导热性能，但同时也会显著增加PCM的导电性，这在应用于BTM时会增加短路和漏电的风险，从而降低电池的安全性。

关于建筑环境的概况

建筑物消耗很多能源，大约占全球能源消耗的45%左右，排放的温室气体也差不多这个比例。由于人口增加、城市化、经济发展和生活质量提高，建筑业的能源使用一直在增加。据国际能源机构的研究，如果不采取措施，到2060年，建筑物的能源需求可能会增加30%。

建筑物消耗的能源中，很大一部分用于建筑服务，如供暖、通风、空调和生活热水。预计从2010年到2050年，空调的能源需求会增加70%以上。近些年来，人们广泛认为将可再生能源应用到建筑物中，特别是利用太阳能热能，是减少空调能耗的有效方法之一。

太阳能是最吸引人的可再生能源之一，不仅可以直接为室内加热提供热源，还可以用来实现可再生冷却。但是，由于太阳能是不稳定的，因此需要将太阳热能和热能储存结合起来，以实现合理的能源管理。在多种储热技术中，使用相变材料（PCM）的储热技术越来越受关注。

相变材料是一种能够在特定温度范围内通过相变吸收、储存和释放大量热能的物质。相变过程中，固液相变的PCM由于其体积变化小，适合在建筑环境中应用。与普通的热储存相比，使用相变材料的储热技术不仅减少了储存体积，还可以在相对恒定的温度下释放热能。

相变材料主要分为有机、无机和共晶材料，有机相变材料又可以进一步分为石蜡和非石蜡。石蜡在广泛的温度范围内都有相变，从零下到摄氏100度以上都适用。

石蜡不仅有理想的相变温度范围，还具有相变一致、自成核、避免过冷、不会腐蚀、化学稳定性长期保持，而且成本适中等优点。然而，石蜡的特点包括不易燃烧、导热性不高、单位体积所能储存的热量相对较少。

当石蜡受热到大约60°C或更高温度时，它会发生相变。这个特性加上之前提到的好处，让石蜡成为在建筑领域中用来储存太阳能热能的一个很好的选择。这可以帮助加强太阳能辅助的暖通空调（HVAC）和热水供应（DHW）发电系统。

建筑用石蜡基相变储热材料的研究

在建筑领域中，使用石蜡来提升能源利用效率的方法有两种主要方式。第一种是将石蜡基相变材料（PCMs）与太阳能集热器结合使用，以增强系统的热效率，并在需要时作为能量储存器。另一种方法是将这些石蜡基PCMs作为独立的储热单元，与太阳能热收集器连接，为建筑提供持续的热供应。

在这两种方法中，首先需要通过吸收热量将石蜡储存能量，然后通过传热流体（热传导介质）将其用于特定应用，比如室内加热或冷却。

将石蜡基相变材料与太阳能集热器相结合，可以降低太阳能收集器的温度峰值，延长其使用寿命，同时提高能源系统的热效率，还能现场储存能量。例如，科学家们将相变温度约为60°C的石蜡，通过添加纳米铜颗粒进行增强，应用在水加热中。

研究表明，在太阳能集热器中加入石蜡，能显著提升系统的能源利用效率，但纳米铜颗粒的导热效果有限。科学家们还尝试制备了大量的石蜡基PCM复合材料，比如PCM与压缩膨胀天然石墨的复合材料，并将其应用在平板太阳能热水器下面。

经过大量对不同材料的评估，发现石蜡基PCM复合材料（RT 65/CENG）具有较高的热稳定性、导热率和储存密度，是最适合的选择。研究结果显示，这种材料在夏季可以有效地提高太阳能利用率，但由于平板太阳能集热器的高热损失，冬季的太阳能利用率较低。

相较于热损失较高的情况，将石蜡基相变材料与真空管集热器结合使用似乎更有潜力。例如，有一种熔点为67°C的石蜡，科学家们将其填充在真空管热管太阳能集热器的歧管中，作为储热单元，以提升热水供应的性能。

研究发现，这种新的系统和PCM可以让太阳能热水器更有效率。这个系统可以在55-60%的热效率下工作，不受抽水量变化的影响，而传统的系统则没有这个能力。科学家们进行了一系列实验，发现将一种叫做石蜡的物质放入真空管中可以提高系统的性能，相比之下使用赤藓糖醇效果没有那么好。

和普通的太阳能热水加热相比，这个新系统的热效率提高了26%。石蜡的融化温度是58-62°C，可以用来储存热能。实验结果显示，使用这个石蜡在带翅片和无翅片的真空管中，能量效率分别提高了35.8%和47.7%。

虽然使用翅片会在蓄能过程中阻碍石蜡的传热，但在释放热能的过程中却有利于提高整体能量效率。

使用石蜡基相变材料作为TES单元

当使用独立的太阳能集热器时，有一种方法是将相变材料（PCM）与传热流体罐结合在一起，以实现热能的储存。这个流体罐里装有一种叫做石蜡的特殊物质，它可以在一定温度下融化。通过这种设计，我们能够同时储存两种类型的热能：一种是显热，就是温度上升时释放的热量，另一种是潜热，是物质相变（融化或凝固）时释放或吸收的热量。

这种设计不仅可以提高热能储存的能力，还有一个额外的好处，就是它可以帮助减少热能在储存过程中的损失。具体来说，石蜡会帮助在水箱中的水形成温度分层，这样冷水和热水就不会直接混合，从而减少热量的流失。

在这个领域的研究中，科学家们选择合适的相变材料，这些材料的相变温度和形状都是很重要的。举个例子，他们封装了石蜡在球形胶囊里，然后将它放在水箱中，以用于家庭热水应用。石蜡的融化温度是60°C，这样可以在适当的温度范围内实现热能的储存和释放。

科学家们还进行了不同方式的热水回收实验，发现间歇式热水需求时，间歇式排放方法更加适合。他们还测试了其他相变材料的组合，比如含有石蜡的球形胶囊，这些实验都是为了找到最优的设计。

总的来说，这项研究表明，利用相变材料作为热能储存的方式在太阳能热水系统中是可行的。不同的设计和相变材料选择会影响系统的性能，但这些研究有助于我们更好地理解如何有效地储存和利用太阳能产生的热能。

不同于第一种情况，第二种方案只是把相变材料（PCM）储热单元当作换热器来使用，用来储存热能的。举个例子，有些研究者进行了数字研究，他们把不同相变温度的三种蜡封装在球形胶囊里，放进热储单元里的不同部分，用来做不同热储阶段。研究发现，通过提高放热和吸热速度，可以提升系统的灵活性。

但是，通过增加相变材料的层数来获得热效益有限。有些人把熔化温度在56-65°C左右的一种蜡放进了管壳式的换热器，用于太阳能热水系统中的热储。他们做了实验来分析系统在不同水流量下的能量效率和使用寿命成本。结果显示，较大的水流量可以提高能量效率和降低使用寿命成本，但同时会降低火炉的使用效率。

另外，有些研究者进行了关于空气基相变材料填充床的测试，他们验证了一些可能的热储填充床模型。他们通过实验测量找到了适合的模型，可以用不同的工质来描述热传递函数，用来表示何时相变材料储热单元的工作最好。

结论

石蜡是一种特殊的材料，它可以在特定温度下从固体变成液体，这种变化叫做相变。这个相变温度对太阳能的储存非常有用。我们可以在建筑中利用石蜡相变来解决太阳能使用的问题，因为太阳能并不是一直都有，有时候会有间断。

我们可以举两个例子来说明，一个是利用太阳能辅助加热系统，另一个是太阳能辅助除湿冷却系统。这些系统里面会用到石蜡相变材料。研究发现，利用石蜡相变材料可以改善室内加热和冷却效果，让能源利用更有效率。通过使用石蜡相变材料来储存太阳能热量，建筑的采暖、通风和空调系统都可以得到很大的改善。