山东科技大学郭清华&山东建筑大学何文晶团队J. Energy Storage：太阳能-相变储能复合墙耦合技术与热性能研究

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发布时间：2025/8/23 11:00:34

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摘要

本研究提出一种基于太阳能的复合墙供暖系统，将光伏板、太阳能集热墙与CaCl₂·6H₂O相变材料（PCM）集成，实现冬季近零能耗供暖。白天，集热墙加热空气后，部分热空气直接送入室内，另一部分加热墙内PCM；夜间PCM释放潜热维持室温。通过水热解残渣吸附CaCl₂·6H₂O制备复合PCM，解决相分离与过冷问题。设计热交换箱（HEB）与三种复合墙构造，并采用Ansys Fluent模拟验证。结果表明：系统在18㎡房间中可维持室温≥16℃（95.12%时间≥18℃），最大温升19.7℃；年节能6159 MJ，生命周期节能1.85×10⁵ MJ，CO₂减排27.9吨（对比燃煤）。该技术适用于新建或既有住宅节能改造，兼具经济性与环境效益。

研究背景

建筑能耗占全球总量34%，碳排放占比37%，发展可再生能源建筑技术迫在眉睫。太阳能集热墙与PCM虽在实验室取得进展，但建筑应用仍受限：

太阳能间歇性：仅白天供热，需储能补偿；
PCM缺陷：无机水合盐（如CaCl₂·6H₂O）存在过冷、相分离及循环稳定性差等问题；
系统集成缺失：现有研究缺乏与建筑围护结构一体化的设计实践。

本研究针对青岛地区（冬季设计室温18℃），提出太阳能-PCM复合墙系统，通过建筑整合设计实现全天候供暖。

研究内容

系统设计：集成光伏供能、太阳能集热、PCM储热与智能温控，分白天储热（9:00-17:00）与夜间释热（17:00-次日9:00）两阶段；
材料优化：以CaCl₂·6H₂O为PCM（相变温度29.6℃，潜热191 kJ/kg），采用污泥/木屑水热解残渣吸附改性，提升循环稳定性；
构造创新：设计HEB模块（0.6 m×0.6 m×0.18 m），内含螺纹翅片铜管强化换热；提出南向、非南向及隔墙三种复合墙构造方案；
验证方法：以18㎡房间为例，通过热工计算匹配HEB数量，Ansys Fluent模拟结合实验验证性能。

结果讨论

1. 模拟结果

储热阶段（Stage I）：PCM平均温度从18℃升至43.7℃，液态分数15:30即达1.0，早于设计17:00，归因于高效集热与HEB结构优化；

释热阶段（Stage II）：室温从18℃升至峰值22.6℃（20:00），后缓降至17.7℃（次日9:00），95.12%时间≥18℃，满足热舒适需求；无HEB时室温降至1.4℃，凸显系统有效性。

2. 实验验证

搭建1.2 m×1 m×1.5 m实验房模型，对比有无HEB的室温变化。实验与模拟趋势吻合，最大偏差0.9℃（误差6%），验证模型可靠性；

偏差来源：模型密封性、材料热阻差异及环境风扰动。

3. 经济性分析

初始投资：18㎡房间需8340元（含光伏、HEB、PCM等），显著高于空调（3000元）、燃煤锅炉（1850元）、集中供暖（1250元）；

生命周期成本（30年）：系统总成本17,016元（含10年更换PCM及铝板），低于空调（63,000元）、锅炉（44,060元）、集中供暖（21,410元）；

静态回收期：对比空调、锅炉、集中供暖分别为3.1、6.3、13.0年。

4. 节能与环保效益

年节能：6159 MJ，生命周期累计1.85×10⁵ MJ；

CO₂减排：生命周期减少27.9吨（燃煤）或8.8吨（天然气），环境效益显著。

总体结论

本研究通过建筑-材料-能源跨学科整合，提出太阳能-PCM复合墙系统，突破传统太阳能供暖间歇性瓶颈：

技术创新：改性CaCl₂·6H₂O PCM与HEB模块化设计，实现高效储热与建筑一体化；

性能优异：室温稳定维持≥18℃，年节能6159 MJ，生命周期减排27.9吨CO₂；

经济可行：虽初始投资高，但30年周期成本最低；

推广价值：适用于新建装配式建筑或既有住宅节能改造，为“双碳”目标提供技术路径。

图文概览

图1、储能复合墙系统示意图

图2、太阳能集热墙优化设计示意图

图3、热交换箱（HEB）平面示意图

图4、热交换箱横截面示意图

图5、复合墙供暖系统示意图

图6、南向墙横截面图

图7、南向墙平面图

图8、东/西/北向墙横截面图

图9、东/西/北向墙平面图

图10、隔墙横截面图

图11、隔墙平面图

图12、热交换箱物理模型（3D与2D截面）

图13、房间物理模型

图14、实验房屋模型

图15、热交换箱实验模型

图16、热交换箱内部结构示意图

图17、PCM封装过程示意图

图18、实验与模拟温度测点位置示意图

图19、有无HEB的实验与模拟温度对比

图20、储热阶段PCM平均温度与液态分数变化曲线

图21、释热阶段室温、表面温度及中心点温度变化曲线

图22、无HEB房间的模拟温度与温升对比

作者信息

Qinghua Guo, Fei Xia

单位：Department of Architecture and Urban Planning, College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China

Wenjing He

单位：Institute of Architectural Technology, School of Architecture and Urban Planning, Shandong Jianzhu University, Jinan, Shandong 250101, China

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.est.2025.115953

（信息来源：能源材料及应用）

山东省储能学会

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