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住宅建筑节能技术
摘要：住宅建筑大多是指在敏感的气候条件下，通过建筑围护结构在室内和室外环境形成俩个隔离体系，防止在夏季和冬季的热量损失。正确使用储能技术可以大大降低住宅室内的能源需求，同时也能更好地改善室内环境质量。本文提供了一个简要回顾了几种能源主动和被动的存储技术在住宅建筑的应用。特别注意的是相变材料（PCM）的使用，它已被研究了几十年，而且最近有越来越引起人们的兴趣。 通过对PCM嵌入墙系统建模方法的比较研究，提出了一种新的模拟程序，可以以一个更加稳定和快速的方式储存墙壁和建筑物的热性能和能量。本文还提出了一种集成PCM与东北农村民居传统火炕采暖系统案例研究。同时还对技术和经济俩个方面的性能的解决方案进行了探讨。
关键字：储能，相变材料，能源建模，住宅，炕
简介
使用较轻的建筑结构，受到较少的内部荷载，更简单的室内布局，这样的住宅建筑更容易受到室外气候的影响。 建筑围护结构作为室内外环境的分离和连接，防止了夏季的热损失和冬季的热损失。通过增强建筑围护材料的能量储存能力，以帮助减少能源需求的住宅，同时提供更好的室内环境质量。在开发合适的节能住宅解决方案时，需要考虑以下几个重要因素：能量密度、效率、输出功率、毒性、寿命、可靠性、自放电、储存时间、成本。在这些因素可以被公平地评估之前，重要的是分析储存能量的潜在用途 。据美国能源信息管理局的一项调查，平均大约有59%的居住能源用来加热空气和水，12%用来为空调和冰箱提供能源，另外29%解决其他的用电需求。因此，最能理解的是，住宅能源储存的研究一直在热储存。 在实际温度下，将热能转化为电能的效率非常低。 因此，需要特别注意和认真研究替代产生电力的能源存储的方法。用于住宅用途来说，电池和压缩空气是潜在的能源储存媒体。 虽然这个方法从根本上比其他方法更有效，但是这两者的解决方案可能在经济上并不是明智的。
本文提供了一个简要回顾了大量的无论是主动还是被动的能源存储技术在住宅建筑的应用。注意热能储存（TES）就是特别注意利用相变材料（PCM），它已被研究了几十年，而且最近引起越来越多的兴趣。建模方法进行了较为系统的PCM嵌入墙模型和一个新的仿真程序的开发，可以模拟一个更稳定的和快速的PCM嵌入墙并且存储建筑物的热性能和能量。本文还提出了一种将相变材料与农村民居的炕传统采暖系统做出比较，传统的炕由砖石结构，利用余热加热烹调。同时对技术和经济俩方面的性能的解决方案进行了探讨。
住宅建筑节能技术综述
现在有许多潜在的能量储存方法。本文的研究重点是测试电池和压缩空气储能（CAES）在住宅中的应用，这似乎是最相关的而且是很有前途的。TES的类别是显热储存，潜热储存，化学存储，化学可分为可逆化学反应进一步吸附。表1中是各储能技术的优缺点 。
表1 不同储能方法优缺点的总结
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方法 |
优点 |
缺点 |
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显热储存 |
廉价，可靠，长寿命，无毒材料 |
低能量密度、自放电 |
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潜热储存 |
比显热储存和同等温度的一些材料廉价和丰富，无毒，能量密度更重 |
许多材料是易燃或腐蚀性，相分离可能发生 |
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化学储存 |
极高的能量密度，没有自我放电 |
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电池 |
高效率，高功率 |
短寿命，有毒材料 |
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压缩空气 |
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能源效率 低下 |
热库
研究最多储存能量的住宅应用试验的形式，大致就是表格中的前三种。
TES的详细评论进行是由Cruickshank（2009），李和王（2012）共同完成的。
合理的能源存储
合理的能源储存（SES）是一个最简单的，最便宜的和最可靠的能源存储方法。这种方法是加热一些材料并它从环境中热隔离，直到进行必要的热释放。这些能量能否被合理的存储数量取决于材料的热能力和它所能维持的温度。显热储存的主要缺点是它有一个储能系统能量最低的密度，它有放电时间。 然而，显热储存一直是最长和最广泛使用的形式的能量储存。
SES最常用的材料是水，因为水是廉价的，丰富的，无毒的，并具有相对高的热容量。水的存在形式有很多，可以被储存到水箱里，地下蓄水层或者其他水体，比如池塘。显热储存的其他方式包括石床和土壤。研究显热储存的主要领域就是对一个显热储存问题的改进。分层是用来帮助保持温度差之间存储的热量和热源，从而增加能量储存。在2008年Chung等人发现，在一个分层的储水箱中的扩散池的形状在系统的性能中起着重要的作用。此外，他们提出了一个新的设计，在一个矩形水箱，提高分层的扩散。其他的研究小组设计了分段存储，可变位置的入口，和其它设备来减少混合和提高合理的存储性能。
潜热储能
潜热储能（LES）采用相变材料储存的热能。选择的材料必须是在工作温度有一个相位变化的液体，气体，或更典型的固体到液体。选择PCM还需要考虑其熔化热（热量多少可以存储在其相变），导热性，毒性，腐蚀性，和相分离等特点。相变材料通常分为有机物（石蜡、脂肪酸、烷烃）和无机物（盐） 。表2列出了具体的有机和无机PCM的优点和缺点。在过去的几十年里，居住区的研究已广泛深入，文献中的研究种类丰富。更深入的相变储热是zalba等人的研究。
相变材料最好放在建筑物表面，即墙壁，屋顶和地板。这是因为这个外壳提供了更大的从大楼的房间供热传输区域。被太阳能加热，热是从太阳收集的并存储在PCM的外壳中。当需要热量的时候他会释放，主动加热是一个类似的概念，是相变材料在白天用光伏发电或便宜的电网加热。当需要热的时候，它又被释放了。 PCM的冷却，PCM与通风的室外冷空气进行换热。PCM在白天吸收热来冷却里面的建筑。
在很多对复合材料、封装相变材料的研究中都是以提高导热系数，尺寸稳定性，和保形为目的的。
表2 有机和无机复合相变储热材料的优缺点
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PCM |
优点 |
缺点 |
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有机材料 |
无腐蚀性，低或无过冷度、化学稳定性和热稳定性 |
低相变焓、导热系数低、易燃性 |
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无机材料 |
相对高的相变焓 |
过冷度、腐蚀、相分离、相分离、热稳定性不足 |
化学储能
化学储能可以分为化学反应和热化学（吸附）过程。在一般情况下，化学存储具有很大的优势，包括非常高的存储密度和不自放电。然而，仍需要做大量的研究，以找到所需的操作性能的材料，具有更高的性能系数，并且是经济可行的。 化学储存更全面的理解可以在Got-Gore等人的研究中了解到。
吸附过程：在吸附过程中吸附固体或液体或者吸收气体或液体的成分十分自然。使用这些工艺试验，从吸附剂中施加热量收费系统和去除吸附或解吸成分。当能量充足时两者保持分开，当需要能量时，系统是通过把两个组件一起返回进行热释放。反应物根据热力学约束通常被选择为特定的应用程序。化学吸附的主要问题是在反应发生器中，这是导致低功耗系统的传热和传质的主要因素。Hauer提出了TES对吸附过程的更详细的理论 。
Mauran等人使用SrBr2建立了吸附储能系统的另一个例子。他们选择了这一反应物，因为它满足的热力学约束如下： （1）利用小于80℃太阳能集热器，（2）有一个最低环境温度—7℃，（3）具有最大环境温度35℃，连同其他约束。它也不需要有毒的化学物质，它具有高的能量密度。他们的原型有总体积为1m3，它能够存储60千瓦时的加热和40千瓦时冷却。这是一个数量级小于理论上的预测，因为这是有一些其他的可以接受的加热或者冷却的力量存在。然而，它们仍然没有发挥加热和冷却的力量，这将是足够好的商业用途。这是因为有低的反应层和热交换器壁之间的传热，这正是Mauran等人计划证实的。
可逆化学反应：在使用可逆的化学反应后，能量储存的基本概念是把一种材料加热，这样它就可以将其分离成另一个组成部分，然后将其分离并储存起来，直到需要能量时成分重组创造热量。选择反应组分需要考虑的重要问题是反应温度、反应物的反应性、反应器和换热器的传热传质过程。可逆化学反应提供的能量存储方法的最高能量密度，存储密度服从GJ = M3的规律。金属氧化物的水化和碳化研究主要集中于化学反应的研究。Ervin在研究中发现了一种更为具体的可逆化学反应储能理论 。
与吸附储存一样，化学反应所面临的主要问题是反应发生器的热质迁移和低的热力学效率 。因此，许多研究都采用复合材料来改善这种性能。改善这些化学反应系统的热力学性能的一种方法是使用所需的操作条件来设计工程师的材料。 大多数简单的金属氧化物和水的反应里没有这些分解温度。通过充分混合活泼的MgO和分解温度低的NiO，得到的复合物化可能创建是典型的住宅能源存储应用程序。
电池
电池是许多研究中的能量储存方法之一。然而，他们大多是应用于小规模的程序中，当上升到住宅规模时电池的能力受到了怀疑。 使用电池的好处是，它们提供了极高的能量效率和功率输出。电池的主要问题是：（1）不能循环使用，一次性物品（2）有显著的自放电现象（3）有些电池使用有毒材料 （4）它们可能是易燃的 .NiCd,NiMH,Li-ion是当今最突出的电池。
电池在家中已被广泛用于太阳能发电的能源储存。Leadbetter和Swan做了一个模型试验，他们预测，适当使用他们指定的锂离子电池系统可以持续使用10-20年。另外，他们发现使用一个5千瓦时的电池系统在加拿大的建筑中可以减少42%到49%的高峰需求。固态电池展现了很多潜在的作为一个安全的（不燃）、高鲁棒性的电池技术，预计在3–5内年应用于商业。
压缩空气
CAES系统是一个简单的，很好理解的技术。这个想法是驱动压缩空气并将其储存在一个容器或洞穴中。当需要能量时，压缩空气通过涡轮膨胀产生电。CAES系统研究了公用事业规模的能量储存已经几十年了。CAES第一个工厂是1978年建立在德国的290-MW厂,但仅仅几年里，这个厂子一直是推动这项技术向前发展的。原来，在公用事业规模，CAES了展现了大量的相对廉价的能源存储方法的途径。然而，CAES的住宅规模是另一个考虑因素之一，目前只有少数的研究。
CAES的优点是它是可靠的，它的自放电忽略不计，它不使用有毒材料，它的系统有很长的寿命。CAES系统有一个常见的问题就是在空气压缩过程中空气和热量的温度上升到环境中消失了。此外，在扩展过程中的温度下降和外部热源的热量必须有的，这样使空气回到室温。这些影响导致一个相当低的热力学效率。通常情况下，天然气是用来在空气膨胀时加热，但是它并不是一个完全可再生能源系统。 此外，当他们在工厂里，如在德国，使用这种技术，他们仍然只达到约
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