相變材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

孫繼志

（山東海逸恒安項(xiàng)目管理有限公司，山東 煙臺 264000）

1 前言

建筑采暖能耗在很大程度上與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和氣象條件有關(guān)，改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可改善建筑熱性能，是建筑節(jié)能的重要途徑。相變材料具有很高的蓄熱密度，應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)可有效增大房間熱容，同時(shí)相變發(fā)生在較小的溫度范圍內(nèi)，有助于提高熱舒適性。

對相變材料在建筑領(lǐng)域的研究主要分為以下幾個(gè)方面:1)新型相變建筑材料及其構(gòu)件的研制和性能研究;2)蓄能建材應(yīng)用方式和效果研究;3)墻體蓄熱和傳熱特性研究。

2 相變建筑材料的研制和性能研究

從20世紀(jì)90年代以來，對相變材料的開發(fā)已逐步進(jìn)入實(shí)用性階段。相變材料的制備和熱物理特性研究很多，包括新材料配方、相變溫度和潛熱等熱物性測量、熱壽命實(shí)驗(yàn)、多組分材料熱物性研究等。其中，可用于建筑節(jié)能的相變材料研制和封裝研究是相變蓄能領(lǐng)域一個(gè)重要發(fā)展方向。

相變材料用作建筑構(gòu)件可將其密封在建筑材料中或直接與建筑材料摻混。前者應(yīng)用過程中相變材料容易泄漏，通常要使用一些封接劑，目前國內(nèi)外一般借助于微膠囊技術(shù)和納米復(fù)合技術(shù)將相變材料封裝成微球，以此解決因相變材料與建筑材料不相容引起的材料長期使用后變質(zhì)問題。

德國BASF公司將相變材料封裝在微膠囊中，制成石蠟砂漿，砂漿內(nèi)含10%～25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石蠟微膠囊，即每平方米的墻面就含有750～1500g的石蠟微膠囊。厚度為2cm的此種砂漿其蓄熱能力相當(dāng)于厚度為20cm的磚木結(jié)構(gòu)。納米復(fù)合技術(shù)使膠囊尺寸進(jìn)一步降低，膠囊表面積與體積的比率增大，有利于提高相變材料的傳熱速率。

將相變材料與建筑材料摻混后性質(zhì)較均勻，易于做成各種形狀和大小的建筑構(gòu)件，目前該種方式已成為相變材料用作建筑構(gòu)件的主要應(yīng)用方式。加拿大康克迪亞大學(xué)建筑研究中心研究了相變材料在水泥中的穩(wěn)定性，分析了溫度、液態(tài)相變材料的粘度、水泥密度和氫鍵對相變材料在水泥中穿透狀況的影響。

國內(nèi)外文獻(xiàn)對定形相變材料的制備方法和熱物性及穩(wěn)定性有較多的研究。給出了定形相變材料的三種制備方法，熔融共混法、混合成型燒結(jié)法和封裝法。丁建紅等人研制了20-600C范圍石蠟-聚乙烯體系定形相變材料，用DSC和T-history法對其熱性能進(jìn)行測量，改進(jìn)了定形相變材料熱性能和阻燃性，將它與混凝土摻混，測量了其承壓特性，通過添加劑增大了其導(dǎo)熱系數(shù)，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。定形相變材料具有無需封裝、制備工藝較為成熟和成本較為低廉的特點(diǎn)，使得相變材料較多的以此種方式應(yīng)用于建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)中。

3 相變材料在被動(dòng)式建筑中應(yīng)用效果研究

相變材料在建筑中的應(yīng)用效果研究是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，采用相變材料可以在很大程度上改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能和室內(nèi)舒適性。國外的研究者們在利用相變蓄能技術(shù)降低建筑能耗方面做了較多的工作。很多學(xué)者對相變材料的蓄能調(diào)溫特性和應(yīng)用可行性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。按照蓄能方式可分為被動(dòng)式蓄能和主動(dòng)式蓄能。被動(dòng)式太陽能采暖技術(shù)的三大要素為:集熱、蓄熱和保溫，可通過在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面添加相變材料提高其熱容，同時(shí)充分吸收太陽能，降低冬季采暖能耗。

在直接受益式被動(dòng)式太陽房的內(nèi)墻表面添加單層相變材料，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，相變材料應(yīng)用在被動(dòng)式太陽房中，減小了室溫波動(dòng)，可將白天室溫降低4℃，同時(shí)提高夜間室溫，有效減小了夜間采暖負(fù)荷。他認(rèn)為采用相變材料不僅節(jié)能節(jié)資，還可有效提高熱舒適水平。

在被動(dòng)式太陽房中使用脂肪烴類相變材料制成墻板，將相變墻板作為測試房的內(nèi)部墻，其中硬脂酸丁酷的體積百分比為25%，相變材料的相變范圍為16.0-20.8℃，同時(shí)采用隱式差分模型模擬分析了相變墻體的瞬態(tài)熱傳遞過程。實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析均表明，相變墻體應(yīng)用于被動(dòng)太陽房，白天室溫比常規(guī)墻板的低4℃，而夜間其放熱可以延續(xù)7小時(shí)以上，夜間相變墻體的表面溫度可比普通墻板高3.2℃，使得室溫維持在相變范圍附近，在很大程度上改善了熱舒適性。

采用軟件ESP-分析了相變墻板在被動(dòng)式太陽房中應(yīng)用，選取相變范圍為13.7-33.3℃,潛熱為11.1-82.4kJ/kg的相變材料，采用有效熱容法計(jì)算相變材料的熱傳遞過程，計(jì)算結(jié)果表明在全年中的春秋季節(jié)，相變材料可有效吸收太陽能，降低室內(nèi)溫度波動(dòng)。在采暖期的開始和結(jié)束時(shí)間段，選用熔點(diǎn)比設(shè)定室溫高2℃的相變材料較為理想，采用相變墻板可有效降低采暖期能耗。相變材料熔點(diǎn)的選擇與物理模型和室外氣候環(huán)境有關(guān)，當(dāng)室溫接近相變材料熔點(diǎn)時(shí)，相變材料可充分發(fā)揮作用。

4 相變材料在主動(dòng)式建筑中效果研究

主動(dòng)式太陽能采暖技術(shù)注重太陽能集熱技術(shù)和其他采暖技術(shù)的結(jié)合，太陽能熱水地板采暖系統(tǒng)就是一種有效的解決方案。太陽能熱水系統(tǒng)將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能作為采暖的熱源，在地板層中添加相變材料作為蓄熱體，利用水箱提供的40℃左右的熱水即可獲得較好的采暖效果，可在很小的溫度變化范圍內(nèi)儲存大量熱量，有效減小室內(nèi)日夜間溫度波動(dòng)，提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適度。

提出了一種與太陽能空氣集熱器結(jié)合的定形相變蓄能地板采暖系統(tǒng)。太陽能空氣集熱器輸出的熱空氣通過保溫管道輸送到相變地板夾層，利用相變材料蓄熱;冷空氣進(jìn)入相變地板夾層，被加熱后進(jìn)入房間供暖。搭建了應(yīng)用此系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)房間，測量了集熱器進(jìn)出口空氣的溫度和房間空氣、地板表面溫度。結(jié)果表明，此系統(tǒng)明顯提高了夜間室溫，可以作為常規(guī)供暖的補(bǔ)充，減小采暖能耗。通常的太陽能采暖裝置均需配置輔助加熱器以滿足陰天的采暖需要，對于冬季太陽口照時(shí)間較短的地區(qū)，需考慮系統(tǒng)的太陽能利用率，綜合太陽能采暖系統(tǒng)的初投資和收益進(jìn)行可行性分析。

構(gòu)建了單個(gè)內(nèi)墻為相變材料和普通材料的實(shí)驗(yàn)測試房間，采用戶式空調(diào)蓄冷，以溫度、熱流巡檢裝置對房間的溫度場和熱流變化進(jìn)行測試。給出了普通墻房間和相變墻房間室內(nèi)熱性能參數(shù)的實(shí)測分析，發(fā)現(xiàn)在夏季空調(diào)工況下相變墻房間的室內(nèi)空氣溫度要比普通墻房間的低1-2℃，同時(shí)相變墻可以削減墻體向室內(nèi)的熱流傳遞。國內(nèi)外對于相變材料在夏季空調(diào)工況下的研究較少，在晝夜溫差較小的地區(qū)可考慮用空調(diào)對相變材料蓄冷，但需采用合理的空調(diào)運(yùn)行控制模式才能獲得較好的節(jié)能效果。

5 相變材料傳熱計(jì)算方法研究

建筑能耗計(jì)算軟件Dest應(yīng)用狀態(tài)空間法處理建筑構(gòu)件的傳熱計(jì)算。這些方法都是建立在對象是線性方程的基礎(chǔ)上。相變材料的傳熱方程為非線性，計(jì)算結(jié)果不能疊加，因此無法用上述方法求解。而且一般的相變傳熱過程無法得到解析解，只能通過數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。相變傳熱問題的特點(diǎn)在于求解域中存在一個(gè)位置隨時(shí)間變化的固液界面，相變材料熔融(凝固)現(xiàn)象發(fā)生在一個(gè)溫度范圍，移動(dòng)"界面"是模糊的兩相區(qū)。利用焓法和有效熱容法對定形相變材料熔解過程給出了比較分析，發(fā)現(xiàn)只要在焓法中相變半徑根據(jù)DSC實(shí)測的結(jié)果取值，兩種算法的結(jié)果一致。

6 結(jié)語

針對建筑中應(yīng)用相變材料的兩種方式，相變墻體(墻體全部采用相變材料)和相變構(gòu)件(添加在墻體表面的單層相變材料板)，分析了兩種材料在建筑中的應(yīng)用效果，可知相變材料具有很高的蓄熱密度，應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)可有效增大房間熱容，同時(shí)相變發(fā)生在較小的溫度范圍內(nèi)，有助于提高熱舒適性，同時(shí)起到了保溫節(jié)能的效果。

[1]中國工程院咨詢項(xiàng)目，清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心，中國建筑節(jié)能2008年度發(fā)展研究報(bào)告[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]林坤平，張寅平，江億.我國不同氣候地區(qū)夏季相變墻房問熱性能模擬和評價(jià) [J].太陽能學(xué)報(bào)2003,24.