探析建筑領域中調溫節能技術的開發利用

文 |韓會元 （山東濟南市民兵訓練中心）

調溫節能技術是通過在普通建筑材料中加入相變材料制成的具有較高熱容、蓄熱性能較好的新型建筑材料的技術，用于建筑節能領域，以達到節約能源，保護環境的目的。根據調溫節能技術在建筑圍護結構中的應用形式，將其分為調溫節能墻體、調溫節能屋頂、調溫節能玻璃、調溫節能壁紙和窗簾。調溫節能技術有利于降低建筑能耗，促進我國能源、經濟、環境的可持續發展、其意義和影響十分重大。

引語

解決能源危機是全世界公認的課題，新能源與可再生能源的開發利用成為全球科技界關注的焦點。建筑行業是耗能大戶，節能潛力很大。隨著生活水平的迅速提升，人們對居住環境的舒適性提出了越來越高的要求，為了滿足人們對居住舒適性的要求，同時大幅度降低對能源的消耗、減少溫室氣體的排放，開發新型復合建筑材料，最大限度地利用太陽能、地熱能、工業余熱等熱能資源是很有發展前景的新領域。

調溫節能建筑就是綠色可持續發展的建筑。這個概念所針對的就是與人類生活密切相關的生存問題。建筑室內外設計就是可持續的設計，其表現為：靈活高效、健康舒適、節約能源、保護環境等方面的含義。建筑內外生態設計的基本思路是以人為本、以環境為本，在為人們創造舒適的生活、工作環境的同時，最大限度地節約能源和減少污染、保持生態環境的持續發展和平衡，確立人與自然的和諧共存。因此，建筑業的發展與保護生態環境和可持續發展的關系是擺在我們面前最主要的問題之一。調溫節能技術是將相變儲熱技術用于建筑節能領域，以達到節約能源，保護環境的目的。調溫節能建筑新材料是將相變儲熱技術用于建筑節能領域產生的新型材料，這種新型材料可以根據環境溫度的變化在一定的溫度范圍內自動儲存和釋放可觀的潛熱，減小室內溫度的波動幅度，提高室內熱舒適性。調溫節能建筑材料可用于墻體、墻板、地板以及家具材料，在冬季晴朗的白天可以儲存太陽熱能以備夜晚采暖之需；在夏季可以吸收室內多余的熱量，防止室內過熱，取得節約采暖和空調能耗、減少溫室氣體排放的目的。

1、調溫節能技術的特點

調溫節能技術是通過在普通建筑材料中加入相變材料制成的具有較高熱容、蓄熱性能較好的新型建筑材料的技術。這種新型建筑材料通過其中的相變材料實現熱能的儲存和釋放。當環境溫度高于相變溫度時，材料吸收并儲存環境熱量；當環境溫度低于相變溫度時，材料將儲存的熱能釋放出來，用于升高環境溫度；在此相態變化過程中，材料的溫度維持在一個很窄的范圍內。恰當地使用儲能調溫建筑材料構筑建筑圍護結構，可均衡或部分消除采暖與空調負荷或將高峰負荷轉移至低谷，同時還能有效改善室內的熱環境。此外，采用儲能調溫建筑材料可以減小外墻厚度，達到減輕建筑物自重、節約建筑材料的目的。新型建筑材料的特點是:相變溫度滿足要求；相變潛熱高；相變過程可逆性好；膨脹收縮性小、無過冷或過熱現象；導熱系數大、密度大、比熱容大；無毒、無腐蝕性；成本低、制造方便。此外，相變材料還需與建筑材料相容性好、可被吸收。

2、調溫節能技術的應用

下面根據調溫節能技術在建筑圍護結構中的應用形式，將其分為調溫節能墻體、調溫節能屋頂、調溫節能玻璃、調溫節能壁紙和窗簾。下面分別進行介紹：

(1)調溫節能墻體。調溫節能墻體材料是一種含有相變材料的建筑圍護結構材料，根據不同的建材基體可將其分為三類：一是以石膏板為基材的調溫石膏板，主要用作墻體內襯和室內裝修；二是以混凝土為基材的調溫混凝土，主要用作外墻材料；三是以保溫隔熱材料為基材，制備的高效節能型保溫材料。調溫墻板增加了圍護結構的熱惰性，大大降低了通過圍護結構的傳熱量，可顯著提高室內環境的熱舒適性。調溫石膏板（如圖1 所示）、調溫混凝土一般做成板狀或空心砌塊直接用于建筑墻體。將調溫節能墻體材料與一定的通風方式及性能良好的保溫材料相結合，能起到更好的調溫、節能作用。比如在調溫節能墻體中設置風道，利用夜間通風，在冬季可以由空氣將墻體日間所蓄熱量帶入室內供夜間采暖之用；在夏季可以將墻體在夜間散入室內的熱量帶出，降低夜間空調系統的負荷；還可以在調溫節能墻體或樓板中設置電加熱器、冷( 熱) 水管等輔助熱源。使用相變墻可使建筑的逐時負荷均勻化，減少空調設備的初投資和運行費用。

附表：國外一些典型相變材料產品的熱性能

(2)調溫節能屋頂。對包含不同熔點的雙層調熱模塊用于屋頂時的調溫機理和使用效果進行了模擬和實驗研究。所研究的節能模塊由長方形不銹鋼容器包封共晶水合鹽構成。結果表明：將含較高熔點相變材料和較低熔點相變材料的兩個蓄熱體按從外到內的順序夾在普通屋面材料和混凝土天花板之間可實現全年自動調溫，取得冬暖夏涼的效果。

(3)調溫節能玻璃。瑞士的建筑師設計并申請了“神奇玻璃”的專利，并于2001 年前后安裝在了一面向陽的玻璃墻上。太陽光被玻璃墻吸收，轉化為熱量使相變材料熔化，在完全熔化之前，墻體的溫度保持在相變溫度27 ℃附近。達50℃時，4cm 厚的玻璃墻儲存的熱量相當于30cm 磚墻可儲存的熱量。晚上自然冷卻或陰天時，溫度又可維持在27℃附近，墻體在一個小的溫度范圍內釋放儲存的熱量。保溫良好時，可避免熱量向外界散失。在夏季或太陽光強烈時，為避免模塊化相變材料 墻過熱，高于40℃的太陽直射光被三棱鏡玻璃反射回去，不能被吸收。由于相變材料玻璃的光學特性，玻璃墻是半透明的，可透過太陽光。墻體蓄熱量越大，其導熱性就越好，如今的“神奇玻璃”幕墻可滿足供暖、透光和室內裝修等多方面的要求。

圖1 儲能調溫石膏板用于內墻

(4) 內墻調溫壁紙和調溫窗簾。美國專家研制出一種調溫壁紙。當室溫超過21℃時，將吸收室內余熱，低于21℃時，又會將熱量釋放出來。這種調溫壁紙可設計成三層：里層是絕緣層，能把冷冰冰的墻體隔開；中間是一種特殊的調節層，由經過相變材料處理的纖維組成，具有吸濕、蓄熱作用；表層美觀大方，上面有無數的孔，并印有裝飾圖案。建筑物中一個重要的熱量弱環是窗戶。由于玻璃的絕熱性能差，大量的熱在夏日白天通過玻璃進入建筑物內；冬天的晚上，窗戶成為熱損失的主要原因。經過相變材料處理的百葉窗或窗簾可以解決這一問題，并保證建筑物內空氣調節的效率。相變調溫窗簾是一種三層織物，由兩層紡織物和一層填充有相變材料的泡沫層壓而成。泡沫中的相變材料通過吸熱或散熱節通過三層結構的熱流，形成了一個熱屏障。對調溫窗簾進行測試表明，與普通窗簾相比，其熱流量可降低30%。

3、結語

近年來，隨著我國城市化建設的快速發展，能源緊缺的問題凸現，已經嚴重影響和制約了我國經濟社會的發展。據不完全統計，建筑在建造和使用過程中直接消耗的能源占全社會總耗能的30%，并呈上升趨勢。要加快建設節約型社會，建筑節能潛力巨大。調溫節能技術有利于降低建筑能耗，促進我國能源、經濟、環境的可持續發展、其意義和影響十分重大。

[1]郭茶秀，魏新利. 熱能存儲技術與應用[M]. 北京：化學工業出版社，2005.

[2]王華，王勝林，饒文濤. 高性能復合相變蓄熱材料的制備與蓄熱燃燒技術[M]. 北京：冶金工業出版社，2006.

[3]馬保國, 王信剛, 張志峰, 袁洪斌. 相變蓄能圍護結構材料的研究現狀與進展[J]. 建筑節能, 2005.

[4]林坤平,張寅平,江億. 夏季“空調”型相變墻熱設計方法[J]. 太陽能學報, 2003.

[5]馮國會, 胡俊生, 呂石磊, 等. 含脂酸類相變材料的相變墻板熱特性分析[J]. 沈陽建筑大學學報：自然科學版，2005.