相變材料在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題分析

摘 要：相變材料作為一種提高建筑能效型節(jié)能材料已成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的關(guān)注焦點。本文旨在理清相變儲能材料在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析相變儲材料發(fā)展中存在的問題。并在此基礎(chǔ)上，給出了相變儲能建筑材料性能提高的決定因素。

關(guān)鍵詞：相變材料；建筑節(jié)能；應(yīng)用現(xiàn)狀

建筑行業(yè)是能源消耗大戶，建筑能耗約占社會總能耗的1/3，且總量逐年上升，龐大的耗能比重已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的軟肋。加大建筑節(jié)能領(lǐng)域的研發(fā)力度，全面推進我國建筑節(jié)能的發(fā)展勢在必行。相變儲能材料（PCM）利用物質(zhì)相變過程進行潛熱的吸收和釋放，以此來調(diào)節(jié)、控制周圍環(huán)境溫度。在建筑普通材料中摻入相變材料，可以制作出高熱容的建筑輕型材料。相變儲能建筑材料在建筑節(jié)能的發(fā)展中起重要作用。

1 相變材料在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)使用溫度范圍、相變形式、復(fù)合方式可將當前相變材料的現(xiàn)狀整理如下圖所示：

1.1 以使用溫度分類的相變材料現(xiàn)狀

相變材料根據(jù)其相變溫度不同，在建筑領(lǐng)域主要有3個方面的用途：

（1）用于蓄冷的低溫相變材料。主要是指用于蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的相變材料。儲存冷量的方式分為顯然儲存和潛熱儲存兩種方式。相比顯熱儲存，潛熱儲存具有儲量大、溫度變化小等優(yōu)點，具有更加廣泛的應(yīng)用前景，常用的介質(zhì)有冰、共晶鹽及水合物等相變材料。

（2）用于增強熱惰性的室溫材料。利用相變儲能建筑材料構(gòu)筑圍護結(jié)構(gòu)，可以降低建筑物室溫的溫度波動、提高舒適度，并可以降低建筑物采暖和空調(diào)負荷，減少設(shè)備容量。目前已制備出相變墻、相變地板、相變吊頂和相變窗等一系列相變儲能建筑材料。

（3）用于太陽能暖房的相變材料。相變溫度在50～60℃的相變材料可用于太陽能領(lǐng)域，主要是用于被動式太陽能暖房的相變圍欄結(jié)構(gòu)和主動式太陽能暖房的蓄熱器。主動式太陽房多采用卵石或水的顯熱儲存熱量，熱容小且容積大，如果采用相變材料來儲存太陽能可大大減少所需容積。

1.2 以相變形式分類的相變材料現(xiàn)狀

（1）固-液相變材料。目前研究和應(yīng)用最多的是固-液相變材料，國內(nèi)外研制的固一液相變材料主要有無機水合鹽和有機物。無機水合鹽相變材料主要有堿及堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽及醋酸鹽等，具有溶解熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、相變體積小、價格便宜等優(yōu)點而被廣泛使用。有機相變儲能材料常用的有高級脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺類、氟利昂類和多羥基類等。

（2）固-固相變材料。固-固相變儲能材料是通過材料晶型的轉(zhuǎn)換來或者化學(xué)鍵的建立或斷裂來儲能與釋能，相變過程體積變化小、無泄漏、無腐蝕、使用壽命長，目前具有經(jīng)濟潛力的固-固相變材料主要有：多元醇類、高分子類和層狀鈣鈦礦。

1.3 以復(fù)合方式分類的相變材料研究現(xiàn)狀

復(fù)合的方式可分為直接混合法、浸泡法和封裝法。前兩者工藝相對簡單，最大的缺點就是使用過程中發(fā)生滲漏。為了克服這一問題，需將相變材料先進行封裝后，在與建筑材料復(fù)合。封裝的方式可分為宏觀封裝和微觀封裝：宏觀封裝指將利用管、袋等容器將相變材料封裝，與圍欄結(jié)構(gòu)復(fù)合工作量大；微觀封裝是指將微觀尺寸的相變材料進行封裝，當前研究的熱門為微膠囊和定形相變材料。

2 建筑用相變材料研究存在的問題分析

歸納建筑用相變材料發(fā)展應(yīng)用的主要問題為如下五個方面：（1）相變節(jié)能建筑材料的儲能可逆性和穩(wěn)定性問題，包括多次儲能釋能循環(huán)后儲能性能的劣化、熱物理性能的退化；（2）相變材料與建材基體之間的相容性問題，包括相變材料對基體材料的腐蝕作用和在相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致基體材料的破壞；（3）相變材料與封裝材料之間的相容性；（4）相變材料的儲放熱特性問題，主要表現(xiàn)復(fù)合相變儲能材料的儲放熱滯后性和潛熱利用率低下。（5）相變儲能材料的經(jīng)濟性問題，相變材料及封裝技術(shù)成本過高，單位儲熱費用上升，使相變儲能材料失去與其它儲熱方式相比較的價格優(yōu)勢。

3 結(jié)語

為了充分發(fā)揮相變材料在建筑節(jié)能中的作用，長期以來，人們在提高相變潛熱、改善相變可逆性和穩(wěn)定性、開發(fā)多種形式的材料封裝方式、降低建筑用相變材料制備成本等方面做了大量的工作，忽略了相變建筑材料整體儲放熱效率問題。

相變材料本身的儲熱和放熱過程需要較高的熱通量，而傳統(tǒng)建筑圍欄結(jié)構(gòu)則往往導(dǎo)熱系數(shù)越小越好，而兩者的復(fù)合導(dǎo)致了相變建筑材料在保溫絕熱和熱量儲存控制兩方面自相矛盾，加之建筑用相變材料往往采用有機物質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)更小，這就使得現(xiàn)有的建筑用相變材料的儲放熱性能不佳、效率低下，溫度控制滯后嚴重。雖然人們十分關(guān)注通過各種方式制備出的新型相變材料的儲放熱特性，仔細分析可以發(fā)現(xiàn)，人們往往寄希望于通過相變材料本身來提高材料的儲放熱效率，但復(fù)合相變材料儲放熱特性卻是相變材料熱物理本性和相變材料熱物理結(jié)構(gòu)兩方面共同決定的。所謂相變材料熱物理結(jié)構(gòu)是指相變材料宏觀結(jié)構(gòu)（包括材料表面宏觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部宏觀機構(gòu)）和相變材料微觀結(jié)構(gòu)（包括微觀組織和復(fù)合方式），只有同時具備了較高的熱物理本性和適當?shù)臒嵛锢斫Y(jié)構(gòu)，相變材料才能表現(xiàn)出高效的熱物理性能。

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作者簡介：魏渭（1984.02- ），男，漢族，廣東移動通信有限責任公司惠州分公司，研究方向：建筑材料。