相變材料應用于建筑節能探討

梁杰婷

摘要：盡管我國能源資源較為豐富，但由于人口基數大，能源需求量高，使得人均能源擁有份額較低。隨著社會經濟的不斷發展，能源消耗也在與日俱增，整體能源形勢并不樂觀。在這種背景下，建筑節能愈來愈受到各界關注。相變材料在建筑節能中發揮了重要作用，利用相變材料可存儲熱能，溫度較高時會熔化，吸收熱度，以降低室內熱量值；溫度較低時，可釋放存儲熱能，提升室內溫度，以保證能量合理存儲及釋放。基于此，本文對相變材料進行了綜合性闡述，并對相變材料在節能建筑中的應用進行了分析，以供參考。

關鍵詞：相變材料；建筑節能；蓄能

1.建筑節能概述

建筑使用過程中所產生的能耗要遠高于建筑建造過程中產生的能耗，這使得建筑節能愈來愈受到關注。相對于歐美國家而言，我國建筑節能起步較晚，但近年來發展較為迅速，并且關注度愈來愈高。相關研究表明，對建筑能耗進行科學的規劃，能讓建筑物使用的能量降低50%以上，達到良好的節能效果。以相變材料為基礎構建出具有高熱容的建筑圍護結構，可在保持建筑舒適度的前提下達到節能目的，而且大部分相變材料都屬于環保材料，對環境親和性較好。從宏觀角度來看，要保證我國經濟繼續保持高速發展態勢，必須要克服能源短缺瓶頸，而采取相變材料構建節能建筑不失為一種可行途徑，其可以同時滿足節能需求及環保需求。

2.相變材料節能原理分析

相變材料是一種能伴隨溫度變化而產生變化，且能提供潛熱的物質。利用相變材料可將環境中的熱量充分利用起來，并在所需要的時間節點向外界釋放能量，以此讓周圍環境維持在一個對穩定的范圍內，并可構成一個寬幅度的溫度平臺。對于節能建筑而言，相變材料應滿足以下要求：（1）具備理想的相變潛熱；（2）相變可逆性較為理想；（3）相變過程中，材料的“冷縮熱脹”程度較小；（4）對環境友好，具有良好的防腐蝕性、防火性能；（5）相變溫度正好處于室內設計溫度或空調系統要求溫度范圍內。在構建建筑相變材料時，一般是向普通建筑材料中置入相變材料，從而得到具備高熱容的相變儲能建筑材料。相變儲能建筑材料可將周圍的能量以相變潛熱的方式進行存儲，并在不同的時間與空間之間對能量進行轉換。對于整個建筑系統而言，這種轉換作用可降低建筑物空調負荷，起到輔助性節能作用。

早期的相變材料主要以無機類材料為主，但無機類材料一旦出現相分離，由于部分鹽類材料會出現結晶而沉入底部，會造成分層現象。而有機類相變材料并不會出現上述問題，固體成型較為理想，材料結構也較為穩定，腐蝕性較小。但部分有機類相變材料由于導熱系數較小、熔點不高，在高溫環境下會出現揮發現象。為克服此缺點，一般會將幾種不同類型的有機物按照一定比例混合，得到多元相變材料；或將有機材料與無機材料混合，得到復合性材料，以此來改善相變材料的性能。近年來，高分子類相變材料研發愈來愈受到重視。高分子相變材料主要包括交聯聚烯烴類、交聯聚縮醛類和一些接枝共聚物。隨著高分子技術的不斷成熟，高分子類相變材料將會得

3.相變材料應用分析

3.1蓄能墻體

將相變材料與建筑材料如混凝土、水泥等進行混合，可構建出相變蓄能墻體。通過相變材料可讓墻體熱慣性得到一定幅度提升，可限制室內溫度波動，有利于改善室內舒適度。例如，白天日光環境下，墻體可吸收多余熱量，起到降溫效果；夜間，墻體會釋放吸收的熱量，以維持室內溫度。相關研究表明，對石膏板、纖維板、水、鹽及隔熱層所構成的相變墻體進行DSC測試，發現相變材料的實際狀態會直接影響到墻體的熱性能。在相變材料從部分熔化狀態逐漸冷卻的過程中，可迅速釋放潛熱；若相變材料完全熔化，再冷卻時，就會出現較為明顯的過冷現象。另外，相變材料在墻體中的位置對相變材料的功能狀態也會產生影響，當相變材料處于墻體厚度1/5處時，墻體熱性能最優。

3.2蓄能屋頂

蓄能屋頂與蓄能墻體的原理基本一致。有研究將灰漿層、單層相變材料及混凝土按適當比例混合，構成了蓄能屋頂。實驗表明，蓄能屋頂可有效降低室內溫度波動，特別是在天花板位置處效果十分顯著，天花板溫度幾乎接近恒溫。但單層結構的蓄能屋頂，一旦到了溫度較高的夏季，其溫控效果會有所下降。因此，有學者對單層結構蓄能屋頂進行了改良，在原有基礎上置入了一層相變溫度更高的相變材料層，構成了雙層結構的蓄能屋頂，使其在全季節都具備了較優的溫控性能，極大程度上改善了室內環境的舒適度。

3.3蓄能地板

將相變材料置于地板加熱系統中，通過夜間谷電進行加熱，由相變材料存儲熱量。白天峰電期間蓄能地板可放出存儲熱量，以提升室內環境溫度，發揮節能作用。Yeetal等構建了含被動加熱相變蓄能地板的測試間。實驗表明，在日照量充足時，蓄能地板最高可讓白天室內溫度降低15℃左右：夜間溫度升高幅度接近10℃。同時，此蓄能地板可有效控制室溫波動，對溫度衰減具有限制作用。

結語：相變材料為節能建筑構建提供了一條良好的途徑。將相變材料與傳統建筑材料融合所得到的相變儲能建筑材料具有良好的適用性，可適用于多種環境，并可有效控制室內溫度，達到節能目的。未來，隨著相變材料的不斷成熟，它將具有更為廣泛的應用空間，為節能建筑推廣提供基礎。