談建筑節能中的相變材料

王建海

摘 要：相變材料（PhaseChangeMaterials，簡稱PCM）是指隨溫度變化而改變形態并能提供潛熱的物質。相變材料具有在一定溫度范圍內改變其物理狀態的能力。正是在相變過程中的吸熱放熱現象，使得相變材料應用于建筑，可以提高建筑物熱容量，充分利用太陽能和夜間低價電能從而提高建筑節能及室內舒適度，從而成為近年來材料科學和節能技術中的一個前沿研究方向。

關鍵詞：相變材料；建筑節能

1 前言

通過介紹相變材料應用于建筑節能中的節能原理、適用條件、分類、制備方法及具體應用等各方面，展望了相變材料在建筑節能中的應用前景，并分析了目前研究中存在的難點，為進一步地研究提供參考。

2 相變材料的節能原理

相變材料的相變過程中伴隨著大量潛熱的吸收和釋放。正因為此，將相變材料應用于建筑節能，在材料相變期間，吸收環境的熱（冷）量，并在需要時向環境釋放出熱（冷）量，通過能量在時間和空間上的轉換來抵御環境溫度的過度升高或降低，起到延長室內舒適溫度的持續時間、均衡或部分消除采暖及空調負荷的作用。另外，在實行峰谷電價的地區還可以將高峰負荷轉移到低谷，從而降低建筑物采暖和空調費用。值得注意的是，相變材料本身并不創造能量，其儲存的相變能依然來源于自然環境，如冬季白天的太陽能和夏天夜晚的冷能等。

3 相變材料應用于建筑中的適用條件

考慮到人居環境舒適度，材料儲能能力及經濟性等多方面要求。適用于建筑中的相變材料需滿足的條件有：

（1）相變溫度在室內舒適溫度范圍附近，一般為20-32℃之間。

（2）具有較高的相變潛熱。

（3）較高的比熱，提供額外的顯熱儲存。

（4）在固態和液態均具有較大的熱導，以便快速釋放和吸收熱量。

（5）化學性質穩定，與建材相容，不易泄露，長期循環不變質。

（6）相變建筑材料的生成方法

相變材料與普通建材結合成相變建材有以下幾種方式。

3.1 浸泡法

通過浸泡使相變材料滲入多孔的建材基體中，如石膏墻板、水泥混凝土試塊等。其優點為工藝簡單，可對成品建筑材料進行處理。

3.2 直接混合法

將相變材料直接與建材基體混合。此種方法便于控制相變材料的加入量，工藝簡單，性質均勻，可塑性好。如將相變材料吸入半流動性的硅石細粉中，然后摻入建材基體中。Feldman比較了浸泡法和直接混合法對普通石膏板所制成的PCM板，發現前者所得PCM板里外層所含PCM量不均勻，而后者蓄熱效果良好。

3.3 封裝法

以上兩種方法都存在一個問題：制成的相變建材耐久性差。而封裝方法能有效解決這一問題。封裝包括大體積封裝和微體積封裝。大體積封裝是將相變材料裝入管件、袋子、板狀容器或其他容器中，這種容器化相變材料已經被市場應用到太陽能領域，但由于其在相變時與環境接觸面積太小，使得能量傳遞并不是很有效。因此，微體積封裝越來越吸引人們的眼球。微體積封裝，又名微觀封裝，是指把載體基質做成微膠囊、多孔泡沫塑料或網狀結構，而將工作物質灌注于其中；或者采用易成膜物質，如高密度聚乙烯，與相變材料共混而成，即利用二者的相容性，熔融后混合在一起制作成為成分均勻的相變材料。

4 相變建材在建筑節能中的應用

4.1 相變材料在圍護結構中的應用

把相變材料與建筑圍護結構結合，則可制成相變儲能圍護結構。有研究結果表明，在用吸收了相變材料的灰泥板做墻板的房子里，當供暖或制冷系統停止后的延續時間里，室溫能夠保持在人體的舒適溫度范圍內。據AthienitisA.K.等報道，利用浸入了硬脂酸丁酯的相變墻板，可使房間的最高溫度下降4℃。在單位面積的建筑圍護結構與室外環境交換的熱量中，門窗處的換熱量所占比例較大，所以在門窗處采用相變材料將對保持室溫的穩定性能起到很大的作用，尤其是對大量采用玻璃門窗的建筑物。Ismail 和Henriquez研究了在雙層玻璃窗夾層中使用透明相變材料聚丙烯乙二醇的熱性能。結果表明，透過該相變窗的輻射熱量比單層玻璃窗減少15%～25%，比空氣夾層的雙層玻璃窗減少3%～6%，并且存在最佳的材料夾層厚度。

以美國麻省理工學院為中心的研究小組研制了一種夜間供暖系統。構成該系統的主要部分為百葉窗反射片和相變天花板。相變天花板由許多尺寸為61cm×61cm×3.2cm的正方形片狀物構成，片狀物由預制塑料混凝土制成，其中封入38%（重量百分比）硫酸鈉，3%硼砂，8%氯化鈉，3%二氧化硅細小粉末，48%由水的混合物構成的相變儲熱材料。該系統的工作原理是：白天利用百葉窗反射片將太陽光反射到天花板上，天花板中的相變材料熔化蓄存太陽能，夜間相變材料凝固放熱供暖。實驗表明，該系統能使83.5m2的房子內全天保持在18.3℃～22.8℃。

4.2 相變材料在混凝土中的應用

相變材料與大體積混凝土結合，可制成相變溫控混凝土，用于調整反應過程的溫度。相變溫控混凝土能有效降低混凝土內部溫升速率、延緩溫度峰值出現時間。這樣，不需要在大體積混凝土內部中設置冷卻水管就可以解決混凝土因水泥水化熱縮引起的早期開裂問題，改善材料耐久性，簡化了施工工藝，節省了工程造價。相變材料還可與混凝土砌塊結合，用于構筑建筑墻體。Hadjievaa研究了無機水合鹽Na2S2O3·5H2O在混凝土的滲入情況，并研究了相變混凝土的熱性能、熱循環過程中存在的泄漏現象，物理和化學穩定性能還有待于進一步提高。張東等人研究了相變混凝土制備方法及熱性能。他們采用“兩步法”，即先制備定形相變材料骨料，然后再制備相變混凝土，其儲熱效果明顯高于普通混凝土。

4.3 相變材料在砂漿中的應用

德國BASF公司將石蠟封裝在微膠囊中，研制出石蠟砂漿，并已將這種砂漿用于雙間套房的內墻表面上，作為室內的冬季保溫和夏季制冷的材料，減小室內溫度波動，使室內保持良好的熱舒適度，減少空調系統的設備容量，轉移用電負荷。砂漿內含10%～25%的石蠟微膠囊，也就是說，每平方米的墻面含有750g～1500g的石蠟微膠囊，每2cm厚的此種砂漿的蓄熱能力相當于20cm厚的磚木結構。

5 結束語

相變材料應用于建筑節能中，不僅可以有效地降低建筑能耗，同時也為太陽能等可再生清潔能源在供暖、空調系統中的應用創造了條件。所以，相變材料應用于建筑節能是一項非常有前景的技術。

參考文獻：

[1] 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告[M].中國建筑工業出版社，2008.

[2] 張寅平，胡漢平，孔祥東等.相變貯能-理論和應用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1996.