相變材料在建筑領域中的應用

馬超 萬保清 吳渝 王永超 解帥 王靜 冀志江

（1中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024；2綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；3空軍第五工兵技術勤務大隊，北京 071051）

0 引言

能源危機伴隨著嚴重的環境問題，如何提高傳統能源的有效利用率以及開發太陽能等新能源已成為一個重要問題。相變儲能技術能夠有效回收利用多余熱能，解決太陽能、風能等新能源和可再生能源受時間和空間等客觀條件影響的問題，為熱能的再利用以及新能源的發展提供有效手段。相變材料作為潛熱儲能的介質，能夠實現近似恒溫條件下能量的吸收、儲存與釋放，解決能量供需不匹配的問題，提高能源利用率，被廣泛應用于新型節能建材、工業余廢熱回收、供暖與空調節能以及電力的“移峰填谷”等領域。研究表明，建筑能耗在社會總能耗中占30%-40%[1]，且絕大部分是采暖和空調的能耗，將相變材料與建筑材料相結合，可以調控溫度變化，提高熱舒適度，使建筑能耗控制在合理的范圍內[2]。目前，應用于建筑領域的相變材料主要有有機類、無機類及復合類。本文綜述了相變材料在建筑領域的應用，總結了主動式及被動式相變儲能系統的研究現狀。

1 相變儲能材料的分類

相變儲能是利用相變材料的物態變化來實現熱能的傳遞，當環境溫度發生變化時，相變材料通過介質物相的轉換從而吸收或釋放大量的熱量調控環境溫度，使其維持在一個恒定的范圍內，能量密度較高、體積小、使用方便。將相變材料引入建筑構成元素中，利用相變材料的蓄放熱功能可以起到建筑調溫、余熱回收、輔助蓄熱和太陽能熱儲存等作用，蓄熱被認為是實現建筑節能的一種有效方式，能夠緩解建筑物中能量波動較大的問題，是目前國內外建筑節能研究的熱點。

無機相變材料主要包括水合鹽類、熔融鹽類和合金等，目前建筑中應用較廣泛的是結晶水合鹽類，相變溫度在0℃-80℃之間，其潛熱較高、成本低廉、導熱系數較大，但過冷嚴重，循環時極易發生相分離，造成儲熱性能較差，且無機水合鹽一般對金屬材料有較強的腐蝕性。有機相變材料主要包括石蠟類、脂肪酸類、糖醇及高分子類，大多數相變溫度在0℃-200℃之間，由于其含有碳、氫元素，所以在高于熔點某一溫度時熱穩定性變差。相比于無機材料，有機相變材料一般不會發生相分離和過冷現象，材料腐蝕性較小，熱穩定性高，但是導熱性能相對較差，密度較小，單位體積蓄熱能力不足。復合相變材料包括無機-無機復合材料、無機-有機復合材料和有機-有機復合材料三大類，通過不同相變材料的復合，可以有效克服單一相變材料存在的缺點，得到具有實際應用價值的蓄熱材料。

2 相變材料在建筑中的應用

建筑節能降耗措施主要體現在以下方面：1）建筑圍護結構節能，2）暖通空調節能，3）建筑新能源節能。通過采用新型建筑材料和先進建筑技術，合理設計主動式或被動式相變儲能系統，減少外界環境對居住舒適度和健康的不利影響，使室內溫度維持在舒適范圍內，最大限度地降低建筑物的運行能源消耗，從而達到建筑節能降耗的作用。以下主要介紹相變材料在建筑中的應用。

2.1 被動式相變儲能系統

被動式相變儲能系統指有效利用自然熱量而不借助人工冷源或熱源來進行冷卻或加熱，通過相變維持建筑物的熱舒適度的系統。在被動式儲能系統中，相變材料多應用于建筑圍護結構，如墻體、天花板、窗等，使用時，需先摻入到石膏板、砂漿、混凝土、磚塊或涂料中[3]，可作為獨立結構結合在建筑材料中或集成到建筑材料里。

孫小琴等[4]對比研究不同相變材料應用方法的節能效果，用高密度聚乙烯球封裝，并嵌入XPS保溫板中，研究表明，對于熔點為25℃的相變材料，相變材料集中布置于西向外墻時建筑能耗最低，且將相變材料安裝于外墻內表面時的建筑性能優于將相變材料安裝于外墻外表面。鄧燕等[5]將石蠟/膨脹石墨復合材料與水泥混合制備了應用于建筑外墻的復合相變貼片材料，相變溫度41.1℃，相變潛熱224.7J/g，能夠將內表面最高溫度降低2.4℃，有效阻隔進入室內的熱量，改善圍護結構的隔熱性能，具有有效降低建筑空調能耗應用潛力。于楠等[6]以石家莊地區為例，采用GH-37復合相變材料制備了新型預制混凝土升溫養護建筑，將其應用于主朝陽墻體內表面，內表面夜間溫度平均提高3.4℃，且蓄放熱速率較GH-33相變材料平均提高62%。趙金平等[7]以多元共混無機鹽為相變材料，以鋁蜂窩板為封裝和結構材料，冷壓復合制成相變裝飾板材，其節能效果可在傳統外保溫體系節能效果的基礎上提高20%以上。

李帆等[8]將相變石膏板與輕鋼龍骨裝配式建筑結合，開展能耗分析，研究發現，相變建筑冬季供暖能耗較低，平均日節電量0.59(kW·h)，節能率約5.2%，特定空調間歇運行工況下節能率高達11.0%。Sayyar等[9]利用脂肪酸和膨脹石墨制備定型相變材料，采用夾芯結構制備相變石膏板，此時溫度波動小，峰值溫度到達時間延遲，模擬發現，相變石膏板可以降低79%的建筑能耗。趙亮等[10]制備有機-無機復合壁材微膠囊復合相變材料，并與石膏摻混制備相變石膏板，當微膠囊摻量達到10%時，相變石膏板的相變潛熱達到16.1J/g，相變溫度在20℃左右，具備一定蓄熱調溫能力。

將相變材料按一定比例摻入水泥砂漿中不僅可以提高墻體熱工性能，還可以改善砂漿抗凍性等性能。王甲春等[11]利用不燃的酚醛樹脂包裹石蠟制備了石蠟-酚醛-水泥相變砂漿，相變砂漿的相變熱為9.0J/g，相變溫度范圍20℃-29℃，工程應用表明，制備的相變砂漿在一定范圍內能夠較好調節建筑室內溫度，具有易存放、易施工、安全性高的特點。楊籍等[12]采用共混攪拌法將癸酸-月桂酸二元低共熔物/改性硅藻土定形相變材料摻入水泥砂漿中，制成相變控溫砂漿，相變溫度18.9℃，相變潛熱1.13J/g，導熱系數降低了近43%，熱阻增大，降低了室內溫度波動，舒適性大大提高。

羅慶等[13]在中空玻璃中封裝六水氯化鈣制備的相變窗，調溫能力比普通玻璃高出3℃-4℃。王青青[14]將相變窗等價為一維三層半透明介質，通過模擬得到相變窗的保溫性能優于普通窗。張愛軍等[15]以脂肪酸和脂肪醇為原料制備復合相變材料，用于相變窗的注入，通過實驗測量得到相變窗的溫度調節和節能效果，這種復合相變材料過冷度小、無相分離，在應用中更加可靠。

將相變材料和天花板結合可以制成相變材料天花板控溫系統，李建立等[16]以24℃-32℃的調溫板作天花板，以16℃-24℃的調溫板作地板，模擬發現，這種組合形式在各個季節均能減小室內環境溫度的波幅，提高熱舒適度，但當主動換氣時，難以取得節能的效果。

2.2 主動式相變儲能系統

主動式相變儲能系統指依靠人工冷源或熱源進行制冷或加熱，使相變材料發生相變進行調節。此系統中，相變材料多與空調系統、地板輻射系統、通風系統等結合，通過減少能源需求和峰值負荷，從而減少建筑能耗，實現最低電力需求。

Zhu等[17]將制備的雙層板型穩定相變材料墻板安裝在辦公樓中，對比分析空調房間的節能效果，結果表明，能耗在夏季和冬季分別降低了6.4%和17.8%。馮國軍等[18]采用自制的六水氯化鈣復合相變材料與地源熱泵結合，以水為傳輸介質，能夠滿足日常小區熱水與供暖需求，實現節能節水，夜間使用可利用低谷電進行儲能，實現“移峰填谷”、降低電費的目的。劉曉燕等[19]采用CFD計算了大慶農村單體建筑中太陽能-相變墻系統的運行能力，研究發現，25℃的相變墻熱穩定性良好，節能率高達31.8%，可以減少農村冬季采暖煤炭用量。

圖1為相變材料地板控溫系統概念圖，相變材料與地板材料的結合做成相變地板，相變材料的熱惰性得到提升，減弱室內外的熱流波動，延遲作用的時間，可有效控制室內溫度，使建筑物具有一定的調溫能力。在相變地板中，相變材料需要滿足其溫度變化范圍，提高相變潛熱。K. Nagano等[20]用泡沫玻璃珠和石蠟制成相變溫度大約為20℃的相變顆粒材料，裝入地板的填充床中，從而調節室內溫度，系統潛熱儲存在相變材料中，通過白天夜間的物相變化來維持室內溫度。

利用相變儲能材料在相變過程中的蓄放熱來維持溫度恒定的原理，把相變材料制備成空調系統，安裝在室內，通過材料在白天吸熱、夜間放熱來保持室內溫度不變，符合建筑節能的目標。G. Hed等[21]通過將相變材料融入建筑物的通風系統，類似于傳統空調，如圖2所示，對建筑物的熱慣性進行主動調節，這個過程分兩步完成，環境溫度低于圖2（a）所示室溫時，夜間進行充電過程，液態的相變材料從周圍空氣中吸收冷量，在一定的恒溫下開始凝固，充電過程持續到環境溫度低于相變材料的熔化/固化溫度。環境溫度高時，見圖2（b），白天進行放電過程，相變材料將夜間吸收的冷量釋放出來，從而維持室內溫度在一定的范圍內，達到降溫的效果。

圖2 相變控溫系統（左-夜間；右-白天）

空調系統在滿足舒適度的同時，會產生大量的冷凝熱，造成環境溫度升高，如果可以將這部分熱量加以利用，供給給需要的地方，將大大提高能源的利用率。王越[22]研究了石蠟基蓄熱材料及其改性材料，從而回收空調系統排放的熱量，用于生產溫熱生活用水。王智超等[23]將相變儲能技術應用于民用建筑的機械通風系統，研發了一種相變熱回收式通風裝置，利用相變材料的蓄放熱特性及通風裝置的不斷循環，實現相變儲能裝置的能量回收利用。

將定形相變材料填充于集熱器中，可以達到蓄熱的效果，減少熱損失。彭東華等[24]提出了一種高效儲能太陽平板集熱器模型，采用高空隙率泡沫金屬做骨架，當中填充石蠟作為儲能材料，在密度和單位體積的相變潛熱都變化很小的情況下，使復合材料的等效熱導率顯著提高。劉馨等[25]將相變儲能模塊與太陽能熱風采暖系統相結合，優勢互補，改善太陽能熱風采暖系統的不穩定性，提高太陽能的利用率，相變儲能材料選用癸酸與月桂酸的混合物，將其封裝后形成相變儲能墻，與太陽能空氣集熱器共同組成采暖系統，實驗結果較理想。Koschenz等[26]提出了一種應用于輕質建筑中的主動式相變蓄能石膏吊頂空調系統，該系統通過冷水毛細管在夜間將冷量蓄存入相變石膏板中，白天時再釋放出冷量，可以將白天的空調負荷轉移到夜間處理，該系統還可利用低品位能源進行空調采暖，具有較好的應用前景。晁岳鵬[27]設計了耦合相變材料-太陽能集熱器系統，將包封癸酸/十六烷醇復合材料的雙管換熱器安裝在地板中，利用太陽能集熱器吸收的熱量，可長時間向實驗房提供40W/(m2·h)的熱輸入，實現室內熱環境舒適。

光伏建筑一體化是光伏系統依賴或依附于建筑的圍護結構外表面來提供電力，但在實際應用中，太陽能光伏電池的轉換效率不足20%，大部分能量轉化為熱能，導致電池升溫光電轉換效率下降。所以有效利用這部分熱能，控制光伏電池的工作溫度是光伏建筑一體化的關鍵，而相變材料具有很好的蓄放熱能力，對于解決這一問題有很好的發展前景。劉凌焜[28]設計了一種太陽能光伏光熱蓄能器與微膠囊相變流體的復合蓄能電池板，實驗證實了微膠囊相變流體的存在可以有效防止溫度升高過快，從而提高太陽能光伏電池的工作效率，降低建筑內的熱擾動。

3 結語

相變材料的優勢使其在建筑節能領域廣泛應用，其主要利用了相變材料的物相變化來儲存能量，而建筑材料的熱容也可以儲存部分能量，且不會帶來建筑結構溫度的很大變化。白天建筑結構獲得熱量并將熱量儲存，在夜間被冷卻。目前大多數相變儲能材料被應用在地板和天花板等墻體結構中，但缺點也很明顯，對夜間周圍環境的溫度依賴性很大，且只能提供顯熱冷量，所以還有待進一步研究開發。隨著我國建筑節能標準的不斷提高，建筑相變節能技術需要更深一步的研究，以便研究出更加經濟環保、高效實用的相變建筑材料，更好地調節溫度，真正做到建筑節能。