相變材料的熱性能測(cè)試方法及在建筑中的應(yīng)用評(píng)價(jià)綜述

曾博倫，柳 斌

（1 伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校，利諾伊芝加哥美國(guó)60607；2 西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，中國(guó)西藏林芝860000）

在全球范圍內(nèi)，如美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑能耗占總能耗的39%，建筑物預(yù)防占40%～48%［1-2］。像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家也消耗了21% 的建筑能源［3］。采暖和空調(diào)是建筑能耗的主要組成部分［4］。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱是建筑負(fù)荷的重要來(lái)源。傳統(tǒng)的建筑節(jié)能包括墻體節(jié)能、門(mén)窗節(jié)能和屋頂節(jié)能。建筑能耗的不斷增加推動(dòng)了節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。隨著溫度的升高或降低，相變材料會(huì)改變狀態(tài)，釋放出大量的潛熱。相變材料的相變溫度范圍較小，會(huì)吸收或釋放大量的潛熱。相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加相變材料來(lái)獲得，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面可以增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容量，減弱室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)，改善室內(nèi)熱環(huán)境；另一方面，與建筑供暖空調(diào)（A/C）系統(tǒng)相結(jié)合，可以在夜間利用廉價(jià)電力提供白天所需的全部或部分供熱或供冷，緩解建筑供能時(shí)間與強(qiáng)度之間的矛盾，起到“移峰填谷”的作用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的［5-6］。因此，相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用和改善室內(nèi)熱環(huán)境的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。同時(shí)關(guān)于相變材料的熱性能測(cè)試技術(shù)手段也應(yīng)運(yùn)而生，并成為測(cè)試相變材料在建筑中熱性能的主要方法［7］。相變材料在建筑中的應(yīng)用將面臨許多挑戰(zhàn)，如相變材料的選擇、包裝技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、安全性，相變材料與建筑的兼容性、穩(wěn)定性、耐久性，這些性能與相變材料熱性能測(cè)試方法息息相關(guān)［4-9］。近年來(lái)，關(guān)于建筑用相變材料的種類(lèi)、相變材料與建材的結(jié)合、相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)備中的應(yīng)用形式，有大量的研究。本文對(duì)前人的相變材料熱性能測(cè)試方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的綜述，為相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的熱評(píng)估方法提供參考。

1 PCM 熱分析方法

熱分析是利用熱物性參數(shù)隨溫度變化而進(jìn)行材料熱性能分析的方法［10］。PCM 的熱性能可以通過(guò)不同使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，常常需要利用多種熱分析方法對(duì)PCM 進(jìn)行熱物性分析。對(duì)于PCM 來(lái)說(shuō)，其熱物性參數(shù)有以下幾種：當(dāng)量比熱容、有效導(dǎo)熱系數(shù)、相變溫度、相變潛熱和焓溫曲線(xiàn)等，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄟM(jìn)行熱物性參數(shù)的測(cè)定既有利于正確分析PCM 的蓄熱能力，又可以為相變數(shù)值模擬提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。PCM 的相變溫度并不是一個(gè)確定的溫度，而是一個(gè)溫度范圍，通常用焓溫曲線(xiàn)更準(zhǔn)確地描述PCM 的熱性能。因此，建筑用PCM 熱性能測(cè)試的關(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)定PCM 的焓溫曲線(xiàn)。

1.1 差示掃描量熱法

差示掃描量熱法（DSC）由于其技術(shù)比較成熟，成為最常使用的最為典型的熱分析方法，也常常用于PCM的熱分析，可分熱通量式和功率補(bǔ)償式兩種原理［11-12］。

早在20 世紀(jì)60 年代，DSC 就開(kāi)始應(yīng)用，通過(guò)程序控溫的方式衡量試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系，用來(lái)體現(xiàn)樣品的吸放熱特性［13］。在對(duì)PCM 的比熱容進(jìn)行測(cè)定時(shí)，常常使用動(dòng)態(tài)線(xiàn)性模式和階躍步進(jìn)模式兩種程序控溫模式。DSC 僅適用于少量的均質(zhì)PCM（15 mg以?xún)?nèi)），并且采用DSC 方法研究PCM 與建筑材料混合后的相變行為存在不可忽視的誤差。該方法的誤差還受到PCM 與建筑材料混合后取樣均勻性的影響。但是DSC 依舊是研究PCM 的熱性能的常用方法之一［14］。

1.2 T-history 法

由于DSC 測(cè)試結(jié)果受樣品質(zhì)量、幾何形狀和升降溫速率的影響，研究人員開(kāi)發(fā)了T-history 法來(lái)測(cè)量少量PCM（樣品體積小于1 L）的熱物性［15-16］。T-history 法的基本原理源于集總參數(shù)法，假設(shè)樣品中的溫度分布均勻，即畢渥數(shù)保持低于0.1［17］。在相同環(huán)境變化性參比物的變化可以用來(lái)研究PCM 的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、相變溫度和相變潛熱等熱物性參數(shù)。許多研究人員對(duì)T-history法進(jìn)行了改進(jìn)、優(yōu)化，包括實(shí)驗(yàn)裝置布置、數(shù)學(xué)評(píng)估的方法以及數(shù)據(jù)結(jié)果表達(dá)的形式等等［16］。從一定程度上來(lái)說(shuō)，T-history 法與DSC 相比有很多可取之處，例如實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、相變過(guò)程可見(jiàn)、對(duì)非均勻PCM 同樣適用等，但是該方法對(duì)樣品量仍有較大限制，因此并不適用于相變建筑構(gòu)件焓溫曲線(xiàn)的測(cè)定［18-20］。

2 相變建筑構(gòu)件熱性能測(cè)試方法

傳統(tǒng)的熱分析方法對(duì)PCM 樣品量有較大的限制，為了進(jìn)一步研究相變儲(chǔ)能型建筑構(gòu)件的熱性能，需要結(jié)合不同建筑構(gòu)件的特點(diǎn)采用新型的熱性能測(cè)試方法。

2.1 相變建筑構(gòu)件

相變建筑構(gòu)件是指將PCM 與建筑構(gòu)件相結(jié)合所構(gòu)成的建筑要素，非透明相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要有相變墻體和相變墻板兩種形式［21-22］。相變墻體是用添加PCM 的砌體（如磚塊、混凝土砌體等）砌筑的墻體，其厚度大于相變墻板；在水泥砂漿或石膏中添加PCM 并做成板狀的形式即為相變墻板。對(duì)于相變墻體而言，由于尺寸規(guī)模較大，一般采用熱箱裝置進(jìn)行熱物性測(cè)試；相變墻板相對(duì)而言體積較小，應(yīng)用形式更靈活，可以采用防護(hù)熱板裝置進(jìn)行熱性能測(cè)試。

2.2 相變建筑構(gòu)件測(cè)試裝置

目前，相變建筑構(gòu)件的熱性能測(cè)試裝置以非標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置為主，其中以熱箱裝置和防護(hù)熱板裝置最為典型［23］。首先是熱箱裝置，在GB/T 13475-2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》對(duì)熱箱法的測(cè)定進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，指出熱箱裝置對(duì)非均質(zhì)試件、組合試件同樣適用［24］。熱箱裝置中試件兩端為溫度可控的腔體，根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)（墻體溫度、腔體空氣溫度）可以計(jì)算出試件的傳熱性質(zhì)。熱箱測(cè)試系統(tǒng)具有較好的保溫性能，進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以認(rèn)為兩艙體環(huán)境與受試墻體三者之間的傳熱是一維的，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)被驗(yàn)證具有良好的可靠性［25-26］。

防護(hù)熱板裝置在我國(guó)頒布的GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》和GB/T 10295-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定熱流計(jì)法》中提到，防護(hù)熱板裝置的基本原理是在均勻板狀試件間建立一維均勻熱流。美國(guó)測(cè)試和材料協(xié)會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)ASTMC518-10 也提出可以采用穩(wěn)態(tài)法來(lái)測(cè)定墻板的熱物性參數(shù)［27］。

2.3 相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)PCM 構(gòu)件而言，除了可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，還可以進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。通過(guò)實(shí)測(cè)，建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可以進(jìn)一步評(píng)估PCM 與建筑材料結(jié)合后的蓄熱潛能，評(píng)價(jià)其對(duì)室內(nèi)熱舒適及節(jié)能效果的影響。

相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要可以分為三類(lèi)：節(jié)能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和熱舒適指標(biāo)。這三類(lèi)指標(biāo)分別從供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)反映了對(duì)相變構(gòu)件性能的不同需求［28］。

節(jié)能指標(biāo)主要受墻板位置和氣候條件影響，因此需要綜合考慮這兩個(gè)因素。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)取決于應(yīng)用場(chǎng)景與材料本身的屬性，如氣候區(qū)域、布置形式、PCM 循環(huán)次數(shù)［29］。PCM 應(yīng)用在建筑中不僅具有削峰填谷、減少建筑能耗的節(jié)能潛力，還可以調(diào)節(jié)室溫、改善室內(nèi)舒適性（尤其是被動(dòng)式建筑），因此選用合適的熱舒適指標(biāo)來(lái)評(píng)估相變建筑的舒適性同樣具有重要意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)考察了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)建筑物的適用性，可以說(shuō)明該方法適用于具有高熱增益和低熱慣性的建筑物，且熱不適強(qiáng)度指標(biāo)在評(píng)估PCM 效益方面最準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)PCM 熱物性測(cè)試進(jìn)行了廣泛的研究，對(duì)于PCM，DSC 和T-history 法是常用的熱分析方法，發(fā)展較為成熟，但是由于對(duì)樣品量的限制，并不適用于相變建筑構(gòu)件。對(duì)相變建筑構(gòu)件進(jìn)行熱性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，測(cè)試方法較為單一，還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)線(xiàn)性模式需要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一，ASTM C1784-14 中提出的“Dynamical method”需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支撐。

此外，建立相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)PCM 在建筑中的實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義。綜合節(jié)能效果、經(jīng)濟(jì)性和熱舒適性，可以選用合適的指標(biāo)評(píng)估PCM 的應(yīng)用效果，其中PCM 在建筑物中的舒適性評(píng)價(jià)具有更大的研究潛力。

綜上所述，如何采用合理簡(jiǎn)便的方法測(cè)定復(fù)合PCM的熱物性參數(shù)，尤其是PCM 與建筑材料混合后焓溫曲線(xiàn)的準(zhǔn)確獲得是一項(xiàng)值得研究的內(nèi)容。