相變材料在建筑節能中的研究進展

時浩，劉紅敏，錢嘉鑫，孫亞松

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

現如今，全球能源危機問題愈加嚴重，人們賴以生存的石油、煤礦和天然氣等不可再生能源緊缺。為解決能源危機，除了尋找風能、太陽能、潮汐能等可再生能源之外，節能也是解決能源危機的一個重要方式。節能以應用技術可靠、經濟合理、社會可接受度高為特點，其主要目的是為了更好地利用不可再生能源。建筑是人類社會的重要組成部分，人們為滿足對高舒適度的追求，利用空調、地暖等設備對室溫進行調節，增加了建筑的能耗。建筑消耗的能源占社會總能耗的很大一部分，在中國，建筑物消耗的能源超過了30%[1]。我們面臨的問題是如何在減少能源消耗和提供舒適的室內環境之間取得適當的平衡[2]。在這種情況下，相關研究人員開始致力于相變材料的研究，相變材料的應用不僅可以降低建筑能耗達到節能減排的效果，而且對室內舒適度的提升也有極大幫助，因此具有十分重要的意義。

1 相變材料的分類與建筑用相變材料的特性

1.1 相變材料的分類

相變材料(簡稱PCMs)又稱相變儲能材料，是指溫度不變的情況下而改變物質狀態并能提供潛熱的物質。相變過程指的是相變材料吸收或釋放大量的潛熱，轉變物理性質的過程。PCMs的工作原理是根據環境溫度改變它們的狀態，當溫度升高時，PCMs會從固態轉變為液態，吸收和儲存能量。另一方面，當溫度降低時，材料具有釋放先前儲存能量的能力，在這種情況下，從液態變為固態[3]。

相變材料按照化學組成不同可以分為有機相變材料、無機相變材料、復合相變材料[4]，其材料種類及優缺點見表1。相變材料按照其狀態不同可以分為氣-液相變材料、氣-固相變材料、固-液相變材料、固-固相變材料。氣-液相變材料和固-液相變材料中存在大量氣體，在相變過程中會出現體積增加、氣壓增大的現象，而固-固相變材料相變速度緩慢，價格較高[5]，因此建筑節能方面多使用固-液相變材料。相變材料還可以按照溫度的高低進行分類，但溫度劃分的標準并不統一，一般情況下可根據相變材料的實際使用溫度分為低溫相變材料(-50～90 ℃)、中溫相變材料(90～400 ℃)和高溫相變材料(>400 ℃)[6-8]。

表1 相變材料的種類及優缺點Table 1 The types，advantages and disadvantages of phase change materials

1.2 建筑用相變材料的特性

早在1980年，PCMs就已用于建筑物的熱能儲存，Biswas和Lane對這種材料用于加熱和冷卻的應用進行了初步研究[9-10]。20世紀90年代，用PCMs處理建筑材料的技術開始發展起來。1999年，國外研究出新型的固-液相變材料，用在墻板或者混凝土中，可以調節室內的溫度。國內相變材料的研究起步較晚，90年代初中國科學院廣州化學所、中國科技大學、清華大學、華中理工大學、北京航天航空大學、重慶大學等多所大學和研究單位相繼開展了相變儲能材料的開發和研究工作?？偟膩碚f，我國相變儲能材料的理論和應用研究與發達國家相比還較薄弱，但是近年來我國研究相變材料的速度正在加快，內容也在不斷加深，中國建筑材料科學研究總院研發的有機-無機復合相變材料現已經可以在建筑圍護結構上大面積使用[11]。

用于建筑圍護結構的相變建筑材料的研制，選擇合適的相變材料至關重要，需具有以下幾個特性：①熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；②相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現象少；③有合適的相變溫度，能滿足需要控制的特定溫度；④導熱系數大、密度大、比熱容大；⑤相變材料無毒，無腐蝕性，成本低，容易獲得。

2 相變材料在建筑外圍護結構的應用

PCMs在建筑圍護結構上的應用主要包括石膏板、砂漿、混凝土等，將傳統的建材與相變材料通過直接加入法、浸滲法或者封裝法制備成新型建材[12]。將相變材料放置于建筑外墻中，白天融化吸收墻體熱量，夜晚凝固緩慢對外界和室內釋放出熱量[13]。建筑物傳熱方式主要包括對流、輻射和導熱，其中導熱占據建筑物熱量的很大比例。研究證實，將PCMs用在建筑圍護結構上，通過減少室內溫度的每日波動和降低建筑物的能耗成本，提高了建筑物室內舒適度[14]。

2.1 相變石膏板

石膏廣泛應用在建筑中，具有良好的隔音、隔熱、防火、調節濕度的性能，是一種環保型材料。石膏的微孔結構和加熱脫水的性能使之成為與相變材料復合的良好的基體，可以制備出一種環保兼具性能良好的新型建筑材料[15]。

張建武等[16]將癸酸和棕櫚酸與石膏板通過浸漬法混合，用掃描電鏡和差示掃描量熱分析等手段對相變石膏板結構特征、熱特性進行了研究，結果表明，相變儲能石膏板的潛熱儲熱量、調溫性能較好，能夠長時間調節溫度并滿足人體舒適度要求，而且熱穩定性較好。

魏婷等[17]采用共混法將十八烷微膠囊和石膏板混合制備了新型相變石膏板，研究了該相變材料的力學性能和儲熱性能，研究結果表明雖然相變微膠囊含量的增加會導致相變石膏板的抗壓和抗折強度下降，但是含量為13.6%時仍然符合等級要求。當石膏板溫度低于23 ℃時，普通和相變石膏板儲放熱性能相同，當溫度在26～30 ℃之間時，相變石膏板則表現出優勢。

Zhang等[18]采用溶膠-凝膠法制備了微膠囊相變材料(MePCMs)，用二氧化硅為外殼，石蠟為芯材，與石膏混合，研究了MePCM的結構、穩定性、導熱性，結果表明，由于SiO2的緊密性好，微膠囊具有較高的熱穩定性和良好的抗滲透性，當MePCMs的質量百分比為10%時，石膏材料具有較高的機械強度、致密性、導熱性和良好的熱調節性能。

Liu等[19]用硅藻土/石蠟復合相變材料與石膏基按不同比例混合，研究了石膏基材料的蓄熱性能。用掃描電鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線熒光光譜(XRF)等進行測試，結果表明，石蠟與硅藻土有良好的相容性，石膏基復合材料穩定性較好。通過比熱性能的實驗表明，隨著硅藻土/石蠟含量的增加，石膏基相變復合材料的儲熱性能顯著提高。

2.2 相變水泥砂漿

相變水泥砂漿是由相變材料經過載體吸附和封裝包裹后與水泥砂漿混合制備而成，制備流程完成后還需制成涂層應用在建筑表面，可以起到儲熱調溫的作用[20]。

楊籍等[21]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與水泥砂漿混合，制成新型的相變控溫砂漿，研究了相變砂漿的熱物性，并且模擬相變砂漿在建筑物上的儲熱調溫性能。研究結果表明，相變砂漿熱工性能良好，比普通砂漿的溫升、溫降速率低，模擬結果表明，夏季時砂漿能使建筑溫度顯著降低，具有良好的調溫性能。

陳金平等[22]利用膨脹珍珠巖吸附石蠟的性能制成了膨脹珍珠巖-石蠟相變儲熱材料，將其與普通水泥砂漿直接混合制成了相變儲能砂漿，并研究了其熱物理性能。結果表明，相變砂漿的溫度變化率和潛熱變化率較小、穩定性好。

2.3 相變混凝土

普通混凝土的導熱系數大，在混凝土施工中水化熱量使內部溫度升高，不僅會導致混凝土產生裂縫，還會使能耗增加[23]。在混凝土中加入由相變材料制成的新型相變混凝土，可以有效彌補普通混凝土的不足，而且還能發揮儲能調溫的優勢。

王永偉等[24]在聚乙二醇(PEG)/SiO2復合相變材料的基礎上加入石墨來改善PEG/SiO2復合材料的導熱性能，并將這三種相變材料直接摻入到混凝土中，研究了PEG和石墨加入量對相變混凝土的導熱性能的影響，以及PEG/SiO2/石墨相變混凝土的性能。結果表明，當PEG含量為80%，石墨含量為6%時，PEG/SiO2/石墨相變混凝土具有良好的導熱性能，并且能有合適的相變溫度和相變焓，解決了混凝土水化熱量大使混凝土裂開的問題。

聶志新等[25]采用吸附法制成了月桂酸(LA)/膨脹石墨(EG)相變材料，將其與混凝土混合，研究了相變混凝土的抗壓強度以及導熱系數的變化規律。結果表明，LA的加入會使相變混凝土的抗壓強度大大降低，但還是滿足抗壓強度的基本要求，并且導熱系數隨著LA/EG相變材料的加入有所提高。

3 相變材料在室內的應用

PCMs主要應用于室內地板，地板輻射采暖與散熱器采暖相比，具有節省空間和舒適性更高的特點。PCMs可與地板輻射采暖相結合，其原理是將白天溫度較高時產生的熱量儲存在地板中，當晚上溫度較低時將白天儲存的熱量釋放出來以調節室內溫度。因此PCMs與地板輻射采暖相結合會更加的節能環保。

莊孫歧等[26]將相變蓄熱地板(相變填料為石蠟和水泥)的地面輻射供暖系統房間進行數值模擬，研究了相變蓄熱地板的理想相變溫度，石蠟和水泥的最佳配比以及相變地板的儲放熱性能。結果表明，在房間供暖時，地板吸收并儲存熱量，在房間停止供暖時，地板釋放出熱量，其中水泥和石蠟最佳配比1∶1，最佳相變溫度為30 ℃。

李鵬輝等[27]采用數值模擬的方法對比了相變地板(相變填充層材料為十八烷)與普通地板的蓄放熱性能的差異。結果表明，相變地板由于材料優異的蓄放熱性能，減少了地板內溫度的波動，提高了舒適性，采暖性能比普通地板好。

Yun等[28]研究了PCMs應用于干式地板采暖后的熱舒適性和節能效果，為了穩定相變材料的形狀，使用了宏觀填充PCMs(MPPCMs)。相變材料為石蠟基聚羥基(正十八烷、正十二烷、正二十二烷)，實驗溫度為28～35 ℃。結果表明，MPPCMs的蓄熱性能良好，用于加熱的能量減少了43%，正二十烷是用于地板加熱的最有效的PCM，獲得了舒適的地板溫度。由此可見，PCMs可以降低峰值溫度，實現節能。

4 結論與展望

基于以上研究，在建筑節能的理念中，PCMs將成為未來重點發展的對象，相變材料與建筑相結合具有顯著降低能耗、節約資源、綠色環保和提高人們居住環境舒適度的特點。但是，PCMs存在的局部缺陷導致無法普及使用，比如耐久性問題、材料泄露問題、污染環境問題、復合材料制備時相容性問題以及如何控制成本等問題。在未來的研究中，解決這些局部缺陷是重點關注的方向。