相變材料在建筑節能工程的應用研究

顧洪平 GU Hong-ping

（江蘇省建筑工程集團有限公司，南京 210019）

0 引言

作為一種新型建筑材料，相變材料在建筑節能中有較為廣泛的應用，相變材料是一種可以在溫度發生變化時吸收或釋放大量熱能的材料。在建筑節能工程中，相變材料被廣泛應用于隔熱、調溫和儲能等方面，可以提高建筑物的能源利用效率[1]。由于相變材料的研發和應用在當前仍然是較為前沿的內容，學術界對相關內容的研究相對較少，尤其是關于相變材料的應用效果的評估研究。論文以相變材料的蓄熱性能評估應用實例展開研究，探討相變材料在建筑實踐中的應用效果，并提出以相變材料為代表的新型建筑材料未來發展的方向。

1 案例分析

以某小區1 號戶型建筑地暖管道鋪設安裝為例，該小區原地暖管道無新能源儲能材料鋪設。通過引入相變儲能材料，在該小區地暖管道鋪設中進行填充應用，提出了兩種相變材料填充結構——相變材料全填充式與相變材料1/2 填充結構，與無相變材料填充結構進行模擬比較分析。

2 相變材料概述

相變材料（Phase Change Material，PCM）是一種具有特定相變溫度的材料，能夠在溫度變化時吸收或釋放大量的熱量，通常被用作熱能儲存和調控系統中的關鍵組成部分[2]。因此相變材料也屬于新型建筑材料的其中一種類型，而相變材料通常具有以下特點：具有相變特性、具有明確的相變溫度、可以實現物質在固態和液態之間的相互轉化，常見的相變溫度包括冰點（攝氏度）和沸點（100 攝氏度）等，相變儲能材料原理圖如圖1 所示。

圖1 相變儲能材料原理圖

首先，相變材料具有高比熱容性，相變過程中，PCM材料可以吸收或釋放大量熱量而保持溫度穩定，具有較高的比熱容。這種特性使得PCM 相變材料在熱能儲存和調控方面具有很大優勢。

其次，相變材料具有熱能儲存性，PCM 相變材料可以將多余的熱量以相變的方式儲存在材料中，當需要釋放熱能時再次吸收環境或其他熱源的熱量。這種特性使得PCM 相變材料在太陽能熱水器、空調系統和暖通空調系統等領域得到廣泛應用[3]。

另外，相變材料具有溫度調節性，由于PCM 相變材料具有明確的相變溫度，可以通過選擇不同相變溫度的材料來實現對室內溫度的調節。在節能建筑和溫控設備中，PCM 相變材料可以吸收或釋放熱量，從而調節室內溫度，提高舒適性和節能效果。同時PCM 相變材料具有較好的化學穩定性和物理穩定性，可以循環使用多次而不發生質量損失。這種特性使得PCM 相變材料具有長壽命、可靠性高的優點。

3 相變材料在建筑節能中的應用效果實例

由于相變材料（PCM）在相變過程中具有高儲能密度和穩定性的特點，因此在建筑領域有廣泛的應用。相變PCM 材料的高能量儲存能力使其適合應用于頂面的采暖和制冷。當溫度升高時，相變PCM 材料會吸收熱量并轉變為液態，在此過程中能儲存大量的能量。當室溫下降時，相變PCM 材料會以相同的速率釋放熱量，將之前儲存的能量傳遞給周圍環境。這種等溫的特性使得相變PCM 材料能夠在長時間內保持較穩定的溫度，從而實現良好的采暖和制冷效果[4]。

本文通過進行對該小區1 號戶型地暖鋪設模擬比較分析，可以評估相變材料填充結構在蓄熱性能和熱響應時間方面的效果，從而選擇最優的填充結構來滿足建筑儲能需求。研究使用鄭宣宣[5]等在研究中采用的相變材料的參數，具體性能參數如表1 所示。

表1 研究所使用相變材料物性參數

在研究中，以該小區1 號戶型尺寸為4x 3.7x2.8（單位為米）的房間模型進行研究，以回字形方式進行地暖鋪建，選用的管徑和管間距分別是10mm 和100mm 如圖2所示。

圖2 地暖管鋪結構及地板模型結構示意圖

針對采取相變材料不同的填充方式，與無相變材料填充進行對比，如圖3（a）所示為相變材料完全填充，圖3（b）為相變材料1/2 填充，填充高度為完全填充的一半。

圖3 相變材料2 種不同填充結構示意

為了充分展現相變地板不同填充結構的熱性能優勢，可以將相變地板的蓄放熱過程分為兩種不同的間歇式工況進行模擬分析。具體的工況如下：

蓄熱8 小時，放熱16 小時。在這種工況下，相變地板經過8 小時的蓄熱過程后，釋放所儲存的熱能，持續放熱16 小時。可以模擬相變材料在吸熱過程中的溫度升高，以及放熱過程中的溫度降低。

通過CFD 軟件進行模擬分析時，需要設置合適的物理模型、邊界條件和材料性質等。對于相變地板的模擬，需要考慮相變材料的熱容、密度以及相變溫度等參數，并將其納入傳熱模型中。同時，還需設置房間的室內外溫度、濕度等邊界條件，以及地板表面的溫度和傳熱系數等，如表2 所示。

表2 研究中所使用相變材料填充結構方案

在模擬分析結果的后處理過程中，可以繪制相變地板內部和表面的溫度變化曲線，評估其蓄放熱性能優勢。通過比較兩種不同工況下的溫度變化、室內空氣溫度分布等參數，可以評估不同填充結構對相變地板性能的影響，并進一步優化設計。

根據圖4（a）和圖4（b）顯示地板表面和室內空氣溫度隨時間的變化曲線。從圖中可以觀察到地板表面溫度及室內空氣溫度先上升后下降，并且在蓄熱至第8 小時時，地板溫度達到了峰值。分析三種不同的填充結構可以看到，未進行相變材料填充的地板溫度及室內溫度在加熱階段升溫較快、在停止加熱后溫度下降較快，相變材料完全填充和1/2 填充的地板結構在停止加熱8h 后（第16h），地板表面溫度還能達到24℃左右，室內空氣溫度還能保持在16℃左右，能夠滿足人體對溫度舒適度的要求，蓄熱效果較好。這就說明相變材料在建筑領域中能夠起到一定的作用。

圖4

4 相變材料未來的發展展望

4.1 蓄熱隔熱技術

相變材料在建筑領域中可以應用于墻體、屋頂和地板等結構中，以實現蓄熱和隔熱功能。相變材料還具有良好的隔熱性能。它們可以減少墻體、屋頂和地板等結構中熱量的傳導，提供更好的隔熱效果。這種隔熱性能可以在冬季保持室內溫暖，在夏季阻擋外界高溫地進入，從而改善室內舒適性[6]。相變材料與建筑材料的結合將為建筑節能提供創新解決方案。通過利用相變材料的高儲熱密度和相變特性，可以實現蓄熱、隔熱功能，降低能耗和碳排放，同時提高室內環境的舒適性。未來，相變材料在建筑領域的應用前景廣闊，有望成為常見的做法，為可持續建筑發展做出貢獻。

4.2 窗簾與玻璃窗

相變材料可用于窗簾和玻璃窗中，實現智能調節室內光照和溫度。當室外溫度升高時，相變材料會吸收熱量從而降低室內溫度，避免冷氣過度使用；而在寒冷季節，相變材料可以釋放儲存的熱量，提供附加的保溫效果。此外，相變材料還可以通過調節玻璃窗透光度，實現室內光照度的優化，減少室內照明能源消耗。

4.3 高效建筑密封和隔音

相變材料可用于建筑密封材料和隔音材料，提高建筑的密封性和吸聲性能。相變材料具有吸音和減振能力，可以有效減少噪音傳遞和能量損失。此外，相變材料還能夠在溫度變化時自動收縮或膨脹，補充建筑中的結構縫隙，提高建筑隔熱效果。

4.4 智能控制系統的集成

將相變材料與智能控制系統結合，可以實現精確控制建筑內部溫度、光照和濕度等參數。通過傳感器監測環境變化，智能控制系統可以自動調節相變材料的狀態，保持室內舒適度并最大限度地降低能耗。

5 結語

基于當前建筑材料的發展情況，相變材料已經被應用于建筑施工中，并且發揮著較為重要的作用。未來，隨著技術的進一步創新和市場的推動，相變材料有望成為建筑節能領域的重要材料，為可持續建筑發展做出重要貢獻。