相變儲能材料在住宅工程中的應用

摘 要：在國家大力推廣綠色建筑和可持續發展理念的背景下，綠色建筑材料在住宅工程施工中的應用日益廣泛。本文以某綠色住宅示范項目為例，探討了相變儲能材料在建筑外墻、屋面、門窗以及智能溫控系統等方面的應用。通過在外墻中嵌入相變儲能材料提高墻體的隔熱保溫性能、在屋面綠化基質中摻入相變儲能材料增強屋面的隔熱蓄熱效應、在門窗中內置相變儲能層改善門窗的保溫隔熱性能，以及將相變儲能材料與智能溫控技術相結合實現建筑的主動節能和被動調溫等措施，有效改善了建筑的能源利用效率和室內熱環境品質，為同類綠色建筑項目提供了實踐參考。

關鍵詞：綠色建筑材料；住宅工程施工；圍護結構；相變儲能材料

1 工程概況

以某綠色住宅示范項目為例，該項目位于北京市海淀區，總建筑面積約為50000 m2，由6棟18層的高層住宅和1棟2層的公共服務設施組成。項目從規劃設計階段就秉承綠色建筑理念，以降低能耗、節約資源、提供健康舒適的居住環境為目標，在建筑材料的選用上嚴格把關，積極采用新型綠色建筑材料。

2相變儲能材料在住宅工程施工中的應用

2.1相變儲能材料的特性及優勢

相變儲能材料是一類新型的節能環保建筑材料，其憑借獨特的熱物理特性和卓越的節能環保優勢，在住宅工程施工中得到了廣泛應用。從熱物理特性來看，相變儲能材料具有較高的潛熱儲能能力，能夠在相變過程中吸收或釋放大量的熱量，從而有效調節室內溫度，削減溫度波動，提高熱舒適性[1]。與傳統材料相比，相變儲能材料具有較低的導熱系數和較大的熱阻，這些獨特的熱物理特性使其在建筑圍護結構中的應用優勢明顯。較低的導熱系數意味著相變儲能材料能夠有效阻隔熱量在建筑內外之間的傳遞，減少圍護結構的傳熱損失，從而達到良好的隔熱保溫效果，有助于維持室內溫度的穩定。較大的熱阻則進一步強化了這一保溫性能，使得建筑物能夠更好地抵御外界溫度的影響，降低能量損耗。同時，相變儲能材料的密度和比熱容與常規建筑材料較為接近，這有利于其與建筑結構的集成與匹配，便于在施工過程中的應用，并且不會對建筑物的整體性能產生負面影響。

2.2相變儲能材料在外墻中的應用

在該綠色住宅示范項目中，相變儲能材料在外墻構造中得到了廣泛應用。設計團隊在外墻設計時采用了保溫裝飾一體化外墻系統，將相變儲能材料與傳統保溫材料進行復合，形成多層結構，有效提升了外墻的熱工性能[2]。具體來看，外墻系統從內到外依次為：200 mm加氣混凝土砌塊、20 mm抹灰層、60 mm相變儲能材料層（采用相變溫度為23℃的脂肪酸/酯類材料）、20 mm抹灰找平層，以及5 mm飾面磚。其中，相變儲能材料嵌入保溫板內，通過鋁箔復合膜包裹，與基層粘結牢固。經過對比測試，添加相變儲能材料后，外墻傳熱系數K由0.52 W/（m2·K）降低至0.31 W/（m2·K），熱阻R由1.92 （m2·K）/W提高到3.23 （m2·K）/W，降溫速率從2.1℃/h減緩至1.3℃/h，外墻內表面溫度波動幅度從8.2℃收窄到4.5℃。

此外，在施工過程中，項目團隊對相變儲能材料的鋪設工藝進行了優化創新。傳統工法中，相變儲能材料多采用板狀直接粘貼于基層，容易出現空鼓、開裂等問題。而本項目改進了粘結方式，在相變儲能層與抹灰層之間設置柔性連接件，既保證了粘結強度，又降低了結構應力，提高了外墻的安全性和耐久性。同時，施工中還加強了相變儲能材料性能的現場檢測，通過熱流計、紅外熱像儀等設備，對材料的導熱系數、相變溫度等關鍵參數進行測定，確保其與設計值相符；對成品外墻進行季節性能測試，考察其在實際氣候條件下的調溫效果和能耗情況，并對測試數據進行分析反饋，為優化設計提供依據（表1）。

2.3相變儲能材料在屋面中的應用

在本項目中，采用種植屋面形式，在結構板上設置隔熱、防水、排水、蓄水等功能層，并在綠化基質中摻入相變儲能材料，形成了集保溫、調濕、隔熱、美化環境于一體的復合型屋面系統。具體構造上看，屋面自下而上依次為：160 mm鋼筋混凝土板、20 mm滲透型聚氨酯防水涂料、60 mm泡沫玻璃保溫隔熱層、40 mm碳化聚苯乙烯排水板、土工布、100 mm～150 mm摻入相變儲能材料的超級土壤基質以及地被植物。其中，相變儲能材料采用工業級十六烷基棕櫚酸和石蠟的復合物，相變溫度為25℃左右，潛熱儲能量132 kJ/kg，通過干法混合工藝與基質充分混合，體積比為1：4，再均勻鋪設于屋面綠化基質層內。這種基質摻和法既可充分發揮相變儲能材料的潛熱調溫效應，又能避免其成板鋪設帶來的運輸、吊裝、固定等問題。通過紅外熱成像分析，摻入了相變儲能材料的屋面基質層在夏季白天的表面溫度比未摻入的降低5℃～8℃，而夜間則升高3℃～5℃；設備間內頂棚表面日溫差從12℃降至4℃，熱舒適性顯著改善。經測算，屋面綠化基質摻入30%的相變儲能材料后，其對屋面傳熱的年削減量可達到11.2%。同時，針對種植屋面的防水和排水需求，項目還在相變儲能層上增設了聚氨酯防水涂料和排水板，各細部構造與主體屋面連接或轉折的部位還設置了嵌入式止水條，在保證屋面絕對防水的同時，提高了相變儲能材料的耐久性，避免其因長期浸水而失效（表2）。

總之，本項目對傳統種植屋面進行升級改造，將新型材料與植被、基質有機結合，在發揮隔熱、保溫、調濕等熱工性能的同時，很好地契合了屋面綠化的景觀效果和生態功能，為建筑屋面節能與微氣候改善提供了新思路、新方法[3]。

2.4相變儲能材料在門窗中的應用

在該綠色住宅示范項目中，考慮到門窗是建筑圍護結構中傳熱損失較為嚴重的薄弱環節，設計團隊選用了內置相變儲能層的復合門窗，在提供良好采光、通風和視野的同時，大幅提升了門窗的保溫隔熱性能。具體而言，本項目采用的復合窗由6 mm Low-E中空玻璃、12 mm相變儲能層以及6 mm超白玻璃組成，鋁合金窗框內嵌32 mm寬的相變儲能條，推拉窗扇與窗框之間嵌入Ω形硅橡膠條以密封。其中，相變儲能材料為石蠟和十八酸的共晶體，相變溫度26℃，相變潛熱186 kJ/kg，熔點和凝固點溫差小于1℃，經過6000次循環測試，性能穩定。材料通過真空浸漬工藝固化成型，并用雙層鋁箔覆膜包裹，防止泄漏和潮解。經檢測，配備相變儲能層的復合窗的傳熱系數K值為0.9 W/（m2·K），年供熱和空調能耗較普通Low-E中空玻璃窗分別降低18%和12%，室內表面溫度波動幅度不超過2℃；相變儲能材料層對太陽輻射的隔熱率高達62%，夏季遮陽系數可達0.48，冬季采光系數保持在0.62以上，實現了遮陽、采光、保溫的動態平衡（表3）。

此外，針對門窗的氣密、水密性能，項目團隊進行了系統優化。在窗框與墻體、窗扇與窗框的接縫處增設三道EPDM高耐候密封條，提高了門窗的嚴密性；在窗框與相變儲能材料層之間注入聚氨酯微泡填充劑，增強了框料的強度和穩定性；對窗框、窗扇與玻璃進行了二次加強固定，并采用內平開內倒式開啟方式，做到了良好的密閉性和水密性。經測試，門窗滲水等級達到S8，空氣滲透性能達到4級。

總之，該項目充分借鑒了相變儲能材料在門窗領域的前沿研究成果，通過材料優選、構造創新、性能測試等系列工作，研發出了兼具保溫、隔熱、遮陽、氣密等多重功能的復合門窗，改善了室內熱環境品質，降低了空調供暖能耗，為建筑門窗的節能升級提供了新的思路和范例[4]。

2.5相變儲能材料在智能溫控系統中的應用

在該綠色住宅示范項目中，相變儲能材料在智能溫控系統中得到了創新性應用。設計團隊將相變儲能材料與傳統的溫控設備進行了有機集成，研發出了一套節能、舒適的自適應智能溫控系統。具體來看，該系統以嵌入式相變儲能模塊為核心，通過與溫度傳感器、濕度傳感器、人體紅外傳感器等設備的聯動，實時感知室內外環境參數和人員活動狀態，并依據預設的控制算法，自動調節相變儲能材料的蓄放熱過程，從而達到動態調溫、被動調濕的目的。在材料選擇上，系統采用了相變溫度為23±1℃、潛熱儲能量為175 kJ/kg的脂肪酸/酯類材料。該材料熱穩定性好，循環壽命長，與建筑材料兼容性強，安全無毒，且成本適中。儲能模塊采用鋁合金外殼，內部填充高導熱石墨基質，形成蜂窩狀儲能結構，尺寸為450 mm×350 mm×30 mm，每個房間設置3～5個模塊，嵌入墻體或吊頂內，與送風系統連接。

在實際運行中，當室溫低于22℃時，相變儲能材料處于固態，模塊向室內釋放熱量，提升室溫；當室溫超過24℃時，材料熔化為液態，吸收室內多余熱量，降低室溫。材料在固-液相變過程中，溫度恒定，熱量吸放緩慢，可有效削峰填谷，維持室溫在23±1℃范圍內波動。與傳統空調系統相比，該智能溫控系統可使室溫日波動幅度從6.5℃降至2.3℃，熱舒適度提升35%。同時，由于減少了制冷、制熱設備的啟停次數和運行時間，年空調能耗下降28%，節能效果顯著。此外，得益于相變儲能材料的調濕特性，該系統在維持恒溫的同時，還能夠自動調節室內濕度。一方面，材料在吸熱熔化時，可蒸發一定量的水分，降低空氣濕度；另一方面，材料在放熱凝固時，又可吸附空氣中的水汽，防止室內干燥。經測試，在系統運行后，室內相對濕度維持在40%～65%的最佳范圍內。系統運行參數如表4所示。

3結論

綜上所述，文章以某綠色住宅項目為例，詳細闡述了相變儲能材料在建筑外墻、屋面和門窗等圍護結構中的應用實踐。通過優化構造做法、創新施工工藝、加強性能檢測等系列舉措，項目充分發揮了相變儲能材料在調溫、保溫、隔熱等方面的優勢，顯著提升了建筑的節能環保水平和室內熱環境品質。

參考文獻

[1]張國彬.新型綠色環保建筑材料在建筑工程管理中的作用[J].居舍，2024（35）：28-30.

[2]王瑋.綠色建筑在土木施工中的運用研究[J].陶瓷，2024（11）：228-230.

[3]楊剛，馬騰，辜鑫，等.綠色建筑材料在現代建筑裝修中的應用與評價[J].中國建筑裝飾裝修，2024（21）：102-104.

[4]徐寧.綠色建筑材料在建筑工程中的應用研究[J].產業與科技論壇，2024，23（20）：35-37.

作者簡介：劉超（1977.10-），男，漢族，遼寧昌圖人，本科，中級工程師，研究方向：建筑施工。