綠色建筑中相變儲能材料應用節點構造研究

1前言

相變儲能材料有獨特的調溫儲能特性，建筑節能領域對其關注頗多，已成為行業研究中的熱點。相變儲能材料能在相變過程中吸收或釋放熱量，有效減少室內溫度波動且降低建筑能耗。只是在現階段的建筑應用方面，相變材料的研究多集中在材料性能優化上，在建筑節點構造的系統性設計方面的研究較為落后，這使相變材料在實際工程應用中面臨不少挑戰難題，嚴重阻礙其在建筑領域的廣泛應用。因此，深入研究相變儲能材料在建筑節點的構造設計，對推動綠色建筑發展意義重大，能為綠色建筑提供可行的技術支持和解決方案。

2相變材料在建筑重要節點中的應用現狀2.1現狀概況

在“雙碳”目標的驅動作用下，相變儲能材料在建筑領域的研究和應用逐步升溫，但當前發展多聚焦材料性能優化，如調控相變材料的相變溫度、提升潛熱、改良耐久性等，對建筑節點構造的系統性設計研究不足。從工程實踐來看，相關應用多在試點項目，比如雄安新區部分綠色建筑示范項目雖在墻體或樓板里嘗試嵌入相變材料，以探索對室內熱環境的調節效果，可這些項目大多還處于技術驗證或推廣階段，尚未形成可復制的節點構造方案[，2]。

2.2現存問題

在綠色建筑的構造應用中，相變材料存在著不同程度的問題，主要體現在以下幾個方面：

第一，在建筑領域中，節點處材料粘結性差的問題十分明顯，相變材料（PCM）和混凝土、砂漿等傳統建筑材料界面結合時也會出現這樣的問題。因此PCM多由有機或無機化合物組成且與基材物理性質差異明顯，如膨脹系數、吸水率不一樣，施工時要是沒有專門設計的界面處理劑或者粘結層，受溫度循環變化影響應力一集中，材料就容易開裂、脫落。

第二，在門窗邊框以及陽臺連接處等熱橋部位，相變材料如何嵌入目前還沒有嚴格標準，主要是因為現有的設計缺乏針對復雜節點構造的標準化技術途徑。像門窗邊框和墻體間的窄縫、陽臺懸挑構件與主體結構的連接界面這些比較特殊的地方，空間有限且熱流方向復雜，常規的保溫層鋪設方法很難直接應用。而且，相變材料有顆粒狀、板材狀、膏狀等形態，其嵌人深度、固定方式還沒有具體的規范。

第三，當前設計實踐中缺乏不同氣候區域的差異化構造方案。主要是因為設計者沒有充分考慮寒冷地區冬季蓄熱、炎熱地區夏季隔熱這些氣候特點，也沒有顧及這些特點對相變材料選擇和節點構造的影響。如寒冷地區相變層若設在墻體外側，低溫下材料相變效率可能大幅降低。不同地區氣候對建筑要求不同，現有的傳統建筑方案在區域適配性上明顯不足。

3典型建筑節點的相變材料構造設計分析——以某科研辦公樓項目為例

3.1案例概況

某科研辦公樓項目，該地年平均氣溫約 16.5^°C ，夏天極端高溫可達 38^°C 至 41^°C ，冬天低溫會降至 -5% 至-12% ，且全年濕度高、氣候特征為冬濕冷夏悶熱。所以，該建筑圍護結構需要有較好的保溫隔熱性能和熱濕調

控能力，這是氣候條件所要求的。該項目為框架結構，地上6層，建筑面積共 8000m² ，目標是改造成三星級綠色建筑，應用各類節能技術以降低建筑能耗、提高室內熱舒適性。

建筑設計痛點：加氣混凝土砌塊和普通保溫層組合的傳統圍護結構，熱惰性不夠，夏季西墻受太陽輻射時，室內溫度最大波動幅度可以達到 8^°C ，午后局部得靠空調強制降溫，冬季墻體蓄熱能力差，且空調一直開著能耗高。而且陽臺和主體結構連接處、外窗邊框這些節點有明顯熱橋效應，是建筑節能的薄弱之處。所以，項自提出“梯度相變溫度 + 預制化構造\"技術策略，針對墻體、樓板、屋面、門窗這些關鍵節點進行優化。

3.2墻體節點：雙向調溫構造

墻體節點采用雙向調溫構造設計，如表1所示。設計要點分析如下：

（1）材料適配

夏熱冬冷地區冬夏溫差大且室內外熱流方向交替，墻體外側采用相變溫度在 18^°C-20^°C 的低相變溫度PCM板。夏季室外溫度高于 20% 時，該板會發生固-液相變，靠液化過程吸收并儲存太陽輻射和環境傳遞的熱量，以減少高溫往室內滲透，到夜間室外溫度下降時，材料釋放熱量通過墻體散到室外避免熱量滯留4。墻體內側采用相變溫度在 22^°C-24^°C 的中相變溫度PCM砂漿，冬季室內溫度低于 22% 時，材料從液態變成固態，通過固化過程釋放儲存的室內余熱，從而減緩熱量往室外流失的速度。

（2）節點強化

在建筑結構里，墻體熱橋現象常在墻角和門窗洞口周邊區域高發。這些部位多是直角結構，易讓熱量集中在直角區域，對建筑物整體節能效果不利。本項目專門用了L型預制相變混凝土護角技術，其核心是在混凝土基材均勻摻 10% 的相變材料（PCM）顆粒，護角既能提供結構支撐又能顯著提升熱阻性能。沿墻角和門窗洞口邊緣設置這種護角，可有效覆蓋直角過渡區域，阻斷熱流通道，減少熱量的集中傳遞。

（3）實測效果

工程人員在西墻的典型位置安放了溫度傳感器與熱流計，對比改造前后數據后發現：夏季午后室內側墻體表面峰值溫度由 32% 降到 28.8°C ，降低幅度約 3.2% 室內高溫時段過熱問題得到有效緩解；冬季夜間無供暖時，墻體內側溫度下降速率從 2.5% 減到 1.3^°C/h ，蓄熱能力提升近 50% ，室內熱量的流失速度有了改善。工程人員又采用熱箱法測試墻體整體傳熱系數，從改造前的1.2W/（m²?K） 降到 0.9W/（m²?K） ，熱阻提升大約在 33% ，這表明\"外側PCM板 + 內側PCM砂漿 + 預制護角\"的組合構造對墻體保溫隔熱性能起到相應作用。

3.3樓板節點：相變混凝土樓板 + 架空層

在對樓板進行改造時，工程人員結合 120mm 的現澆相變混凝土工藝進行，先將 3mm～5mm 粒徑的PCM膠囊以 8% 的摻量均勻分散于混凝土里，使相變材料與基材形成穩定復合體，避免傳統外掛式儲能層的粘結隱患。樓板下方有 200mm 的架空層，由混凝土支架作為支撐，間距 600mm ，以便形成貫通的空氣流通腔體，依靠自然對流實現層間空氣熱量交換。夏季上層房間通過樓板傳遞的余熱借助熱壓效應排出，冬季首層室內熱量通過樓板向地下的散失得以減少。熱環境實測后，樓層間晝夜溫差從 5% 大幅縮小到 2.6^°C 。

3.4屋面節點：相變保溫 + 綠化復合層

屋面改造過程中，工程人員先將底層進行了優化，先以鋼筋混凝土屋面板作為基礎承重結構；往上依次設置 20mm 相變溫度 25°C 的相變瀝青隔氣層，靠瀝青基材致密性阻止室內水蒸氣滲向屋面保溫層。到夏季，室內超 25°C 時，材料相變可以吸收水蒸氣潛熱，降低冷凝風險；上方位置繼續覆蓋 50mm 相變EPS保溫板，經過處理之后，將PCM顆粒均勻包于EPS孔隙，形成復合保溫層；中部位置的細石混凝土保護層，使用 30mm 含Φ4@200mm 鋼筋網來增強屋面抗裂性，以保護下面相變材料層免遭外界機械破壞；最上層 150mm 的種植土，摻人 5% 復合PCM顆粒，PCM經物理混合均勻分布于土壤，種植土表層鋪耐候植被層，構成完整體系。

夏季屋面外表面受太陽輻射影響，溫度能達 50% ，相變EPS保溫板在超 23% 時固-液相變，這么設計主要是為了讓它吸收熱量以延緩向室內傳熱的速率，讓屋面傳熱峰值延遲3小時至4小時，從而使空調負荷峰值得以降低。冬季室外低溫時，材料固化釋放儲存熱量，以減少屋頂向外界散熱。種植土中加復合PCM顆粒，用其相變潛熱平抑土壤晝夜溫差，實測顯示土壤溫度波動可控制在 3^°C 以內，既避免極端溫度傷害植物根系，又提升屋面整體熱惰性，使屋面季節交替時溫度變化更平緩。還有，相變瀝青隔氣層與相變EPS保溫板設計溫度梯度為25^°C23^°C ，形成外冷內熱的熱流緩沖帶，以阻斷夏季高溫與冬季低溫直接傳導，再加上綠化植被遮陽降溫與蒸騰作用，傳統屋面保溫層易受潮失效、隔熱性能隨季節衰減的問題就被有效解決。

3.5門窗與熱橋節點：細節處的熱阻強化設計

3.5.1外窗節點

工程中的外窗節點設計采用相變密封膠條加隔熱條。具體而言，在窗框和墻體的間隙填充 20mm 寬的相變密封膠條（硅橡膠基 + 石蠟PCM，相變溫度 20% ，拉伸粘結強度 ≥0.4MPa ，以增強和砂漿咬合；將 15mm 寬的玻璃纖維增強PCM、導熱系數 0.3W/（m?K） 的復合相變隔熱條內置在鋁合金窗框中，以阻斷金屬型材熱傳導；窗扇采用“6mmLow-E玻璃 +12mm 空氣層 +6mm 普通玻璃”的結構，在內側玻璃邊緣粘貼相變溫度 22% 的 5mm 厚PCM薄片，以抑制結露。后續實際測算發現，門窗整體傳熱系數從 2.8W/（m²?K） 降到 1.8W/（m²?K） ，冬季窗邊結露現象消失且冷風滲透量減少 18% 。

建筑內外部的陽臺連接處得特別留意，因為此處熱橋效應比較集中。本工程用 200mm×200mm×50mm 的預制相變混凝土墊塊（PCM摻量 10% ，抗壓強度C20及以上）替換掉傳統混凝土墊塊來解決這一問題，墊塊上下表面設計成凸凹不平紋理，使其和主體結構現澆連接更牢固。建筑里的變形縫問題工程人員也有應對舉措，在 50mm 寬的變形縫內填充凝膠狀PCM材料（相變溫度22% ，密度 1.2g/cm³ ），外面蓋鋁合金蓋板，該設計讓變形縫能有 ±10mm 位移量且能阻斷 90% 熱流通過，建筑保溫性能和能效大大提高。

3.6經驗總結

本次工程中，墻體設計采用“夾心層 + 預制護角\"這一創新思路，把外側PCM板、內側PCM砂漿與中間加氣混凝土砌塊相結合，有效解決了傳統建筑材料粘結性不佳的問題。L型預制護角用于覆蓋墻角、門窗洞口等容易產生熱橋效應的區域，提升了界面可靠性，通過榫卯連接增強結構穩定性。而在門窗節點方面，應用標準化預制的相變密封膠條和隔熱條，解決了狹窄空間內材料嵌入難題，提高了施工效率，降低了長期使用中可能的失效風險。工程實踐進一步表明，相變材料在建筑節點應用要遵循“小節點、大效應\"原則，將不同形態材料如板材、砂槳、膠條等與建筑節點幾何特征和功能需求精準匹配，通過“微構造\"優化手段，顯著提升整體性能。實際測量發現，與基準建筑相比，該案例建筑節能提升了約27% 。

4結論

通過分析具體案例發現，將相變材料用于建筑節點優化設計，具有一定實際可行性。文章所提若干措施，如用于墻體、樓板、屋面和門窗熱橋節點等，均已證明可有效降低室內溫度波動，提升熱阻性能，減少建筑整體能耗。這些研究成果給夏熱冬冷地區綠色建筑設計提供參考技術路徑，對其他氣候區域建筑設計也有借鑒意義。然而，相變材料在建筑領域應用方面，面臨著標準規范不完善、部分技術細節需深化等挑戰。所以，未來需進一步加強研究工作，推動相變材料在更廣泛工程化應用中發揮作用，助力建筑行業達成節能減排自標。

參考文獻

[1]劉超.相變儲能材料在住宅工程中的應用[J].佛山陶瓷，2025，35（03）：41-43.

[2]陳露，石玉超，杜芃婧，等.基于多孔材料支撐的復合相變材料的制備和儲能機理研究進展[J].材料科學與工程學報，2025，43（01）：157-168.

[3]薛曉強，張慧峰，屈逸飛，等.相變儲能裝置傳熱強化技術發展及展望[J].暖通空調，2025，55（03）：1-10.

[4]劉永虎.相變材料在建筑圍護結構中的熱管理應用研究[J].居舍，2025（01）：53-55.

[5]王曉風，宋小軟，黃崧，等.相變儲能材料在建筑節能領域中的研究進展[J].化工新型材料，2024，52（S2）：320-325+331.

[6]王洲杰，黃艷妮.建筑節能降耗系統相變儲能砂漿特性[J].當代化工，2024，53（07）：1605-1608+1613.