綠色建筑中相變儲能材料應(yīng)用節(jié)點構(gòu)造研究

1前言

相變儲能材料有獨特的調(diào)溫儲能特性，建筑節(jié)能領(lǐng)域?qū)ζ潢P(guān)注頗多，已成為行業(yè)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(nèi)溫度波動且降低建筑能耗。只是在現(xiàn)階段的建筑應(yīng)用方面，相變材料的研究多集中在材料性能優(yōu)化上，在建筑節(jié)點構(gòu)造的系統(tǒng)性設(shè)計方面的研究較為落后，這使相變材料在實際工程應(yīng)用中面臨不少挑戰(zhàn)難題，嚴重阻礙其在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，深入研究相變儲能材料在建筑節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計，對推動綠色建筑發(fā)展意義重大，能為綠色建筑提供可行的技術(shù)支持和解決方案。

2相變材料在建筑重要節(jié)點中的應(yīng)用現(xiàn)狀2.1現(xiàn)狀概況

在“雙碳”目標的驅(qū)動作用下，相變儲能材料在建筑領(lǐng)域的研究和應(yīng)用逐步升溫，但當前發(fā)展多聚焦材料性能優(yōu)化，如調(diào)控相變材料的相變溫度、提升潛熱、改良耐久性等，對建筑節(jié)點構(gòu)造的系統(tǒng)性設(shè)計研究不足。從工程實踐來看，相關(guān)應(yīng)用多在試點項目，比如雄安新區(qū)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(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)效果，可這些項目大多還處于技術(shù)驗證或推廣階段，尚未形成可復制的節(jié)點構(gòu)造方案[，2]。

2.2現(xiàn)存問題

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

第一，在建筑領(lǐng)域中，節(jié)點處材料粘結(jié)性差的問題十分明顯，相變材料（PCM）和混凝土、砂漿等傳統(tǒng)建筑材料界面結(jié)合時也會出現(xiàn)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(zhì)差異明顯，如膨脹系數(shù)、吸水率不一樣，施工時要是沒有專門設(shè)計的界面處理劑或者粘結(jié)層，受溫度循環(huán)變化影響應(yīng)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(xiàn)有的設(shè)計缺乏針對復雜節(jié)點構(gòu)造的標準化技術(shù)途徑。像門窗邊框和墻體間的窄縫、陽臺懸挑構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)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(guī)的保溫層鋪設(shè)方法很難直接應(yīng)用。而且，相變材料有顆粒狀、板材狀、膏狀等形態(tài)，其嵌人深度、固定方式還沒有具體的規(guī)范。

第三，當前設(shè)計實踐中缺乏不同氣候區(qū)域的差異化構(gòu)造方案。主要是因為設(shè)計者沒有充分考慮寒冷地區(qū)冬季蓄熱、炎熱地區(qū)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(jié)點構(gòu)造的影響。如寒冷地區(qū)相變層若設(shè)在墻體外側(cè)，低溫下材料相變效率可能大幅降低。不同地區(qū)氣候?qū)ㄖ蟛煌F(xiàn)有的傳統(tǒng)建筑方案在區(qū)域適配性上明顯不足。

3典型建筑節(jié)點的相變材料構(gòu)造設(shè)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(jié)構(gòu)需要有較好的保溫隔熱性能和熱濕調(diào)

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

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

3.2墻體節(jié)點：雙向調(diào)溫構(gòu)造

墻體節(jié)點采用雙向調(diào)溫構(gòu)造設(shè)計，如表1所示。設(shè)計要點分析如下：

（1）材料適配

夏熱冬冷地區(qū)冬夏溫差大且室內(nèi)外熱流方向交替，墻體外側(cè)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(fā)生固-液相變，靠液化過程吸收并儲存太陽輻射和環(huán)境傳遞的熱量，以減少高溫往室內(nèi)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(nèi)側(cè)采用相變溫度在 22^°C-24^°C 的中相變溫度PCM砂漿，冬季室內(nèi)溫度低于 22% 時，材料從液態(tài)變成固態(tài)，通過固化過程釋放儲存的室內(nèi)余熱，從而減緩熱量往室外流失的速度。

（2）節(jié)點強化

在建筑結(jié)構(gòu)里，墻體熱橋現(xiàn)象常在墻角和門窗洞口周邊區(qū)域高發(fā)。這些部位多是直角結(jié)構(gòu)，易讓熱量集中在直角區(qū)域，對建筑物整體節(jié)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(shù)，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(jié)構(gòu)支撐又能顯著提升熱阻性能。沿墻角和門窗洞口邊緣設(shè)置這種護角，可有效覆蓋直角過渡區(qū)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(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)：夏季午后室內(nèi)側(cè)墻體表面峰值溫度由 32% 降到 28.8°C ，降低幅度約 3.2% 室內(nèi)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(nèi)側(cè)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(nèi)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(shù)，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(cè)PCM板 + 內(nèi)側(cè)PCM砂漿 + 預制護角\"的組合構(gòu)造對墻體保溫隔熱性能起到相應(yīng)作用。

3.3樓板節(jié)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(jié)合 120mm 的現(xiàn)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(wěn)定復合體，避免傳統(tǒng)外掛式儲能層的粘結(jié)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(xiàn)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(yīng)排出，冬季首層室內(nèi)熱量通過樓板向地下的散失得以減少。熱環(huán)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(jié)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(yōu)化，先以鋼筋混凝土屋面板作為基礎(chǔ)承重結(jié)構(gòu)；往上依次設(shè)置 20mm 相變溫度 25°C 的相變?yōu)r青隔氣層，靠瀝青基材致密性阻止室內(nèi)水蒸氣滲向屋面保溫層。到夏季，室內(nèi)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(xù)覆蓋 50mm 相變EPS保溫板，經(jīng)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(wǎng)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(jīng)物理混合均勻分布于土壤，種植土表層鋪耐候植被層，構(gòu)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(shè)計主要是為了讓它吸收熱量以延緩向室內(nèi)傳熱的速率，讓屋面?zhèn)鳠岱逯笛舆t3小時至4小時，從而使空調(diào)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(nèi)，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(jié)交替時溫度變化更平緩。還有，相變?yōu)r青隔氣層與相變EPS保溫板設(shè)計溫度梯度為25^°C23^°C ，形成外冷內(nèi)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(tǒng)屋面保溫層易受潮失效、隔熱性能隨季節(jié)衰減的問題就被有效解決。

3.5門窗與熱橋節(jié)點：細節(jié)處的熱阻強化設(shè)計

3.5.1外窗節(jié)點

工程中的外窗節(jié)點設(shè)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(jié)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(shù) 0.3W/（m?K） 的復合相變隔熱條內(nèi)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(jié)構(gòu)，在內(nèi)側(cè)玻璃邊緣粘貼相變溫度 22% 的 5mm 厚PCM薄片，以抑制結(jié)露。后續(xù)實際測算發(fā)現(xiàn)，門窗整體傳熱系數(shù)從 2.8W/（m²?K） 降到 1.8W/（m²?K） ，冬季窗邊結(jié)露現(xiàn)象消失且冷風滲透量減少 18% 。

建筑內(nèi)外部的陽臺連接處得特別留意，因為此處熱橋效應(yīng)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(tǒng)混凝土墊塊來解決這一問題，墊塊上下表面設(shè)計成凸凹不平紋理，使其和主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆連接更牢固。建筑里的變形縫問題工程人員也有應(yīng)對舉措，在 50mm 寬的變形縫內(nèi)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(shè)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(jīng)驗總結(jié)

本次工程中，墻體設(shè)計采用“夾心層 + 預制護角\"這一創(chuàng)新思路，把外側(cè)PCM板、內(nèi)側(cè)PCM砂漿與中間加氣混凝土砌塊相結(jié)合，有效解決了傳統(tǒng)建筑材料粘結(jié)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(chǎn)生熱橋效應(yīng)的區(qū)域，提升了界面可靠性，通過榫卯連接增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而在門窗節(jié)點方面，應(yīng)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(nèi)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(jié)點應(yīng)用要遵循“小節(jié)點、大效應(yīng)\"原則，將不同形態(tài)材料如板材、砂槳、膠條等與建筑節(jié)點幾何特征和功能需求精準匹配，通過“微構(gòu)造\"優(yōu)化手段，顯著提升整體性能。實際測量發(fā)現(xiàn)，與基準建筑相比，該案例建筑節(jié)能提升了約27% 。

4結(jié)論

通過分析具體案例發(fā)現(xiàn)，將相變材料用于建筑節(jié)點優(yōu)化設(shè)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(jié)點等，均已證明可有效降低室內(nèi)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(qū)綠色建筑設(shè)計提供參考技術(shù)路徑，對其他氣候區(qū)域建筑設(shè)計也有借鑒意義。然而，相變材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用方面，面臨著標準規(guī)范不完善、部分技術(shù)細節(jié)需深化等挑戰(zhàn)。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(yīng)用中發(fā)揮作用，助力建筑行業(yè)達成節(jié)能減排自標。

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