淺談相變材料在建筑中的應(yīng)用

陳　璨

[摘要]相變材料的應(yīng)用是實現(xiàn)建筑節(jié)能的有效措施。闡述相變材料應(yīng)用于建筑中的條件，介紹相變材料與普通建材結(jié)合的方法，剖析相變建材的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并對相變材料在建筑中應(yīng)用的前景進(jìn)行分析。

[關(guān)鍵詞]相變材料 節(jié)能

中圖分類號：TU5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420084－01

一、引言

目前，能源問題已經(jīng)成為世界性的問題。建筑耗能是能源浪費的一個重要方面，全世界有30％的能源消耗在建筑物上。研究一種節(jié)能建筑材料成為必然。相變材料（Phase Change Materials，簡稱PCM）是近年來材料科學(xué)和節(jié)能技術(shù)中一個研究方向．在材料的相變期間，吸收環(huán)境的熱（冷）量，并在需要時向環(huán)境釋放出熱（冷）量，從

而可以控制材料周圍環(huán)境的溫度。[1]因此，將相變材料合理地應(yīng)用與建筑領(lǐng)域，必將大大減少能源消耗。

二、相變材料應(yīng)用于建筑的條件

目前，已發(fā)現(xiàn)的相變材料已有幾萬種，但并不是每一種PCM都可以應(yīng)用在建筑中。PCM在建筑中的應(yīng)用需要具有以下條件[2]：（1）具有良好的熱傳導(dǎo)系數(shù)；（2）相變過程可逆性好；（3）無毒、無腐蝕、無泄漏、防火、不污染環(huán)境；（4）相變過程可靠性好，使用壽命長，一般要求達(dá)到50年以上；（5）相變溫度合適，適合于該地域的氣候特征和接近人體的舒適溫度；（6）與建筑材料相容，不影響建筑材料的機(jī)械性能和強度。在實際應(yīng)用中采取適當(dāng)?shù)拇胧┛朔鞣N相變材料的缺點，使之適合人類生活環(huán)境。

三、相變建筑材料的生成方法

相變材料與普通建材以一定的方式結(jié)合即可生成相變建筑材料。通常有一下幾種結(jié)合方式。

（一）直接混合法

將相變材料直接與建材基體混合。直接加入法便于控制PCM的加入量，用于固一固相變材料，工藝簡單，性質(zhì)更均勻，更易于做成各種形狀建筑構(gòu)件。FeldmanI把21％～22％的工業(yè)級硬脂酸丁酯直接加入到傳統(tǒng)的石膏板中制成了儲能石膏板。

（二）浸泡法

通過浸泡將相變材料滲入多孔的建材基體中。浸泡法工藝簡單，易于使傳統(tǒng)的建筑材料要求變成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，可對成品建筑材料進(jìn)行處理。據(jù)Athienitis A．K[3]等報道，利用浸入了硬脂酸丁酯的相變墻板，可使房間的最高溫度下降4℃。

（三）封裝法

在直接加入前用不同材料、形狀和大小的膠囊封裝PCM。封裝包括大體積封裝和微體積封裝。大體積封裝是將相變材料裝入管件、球體、板狀容器或其他容器中；微觀封裝就是將小的球形或桿形的PCM顆粒封裝在薄的高分子聚乙烯膜中，然后再加入基材。目前，相變材料與建筑材料復(fù)合工藝中較為經(jīng)濟(jì)可行的方法是采用多孔顆粒材料作相變材料載體制備“能量微球”，可以利用的多孔顆粒材料如膨脹珍珠巖、膨脹黏土材料和粉煤灰膨脹材料等。多孔顆粒將相變材料分隔開來，能夠較好地封裝儲存，且多孔顆粒的價格較低，可以降低整個“能量微球”的價格，從而降低單位熱能儲存費用。

四、相變建筑材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)

把相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合，即制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)（Phase Change Energy StorageBuilding Envelope，縮寫為PCESBE），用于建筑物室內(nèi)溫度的調(diào)控。相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)可蓄熱能力強，在夏季可衰減建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流強度波動幅度，延遲室內(nèi)氣溫峰值出現(xiàn)的時間，從而提高建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力和改善室內(nèi)熱環(huán)境，達(dá)到降低空調(diào)耗電量和提高室內(nèi)熱舒適的雙重目的。

Neeper[4]對含有脂肪酸和相變石蠟的石膏板的熱動力特點進(jìn)行了研究，分別分析了儲能材料的相變溫度、相變溫度的變化范圍和相變潛熱大小對石膏板儲能量的影響，認(rèn)為當(dāng)相變材料的相變溫度接近于室內(nèi)平均溫度時，儲能量有最大值，材料相變時的溫度變化范圍越大，則儲能量越?。粚τ趯嶋H的儲能墻體材料，其日最大儲能量為400k／m。[5]

（二）相變溫控混凝土

把相變材料與大體積混凝土結(jié)合，制成相變溫控混凝土（Phase Change andTemperature Selfcontrol Concrete，縮寫為PCTSC），用于調(diào)整反應(yīng)過程的溫度。[6]相變溫控混凝土能有效降低混凝土內(nèi)部溫升速率、延緩溫度峰值出現(xiàn)時間。目前，相變材料用于大體積混凝土僅僅是具有技術(shù)可行性。相變溫控混凝土尚處于理論研究階段。[7]

Hawes等人、Hawes和Feldman。[8]綜述了有機(jī)PCM（硬脂酸丁酯、十二醇、石蠟）在各種建筑水泥中的熱性能和吸收特性，分析了水泥的堿度、溫度、濕度、粘性、吸收面積和壓力等因素對相變材料吸收過程的影響，同時研究了吸收機(jī)理；得出了PCM在水泥中的吸收常數(shù)，從而可以通過改變PCM 的量制成所需的相變儲能混凝土。

五、應(yīng)用前景

相變儲能建筑材料作為一種新型建筑功能材料，其應(yīng)用，不但可以有效降低建筑能耗，同時也為太陽能等低成本清潔能源在供暖、空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，在節(jié)能、儲能方面都有著良好的應(yīng)用前景。隨著人們對建筑節(jié)能問題的日益重視，相變儲能建筑材料的應(yīng)用前景必將越來越廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]張東、周劍敏、吳科如等，顆粒型相變儲能復(fù)合材料[J]．復(fù)合材料學(xué)報，2004,215:101-109.

[2]黃險峰，相變材料在建筑節(jié)能中應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報，2008,33:1-3.

[3]Athienitis A.K,Liu C,Banu D,et a1.Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room withwall latent heat storage[J].Building and Environment,1997,32(5):405-410.

[4]Neeper D A.Thermal dynamics of wallboard with latent heat

storage[J].Solar Energy,2000,68:393-403．

[5]周恩澤、董華，相變儲熱在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2003(2):1O0-103．

[6]宋德清、方利國、王聃，相變儲能材料的研究進(jìn)展及在建筑中的應(yīng)用[J].

節(jié)能，2008,331:4-7.

[7]王信剛、馬保國、王凱等，相變儲能建筑材料的研究進(jìn)展[J]．節(jié)能，2005(12):11-14。

[8]Hawes D W.Feldman D.Absorption of phase change materials in concrete[J].Solar Energy Mater Solar Cells,1992,27:91-101.

作者簡介：

陳璨，女，漢族，河北省保定市淶水縣人，本科，中南大學(xué)土木建筑學(xué)院土木0604班。