相變材料在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題分析

摘 要：相變材料作為一種提高建筑能效型節(jié)能材料已成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。本文旨在理清相變儲(chǔ)能材料在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析相變儲(chǔ)材料發(fā)展中存在的問題。并在此基礎(chǔ)上，給出了相變儲(chǔ)能建筑材料性能提高的決定因素。

關(guān)鍵詞：相變材料；建筑節(jié)能；應(yīng)用現(xiàn)狀

建筑行業(yè)是能源消耗大戶，建筑能耗約占社會(huì)總能耗的1/3，且總量逐年上升，龐大的耗能比重已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的軟肋。加大建筑節(jié)能領(lǐng)域的研發(fā)力度，全面推進(jìn)我國(guó)建筑節(jié)能的發(fā)展勢(shì)在必行。相變儲(chǔ)能材料（PCM）利用物質(zhì)相變過程進(jìn)行潛熱的吸收和釋放，以此來(lái)調(diào)節(jié)、控制周圍環(huán)境溫度。在建筑普通材料中摻入相變材料，可以制作出高熱容的建筑輕型材料。相變儲(chǔ)能建筑材料在建筑節(jié)能的發(fā)展中起重要作用。

1 相變材料在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)使用溫度范圍、相變形式、復(fù)合方式可將當(dāng)前相變材料的現(xiàn)狀整理如下圖所示：

1.1 以使用溫度分類的相變材料現(xiàn)狀

相變材料根據(jù)其相變溫度不同，在建筑領(lǐng)域主要有3個(gè)方面的用途：

（1）用于蓄冷的低溫相變材料。主要是指用于蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的相變材料。儲(chǔ)存冷量的方式分為顯然儲(chǔ)存和潛熱儲(chǔ)存兩種方式。相比顯熱儲(chǔ)存，潛熱儲(chǔ)存具有儲(chǔ)量大、溫度變化小等優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣泛的應(yīng)用前景，常用的介質(zhì)有冰、共晶鹽及水合物等相變材料。

（2）用于增強(qiáng)熱惰性的室溫材料。利用相變儲(chǔ)能建筑材料構(gòu)筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以降低建筑物室溫的溫度波動(dòng)、提高舒適度，并可以降低建筑物采暖和空調(diào)負(fù)荷，減少設(shè)備容量。目前已制備出相變墻、相變地板、相變吊頂和相變窗等一系列相變儲(chǔ)能建筑材料。

（3）用于太陽(yáng)能暖房的相變材料。相變溫度在50～60℃的相變材料可用于太陽(yáng)能領(lǐng)域，主要是用于被動(dòng)式太陽(yáng)能暖房的相變圍欄結(jié)構(gòu)和主動(dòng)式太陽(yáng)能暖房的蓄熱器。主動(dòng)式太陽(yáng)房多采用卵石或水的顯熱儲(chǔ)存熱量，熱容小且容積大，如果采用相變材料來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能可大大減少所需容積。

1.2 以相變形式分類的相變材料現(xiàn)狀

（1）固-液相變材料。目前研究和應(yīng)用最多的是固-液相變材料，國(guó)內(nèi)外研制的固一液相變材料主要有無(wú)機(jī)水合鹽和有機(jī)物。無(wú)機(jī)水合鹽相變材料主要有堿及堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽及醋酸鹽等，具有溶解熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、相變體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。有機(jī)相變儲(chǔ)能材料常用的有高級(jí)脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺類、氟利昂類和多羥基類等。

（2）固-固相變材料。固-固相變儲(chǔ)能材料是通過材料晶型的轉(zhuǎn)換來(lái)或者化學(xué)鍵的建立或斷裂來(lái)儲(chǔ)能與釋能，相變過程體積變化小、無(wú)泄漏、無(wú)腐蝕、使用壽命長(zhǎng)，目前具有經(jīng)濟(jì)潛力的固-固相變材料主要有：多元醇類、高分子類和層狀鈣鈦礦。

1.3 以復(fù)合方式分類的相變材料研究現(xiàn)狀

復(fù)合的方式可分為直接混合法、浸泡法和封裝法。前兩者工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，最大的缺點(diǎn)就是使用過程中發(fā)生滲漏。為了克服這一問題，需將相變材料先進(jìn)行封裝后，在與建筑材料復(fù)合。封裝的方式可分為宏觀封裝和微觀封裝：宏觀封裝指將利用管、袋等容器將相變材料封裝，與圍欄結(jié)構(gòu)復(fù)合工作量大；微觀封裝是指將微觀尺寸的相變材料進(jìn)行封裝，當(dāng)前研究的熱門為微膠囊和定形相變材料。

2 建筑用相變材料研究存在的問題分析

歸納建筑用相變材料發(fā)展應(yīng)用的主要問題為如下五個(gè)方面：（1）相變節(jié)能建筑材料的儲(chǔ)能可逆性和穩(wěn)定性問題，包括多次儲(chǔ)能釋能循環(huán)后儲(chǔ)能性能的劣化、熱物理性能的退化；（2）相變材料與建材基體之間的相容性問題，包括相變材料對(duì)基體材料的腐蝕作用和在相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致基體材料的破壞；（3）相變材料與封裝材料之間的相容性；（4）相變材料的儲(chǔ)放熱特性問題，主要表現(xiàn)復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)放熱滯后性和潛熱利用率低下。（5）相變儲(chǔ)能材料的經(jīng)濟(jì)性問題，相變材料及封裝技術(shù)成本過高，單位儲(chǔ)熱費(fèi)用上升，使相變儲(chǔ)能材料失去與其它儲(chǔ)熱方式相比較的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了充分發(fā)揮相變材料在建筑節(jié)能中的作用，長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)谔岣呦嘧儩摕?、改善相變可逆性和穩(wěn)定性、開發(fā)多種形式的材料封裝方式、降低建筑用相變材料制備成本等方面做了大量的工作，忽略了相變建筑材料整體儲(chǔ)放熱效率問題。

相變材料本身的儲(chǔ)熱和放熱過程需要較高的熱通量，而傳統(tǒng)建筑圍欄結(jié)構(gòu)則往往導(dǎo)熱系數(shù)越小越好，而兩者的復(fù)合導(dǎo)致了相變建筑材料在保溫絕熱和熱量?jī)?chǔ)存控制兩方面自相矛盾，加之建筑用相變材料往往采用有機(jī)物質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)更小，這就使得現(xiàn)有的建筑用相變材料的儲(chǔ)放熱性能不佳、效率低下，溫度控制滯后嚴(yán)重。雖然人們十分關(guān)注通過各種方式制備出的新型相變材料的儲(chǔ)放熱特性，仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，人們往往寄希望于通過相變材料本身來(lái)提高材料的儲(chǔ)放熱效率，但復(fù)合相變材料儲(chǔ)放熱特性卻是相變材料熱物理本性和相變材料熱物理結(jié)構(gòu)兩方面共同決定的。所謂相變材料熱物理結(jié)構(gòu)是指相變材料宏觀結(jié)構(gòu)（包括材料表面宏觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部宏觀機(jī)構(gòu)）和相變材料微觀結(jié)構(gòu)（包括微觀組織和復(fù)合方式），只有同時(shí)具備了較高的熱物理本性和適當(dāng)?shù)臒嵛锢斫Y(jié)構(gòu)，相變材料才能表現(xiàn)出高效的熱物理性能。

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作者簡(jiǎn)介：魏渭（1984.02- ），男，漢族，廣東移動(dòng)通信有限責(zé)任公司惠州分公司，研究方向：建筑材料。