相變材料在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用

馬超 萬(wàn)保清 吳渝 王永超 解帥 王靜 冀志江

（1中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；2綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3空軍第五工兵技術(shù)勤務(wù)大隊(duì)，北京 071051）

0 引言

能源危機(jī)伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，如何提高傳統(tǒng)能源的有效利用率以及開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能等新能源已成為一個(gè)重要問(wèn)題。相變儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效回收利用多余熱能，解決太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源和可再生能源受時(shí)間和空間等客觀條件影響的問(wèn)題，為熱能的再利用以及新能源的發(fā)展提供有效手段。相變材料作為潛熱儲(chǔ)能的介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)近似恒溫條件下能量的吸收、儲(chǔ)存與釋放，解決能量供需不匹配的問(wèn)題，提高能源利用率，被廣泛應(yīng)用于新型節(jié)能建材、工業(yè)余廢熱回收、供暖與空調(diào)節(jié)能以及電力的“移峰填谷”等領(lǐng)域。研究表明，建筑能耗在社會(huì)總能耗中占30%-40%[1]，且絕大部分是采暖和空調(diào)的能耗，將相變材料與建筑材料相結(jié)合，可以調(diào)控溫度變化，提高熱舒適度，使建筑能耗控制在合理的范圍內(nèi)[2]。目前，應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的相變材料主要有有機(jī)類、無(wú)機(jī)類及復(fù)合類。本文綜述了相變材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，總結(jié)了主動(dòng)式及被動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

1 相變儲(chǔ)能材料的分類

相變儲(chǔ)能是利用相變材料的物態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，相變材料通過(guò)介質(zhì)物相的轉(zhuǎn)換從而吸收或釋放大量的熱量調(diào)控環(huán)境溫度，使其維持在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)，能量密度較高、體積小、使用方便。將相變材料引入建筑構(gòu)成元素中，利用相變材料的蓄放熱功能可以起到建筑調(diào)溫、余熱回收、輔助蓄熱和太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存等作用，蓄熱被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的一種有效方式，能夠緩解建筑物中能量波動(dòng)較大的問(wèn)題，是目前國(guó)內(nèi)外建筑節(jié)能研究的熱點(diǎn)。

無(wú)機(jī)相變材料主要包括水合鹽類、熔融鹽類和合金等，目前建筑中應(yīng)用較廣泛的是結(jié)晶水合鹽類，相變溫度在0℃-80℃之間，其潛熱較高、成本低廉、導(dǎo)熱系數(shù)較大，但過(guò)冷嚴(yán)重，循環(huán)時(shí)極易發(fā)生相分離，造成儲(chǔ)熱性能較差，且無(wú)機(jī)水合鹽一般對(duì)金屬材料有較強(qiáng)的腐蝕性。有機(jī)相變材料主要包括石蠟類、脂肪酸類、糖醇及高分子類，大多數(shù)相變溫度在0℃-200℃之間，由于其含有碳、氫元素，所以在高于熔點(diǎn)某一溫度時(shí)熱穩(wěn)定性變差。相比于無(wú)機(jī)材料，有機(jī)相變材料一般不會(huì)發(fā)生相分離和過(guò)冷現(xiàn)象，材料腐蝕性較小，熱穩(wěn)定性高，但是導(dǎo)熱性能相對(duì)較差，密度較小，單位體積蓄熱能力不足。復(fù)合相變材料包括無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料、無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料和有機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料三大類，通過(guò)不同相變材料的復(fù)合，可以有效克服單一相變材料存在的缺點(diǎn)，得到具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的蓄熱材料。

2 相變材料在建筑中的應(yīng)用

建筑節(jié)能降耗措施主要體現(xiàn)在以下方面：1）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能，2）暖通空調(diào)節(jié)能，3）建筑新能源節(jié)能。通過(guò)采用新型建筑材料和先進(jìn)建筑技術(shù)，合理設(shè)計(jì)主動(dòng)式或被動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，減少外界環(huán)境對(duì)居住舒適度和健康的不利影響，使室內(nèi)溫度維持在舒適范圍內(nèi)，最大限度地降低建筑物的運(yùn)行能源消耗，從而達(dá)到建筑節(jié)能降耗的作用。以下主要介紹相變材料在建筑中的應(yīng)用。

2.1 被動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)

被動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)指有效利用自然熱量而不借助人工冷源或熱源來(lái)進(jìn)行冷卻或加熱，通過(guò)相變維持建筑物的熱舒適度的系統(tǒng)。在被動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)中，相變材料多應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如墻體、天花板、窗等，使用時(shí)，需先摻入到石膏板、砂漿、混凝土、磚塊或涂料中[3]，可作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)結(jié)合在建筑材料中或集成到建筑材料里。

孫小琴等[4]對(duì)比研究不同相變材料應(yīng)用方法的節(jié)能效果，用高密度聚乙烯球封裝，并嵌入XPS保溫板中，研究表明，對(duì)于熔點(diǎn)為25℃的相變材料，相變材料集中布置于西向外墻時(shí)建筑能耗最低，且將相變材料安裝于外墻內(nèi)表面時(shí)的建筑性能優(yōu)于將相變材料安裝于外墻外表面。鄧燕等[5]將石蠟/膨脹石墨復(fù)合材料與水泥混合制備了應(yīng)用于建筑外墻的復(fù)合相變貼片材料，相變溫度41.1℃，相變潛熱224.7J/g，能夠?qū)?nèi)表面最高溫度降低2.4℃，有效阻隔進(jìn)入室內(nèi)的熱量，改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，具有有效降低建筑空調(diào)能耗應(yīng)用潛力。于楠等[6]以石家莊地區(qū)為例，采用GH-37復(fù)合相變材料制備了新型預(yù)制混凝土升溫養(yǎng)護(hù)建筑，將其應(yīng)用于主朝陽(yáng)墻體內(nèi)表面，內(nèi)表面夜間溫度平均提高3.4℃，且蓄放熱速率較GH-33相變材料平均提高62%。趙金平等[7]以多元共混無(wú)機(jī)鹽為相變材料，以鋁蜂窩板為封裝和結(jié)構(gòu)材料，冷壓復(fù)合制成相變裝飾板材，其節(jié)能效果可在傳統(tǒng)外保溫體系節(jié)能效果的基礎(chǔ)上提高20%以上。

李帆等[8]將相變石膏板與輕鋼龍骨裝配式建筑結(jié)合，開(kāi)展能耗分析，研究發(fā)現(xiàn)，相變建筑冬季供暖能耗較低，平均日節(jié)電量0.59(kW·h)，節(jié)能率約5.2%，特定空調(diào)間歇運(yùn)行工況下節(jié)能率高達(dá)11.0%。Sayyar等[9]利用脂肪酸和膨脹石墨制備定型相變材料，采用夾芯結(jié)構(gòu)制備相變石膏板，此時(shí)溫度波動(dòng)小，峰值溫度到達(dá)時(shí)間延遲，模擬發(fā)現(xiàn)，相變石膏板可以降低79%的建筑能耗。趙亮等[10]制備有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合壁材微膠囊復(fù)合相變材料，并與石膏摻混制備相變石膏板，當(dāng)微膠囊摻量達(dá)到10%時(shí)，相變石膏板的相變潛熱達(dá)到16.1J/g，相變溫度在20℃左右，具備一定蓄熱調(diào)溫能力。

將相變材料按一定比例摻入水泥砂漿中不僅可以提高墻體熱工性能，還可以改善砂漿抗凍性等性能。王甲春等[11]利用不燃的酚醛樹(shù)脂包裹石蠟制備了石蠟-酚醛-水泥相變砂漿，相變砂漿的相變熱為9.0J/g，相變溫度范圍20℃-29℃，工程應(yīng)用表明，制備的相變砂漿在一定范圍內(nèi)能夠較好調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)溫度，具有易存放、易施工、安全性高的特點(diǎn)。楊籍等[12]采用共混攪拌法將癸酸-月桂酸二元低共熔物/改性硅藻土定形相變材料摻入水泥砂漿中，制成相變控溫砂漿，相變溫度18.9℃，相變潛熱1.13J/g，導(dǎo)熱系數(shù)降低了近43%，熱阻增大，降低了室內(nèi)溫度波動(dòng)，舒適性大大提高。

羅慶等[13]在中空玻璃中封裝六水氯化鈣制備的相變窗，調(diào)溫能力比普通玻璃高出3℃-4℃。王青青[14]將相變窗等價(jià)為一維三層半透明介質(zhì)，通過(guò)模擬得到相變窗的保溫性能優(yōu)于普通窗。張愛(ài)軍等[15]以脂肪酸和脂肪醇為原料制備復(fù)合相變材料，用于相變窗的注入，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到相變窗的溫度調(diào)節(jié)和節(jié)能效果，這種復(fù)合相變材料過(guò)冷度小、無(wú)相分離，在應(yīng)用中更加可靠。

將相變材料和天花板結(jié)合可以制成相變材料天花板控溫系統(tǒng)，李建立等[16]以24℃-32℃的調(diào)溫板作天花板，以16℃-24℃的調(diào)溫板作地板，模擬發(fā)現(xiàn)，這種組合形式在各個(gè)季節(jié)均能減小室內(nèi)環(huán)境溫度的波幅，提高熱舒適度，但當(dāng)主動(dòng)換氣時(shí)，難以取得節(jié)能的效果。

2.2 主動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)

主動(dòng)式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)指依靠人工冷源或熱源進(jìn)行制冷或加熱，使相變材料發(fā)生相變進(jìn)行調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)中，相變材料多與空調(diào)系統(tǒng)、地板輻射系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等結(jié)合，通過(guò)減少能源需求和峰值負(fù)荷，從而減少建筑能耗，實(shí)現(xiàn)最低電力需求。

Zhu等[17]將制備的雙層板型穩(wěn)定相變材料墻板安裝在辦公樓中，對(duì)比分析空調(diào)房間的節(jié)能效果，結(jié)果表明，能耗在夏季和冬季分別降低了6.4%和17.8%。馮國(guó)軍等[18]采用自制的六水氯化鈣復(fù)合相變材料與地源熱泵結(jié)合，以水為傳輸介質(zhì)，能夠滿足日常小區(qū)熱水與供暖需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水，夜間使用可利用低谷電進(jìn)行儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)“移峰填谷”、降低電費(fèi)的目的。劉曉燕等[19]采用CFD計(jì)算了大慶農(nóng)村單體建筑中太陽(yáng)能-相變墻系統(tǒng)的運(yùn)行能力，研究發(fā)現(xiàn)，25℃的相變墻熱穩(wěn)定性良好，節(jié)能率高達(dá)31.8%，可以減少農(nóng)村冬季采暖煤炭用量。

圖1為相變材料地板控溫系統(tǒng)概念圖，相變材料與地板材料的結(jié)合做成相變地板，相變材料的熱惰性得到提升，減弱室內(nèi)外的熱流波動(dòng)，延遲作用的時(shí)間，可有效控制室內(nèi)溫度，使建筑物具有一定的調(diào)溫能力。在相變地板中，相變材料需要滿足其溫度變化范圍，提高相變潛熱。K. Nagano等[20]用泡沫玻璃珠和石蠟制成相變溫度大約為20℃的相變顆粒材料，裝入地板的填充床中，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，系統(tǒng)潛熱儲(chǔ)存在相變材料中，通過(guò)白天夜間的物相變化來(lái)維持室內(nèi)溫度。

利用相變儲(chǔ)能材料在相變過(guò)程中的蓄放熱來(lái)維持溫度恒定的原理，把相變材料制備成空調(diào)系統(tǒng)，安裝在室內(nèi)，通過(guò)材料在白天吸熱、夜間放熱來(lái)保持室內(nèi)溫度不變，符合建筑節(jié)能的目標(biāo)。G. Hed等[21]通過(guò)將相變材料融入建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，類似于傳統(tǒng)空調(diào)，如圖2所示，對(duì)建筑物的熱慣性進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，這個(gè)過(guò)程分兩步完成，環(huán)境溫度低于圖2（a）所示室溫時(shí)，夜間進(jìn)行充電過(guò)程，液態(tài)的相變材料從周圍空氣中吸收冷量，在一定的恒溫下開(kāi)始凝固，充電過(guò)程持續(xù)到環(huán)境溫度低于相變材料的熔化/固化溫度。環(huán)境溫度高時(shí)，見(jiàn)圖2（b），白天進(jìn)行放電過(guò)程，相變材料將夜間吸收的冷量釋放出來(lái)，從而維持室內(nèi)溫度在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到降溫的效果。

圖2 相變控溫系統(tǒng)（左-夜間；右-白天）

空調(diào)系統(tǒng)在滿足舒適度的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的冷凝熱，造成環(huán)境溫度升高，如果可以將這部分熱量加以利用，供給給需要的地方，將大大提高能源的利用率。王越[22]研究了石蠟基蓄熱材料及其改性材料，從而回收空調(diào)系統(tǒng)排放的熱量，用于生產(chǎn)溫?zé)嵘钣盟?。王智超等[23]將相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于民用建筑的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，研發(fā)了一種相變熱回收式通風(fēng)裝置，利用相變材料的蓄放熱特性及通風(fēng)裝置的不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)能裝置的能量回收利用。

將定形相變材料填充于集熱器中，可以達(dá)到蓄熱的效果，減少熱損失。彭東華等[24]提出了一種高效儲(chǔ)能太陽(yáng)平板集熱器模型，采用高空隙率泡沫金屬做骨架，當(dāng)中填充石蠟作為儲(chǔ)能材料，在密度和單位體積的相變潛熱都變化很小的情況下，使復(fù)合材料的等效熱導(dǎo)率顯著提高。劉馨等[25]將相變儲(chǔ)能模塊與太陽(yáng)能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，改善太陽(yáng)能熱風(fēng)采暖系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提高太陽(yáng)能的利用率，相變儲(chǔ)能材料選用癸酸與月桂酸的混合物，將其封裝后形成相變儲(chǔ)能墻，與太陽(yáng)能空氣集熱器共同組成采暖系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想。Koschenz等[26]提出了一種應(yīng)用于輕質(zhì)建筑中的主動(dòng)式相變蓄能石膏吊頂空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)冷水毛細(xì)管在夜間將冷量蓄存入相變石膏板中，白天時(shí)再釋放出冷量，可以將白天的空調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到夜間處理，該系統(tǒng)還可利用低品位能源進(jìn)行空調(diào)采暖，具有較好的應(yīng)用前景。晁岳鵬[27]設(shè)計(jì)了耦合相變材料-太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)，將包封癸酸/十六烷醇復(fù)合材料的雙管換熱器安裝在地板中，利用太陽(yáng)能集熱器吸收的熱量，可長(zhǎng)時(shí)間向?qū)嶒?yàn)房提供40W/(m2·h)的熱輸入，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境舒適。

光伏建筑一體化是光伏系統(tǒng)依賴或依附于建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來(lái)提供電力，但在實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率不足20%，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池升溫光電轉(zhuǎn)換效率下降。所以有效利用這部分熱能，控制光伏電池的工作溫度是光伏建筑一體化的關(guān)鍵，而相變材料具有很好的蓄放熱能力，對(duì)于解決這一問(wèn)題有很好的發(fā)展前景。劉凌焜[28]設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能光伏光熱蓄能器與微膠囊相變流體的復(fù)合蓄能電池板，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微膠囊相變流體的存在可以有效防止溫度升高過(guò)快，從而提高太陽(yáng)能光伏電池的工作效率，降低建筑內(nèi)的熱擾動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

相變材料的優(yōu)勢(shì)使其在建筑節(jié)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其主要利用了相變材料的物相變化來(lái)儲(chǔ)存能量，而建筑材料的熱容也可以儲(chǔ)存部分能量，且不會(huì)帶來(lái)建筑結(jié)構(gòu)溫度的很大變化。白天建筑結(jié)構(gòu)獲得熱量并將熱量?jī)?chǔ)存，在夜間被冷卻。目前大多數(shù)相變儲(chǔ)能材料被應(yīng)用在地板和天花板等墻體結(jié)構(gòu)中，但缺點(diǎn)也很明顯，對(duì)夜間周圍環(huán)境的溫度依賴性很大，且只能提供顯熱冷量，所以還有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。隨著我國(guó)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，建筑相變節(jié)能技術(shù)需要更深一步的研究，以便研究出更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高效實(shí)用的相變建筑材料，更好地調(diào)節(jié)溫度，真正做到建筑節(jié)能。