相變材料的熱性能測試方法及在建筑中的應用評價綜述

曾博倫，柳 斌

（1 伊利諾伊大學芝加哥分校，利諾伊芝加哥美國60607；2 西藏農(nóng)牧學院水利土木工程學院，中國西藏林芝860000）

在全球范圍內(nèi)，如美國等發(fā)達國家，建筑能耗占總能耗的39%，建筑物預防占40%～48%［1-2］。像中國這樣的發(fā)展中國家也消耗了21% 的建筑能源［3］。采暖和空調(diào)是建筑能耗的主要組成部分［4］。建筑圍護結構的換熱是建筑負荷的重要來源。傳統(tǒng)的建筑節(jié)能包括墻體節(jié)能、門窗節(jié)能和屋頂節(jié)能。建筑能耗的不斷增加推動了節(jié)能技術的發(fā)展。隨著溫度的升高或降低，相變材料會改變狀態(tài)，釋放出大量的潛熱。相變材料的相變溫度范圍較小，會吸收或釋放大量的潛熱。相變圍護結構可以通過在建筑圍護結構中添加相變材料來獲得，具有以下優(yōu)點：一方面可以增加圍護結構的熱容量，減弱室內(nèi)空氣溫度波動，改善室內(nèi)熱環(huán)境；另一方面，與建筑供暖空調(diào)（A/C）系統(tǒng)相結合，可以在夜間利用廉價電力提供白天所需的全部或部分供熱或供冷，緩解建筑供能時間與強度之間的矛盾，起到“移峰填谷”的作用，達到節(jié)能降耗的目的［5-6］。因此，相變圍護結構在建筑節(jié)能領域的應用和改善室內(nèi)熱環(huán)境的研究受到越來越多的關注。同時關于相變材料的熱性能測試技術手段也應運而生，并成為測試相變材料在建筑中熱性能的主要方法［7］。相變材料在建筑中的應用將面臨許多挑戰(zhàn)，如相變材料的選擇、包裝技術、經(jīng)濟性、安全性，相變材料與建筑的兼容性、穩(wěn)定性、耐久性，這些性能與相變材料熱性能測試方法息息相關［4-9］。近年來，關于建筑用相變材料的種類、相變材料與建材的結合、相變材料在建筑圍護結構和建筑設備中的應用形式，有大量的研究。本文對前人的相變材料熱性能測試方法進行簡單的綜述，為相變圍護結構實際應用的熱評估方法提供參考。

1 PCM 熱分析方法

熱分析是利用熱物性參數(shù)隨溫度變化而進行材料熱性能分析的方法［10］。PCM 的熱性能可以通過不同使用標準實現(xiàn)設計和優(yōu)化，常常需要利用多種熱分析方法對PCM 進行熱物性分析。對于PCM 來說，其熱物性參數(shù)有以下幾種：當量比熱容、有效導熱系數(shù)、相變溫度、相變潛熱和焓溫曲線等，通過適當?shù)姆治龇椒ㄟM行熱物性參數(shù)的測定既有利于正確分析PCM 的蓄熱能力，又可以為相變數(shù)值模擬提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。PCM 的相變溫度并不是一個確定的溫度，而是一個溫度范圍，通常用焓溫曲線更準確地描述PCM 的熱性能。因此，建筑用PCM 熱性能測試的關鍵是準確測定PCM 的焓溫曲線。

1.1 差示掃描量熱法

差示掃描量熱法（DSC）由于其技術比較成熟，成為最常使用的最為典型的熱分析方法，也常常用于PCM的熱分析，可分熱通量式和功率補償式兩種原理［11-12］。

早在20 世紀60 年代，DSC 就開始應用，通過程序控溫的方式衡量試樣和參比物的功率差與溫度的關系，用來體現(xiàn)樣品的吸放熱特性［13］。在對PCM 的比熱容進行測定時，常常使用動態(tài)線性模式和階躍步進模式兩種程序控溫模式。DSC 僅適用于少量的均質(zhì)PCM（15 mg以內(nèi)），并且采用DSC 方法研究PCM 與建筑材料混合后的相變行為存在不可忽視的誤差。該方法的誤差還受到PCM 與建筑材料混合后取樣均勻性的影響。但是DSC 依舊是研究PCM 的熱性能的常用方法之一［14］。

1.2 T-history 法

由于DSC 測試結果受樣品質(zhì)量、幾何形狀和升降溫速率的影響，研究人員開發(fā)了T-history 法來測量少量PCM（樣品體積小于1 L）的熱物性［15-16］。T-history 法的基本原理源于集總參數(shù)法，假設樣品中的溫度分布均勻，即畢渥數(shù)保持低于0.1［17］。在相同環(huán)境變化性參比物的變化可以用來研究PCM 的比熱容、導熱系數(shù)、相變溫度和相變潛熱等熱物性參數(shù)。許多研究人員對T-history法進行了改進、優(yōu)化，包括實驗裝置布置、數(shù)學評估的方法以及數(shù)據(jù)結果表達的形式等等［16］。從一定程度上來說，T-history 法與DSC 相比有很多可取之處，例如實驗裝置簡單、相變過程可見、對非均勻PCM 同樣適用等，但是該方法對樣品量仍有較大限制，因此并不適用于相變建筑構件焓溫曲線的測定［18-20］。

2 相變建筑構件熱性能測試方法

傳統(tǒng)的熱分析方法對PCM 樣品量有較大的限制，為了進一步研究相變儲能型建筑構件的熱性能，需要結合不同建筑構件的特點采用新型的熱性能測試方法。

2.1 相變建筑構件

相變建筑構件是指將PCM 與建筑構件相結合所構成的建筑要素，非透明相變圍護結構主要有相變墻體和相變墻板兩種形式［21-22］。相變墻體是用添加PCM 的砌體（如磚塊、混凝土砌體等）砌筑的墻體，其厚度大于相變墻板；在水泥砂漿或石膏中添加PCM 并做成板狀的形式即為相變墻板。對于相變墻體而言，由于尺寸規(guī)模較大，一般采用熱箱裝置進行熱物性測試；相變墻板相對而言體積較小，應用形式更靈活，可以采用防護熱板裝置進行熱性能測試。

2.2 相變建筑構件測試裝置

目前，相變建筑構件的熱性能測試裝置以非標實驗裝置為主，其中以熱箱裝置和防護熱板裝置最為典型［23］。首先是熱箱裝置，在GB/T 13475-2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標定和防護熱箱法》對熱箱法的測定進行了詳細說明，指出熱箱裝置對非均質(zhì)試件、組合試件同樣適用［24］。熱箱裝置中試件兩端為溫度可控的腔體，根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)（墻體溫度、腔體空氣溫度）可以計算出試件的傳熱性質(zhì)。熱箱測試系統(tǒng)具有較好的保溫性能，進行測試時可以認為兩艙體環(huán)境與受試墻體三者之間的傳熱是一維的，該實驗臺被驗證具有良好的可靠性［25-26］。

防護熱板裝置在我國頒布的GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定防護熱板法》和GB/T 10295-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定熱流計法》中提到，防護熱板裝置的基本原理是在均勻板狀試件間建立一維均勻熱流。美國測試和材料協(xié)會發(fā)布的標準ASTMC518-10 也提出可以采用穩(wěn)態(tài)法來測定墻板的熱物性參數(shù)［27］。

2.3 相變圍護結構的評價指標

對于系統(tǒng)級PCM 構件而言，除了可以在實驗室環(huán)境下進行實驗研究，還可以進行實測研究。通過實測，建立科學合理的評價指標體系，可以進一步評估PCM 與建筑材料結合后的蓄熱潛能，評價其對室內(nèi)熱舒適及節(jié)能效果的影響。

相變圍護結構的評價指標主要可以分為三類：節(jié)能指標、經(jīng)濟性指標和熱舒適指標。這三類指標分別從供應側和需求側反映了對相變構件性能的不同需求［28］。

節(jié)能指標主要受墻板位置和氣候條件影響，因此需要綜合考慮這兩個因素。經(jīng)濟性指標取決于應用場景與材料本身的屬性，如氣候區(qū)域、布置形式、PCM 循環(huán)次數(shù)［29］。PCM 應用在建筑中不僅具有削峰填谷、減少建筑能耗的節(jié)能潛力，還可以調(diào)節(jié)室溫、改善室內(nèi)舒適性（尤其是被動式建筑），因此選用合適的熱舒適指標來評估相變建筑的舒適性同樣具有重要意義。通過實驗實測考察了不同評價指標對建筑物的適用性，可以說明該方法適用于具有高熱增益和低熱慣性的建筑物，且熱不適強度指標在評估PCM 效益方面最準確。

3 結語

目前，國內(nèi)外已經(jīng)對PCM 熱物性測試進行了廣泛的研究，對于PCM，DSC 和T-history 法是常用的熱分析方法，發(fā)展較為成熟，但是由于對樣品量的限制，并不適用于相變建筑構件。對相變建筑構件進行熱性能測試，實驗裝置仍處于實驗室研發(fā)階段，測試方法較為單一，還缺乏統(tǒng)一的標準。動態(tài)線性模式需要標準規(guī)范進行統(tǒng)一，ASTM C1784-14 中提出的“Dynamical method”需要更多的實驗數(shù)據(jù)來支撐。

此外，建立相變圍護結構評價指標，對PCM 在建筑中的實際工程應用具有重要意義。綜合節(jié)能效果、經(jīng)濟性和熱舒適性，可以選用合適的指標評估PCM 的應用效果，其中PCM 在建筑物中的舒適性評價具有更大的研究潛力。

綜上所述，如何采用合理簡便的方法測定復合PCM的熱物性參數(shù)，尤其是PCM 與建筑材料混合后焓溫曲線的準確獲得是一項值得研究的內(nèi)容。