近零能耗建筑中相變建筑材料的研究進(jìn)展

上海聯(lián)創(chuàng)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 賈敬芝

0 引言

隨著人們對(duì)工作和居住環(huán)境舒適性要求的不斷提高，建筑能耗已經(jīng)成為社會(huì)總能耗的主要構(gòu)成之一。根據(jù)歐盟的統(tǒng)計(jì)，建筑能耗已經(jīng)占到社會(huì)總能耗的40%，造成的CO2排放量占總排放量的40%以上[1-2]。與同等氣候條件的發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)住宅類建筑單位面積能耗要高出2～3倍[3]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)95%的建筑屬于高能耗建筑，節(jié)能潛力巨大[4]。因此，人們對(duì)建筑能耗越來(lái)越重視，各種建筑節(jié)能措施不斷地被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在此背景下，歐盟在其《建筑能效指令》(Energy performance of building directive，EPBD)中提出了近零能耗建筑(nearly zero energy building)的概念，并要求在2020年年底前所有歐盟的新建建筑達(dá)到近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部也在2019年1月頒布了GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，提出要通過(guò)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)最大幅度地降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過(guò)主動(dòng)技術(shù)措施最大幅度地提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境[5]。建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)是指采用合適朝向、蓄熱材料、遮陽(yáng)裝置、自然通風(fēng)等策略，盡可能利用可再生能源[6]。其中，相變材料(phase change material，PCM)是利用自然條件下的溫差作為相變過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的吸收和釋放，可以對(duì)太陽(yáng)能等可再生能源進(jìn)行調(diào)控、分配和高效利用，從而降低建筑能耗，是一種極具潛力的被動(dòng)式建筑節(jié)能材料[7]。

1 近零能耗建筑的熱力系統(tǒng)

每個(gè)建筑物都存在著能量的獲得、消耗與儲(chǔ)存，并通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外界進(jìn)行換熱[8]。圖1為近零能耗建筑的熱力系統(tǒng)原理圖，圖中顯示了相變材料技術(shù)與建筑能耗的關(guān)系。建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在熱阻與熱容，導(dǎo)致了室內(nèi)外熱量傳遞的延時(shí)。而相變建筑材料的使用，可以改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻與熱容，通過(guò)控制熱量傳遞的延時(shí)性，可以影響建筑內(nèi)部的能量平衡，降低供暖與空調(diào)系統(tǒng)的能耗。Feng等人實(shí)驗(yàn)研究了相變建筑材料對(duì)夏季建筑冷負(fù)荷的影響，結(jié)果如圖2所示[9]。保持室內(nèi)溫度不變，采用相變建筑材料房間的夏季空調(diào)供冷量要顯著低于普通房間?？梢?jiàn)，將相變材料技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能，是一種可持續(xù)的方式[10]，可以幫助建筑更容易地實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)。因此，在設(shè)計(jì)近零能耗建筑時(shí)應(yīng)盡可能地使用可再生能源和相變材料技術(shù)，而確定合適的相變材料類型和節(jié)能措施十分關(guān)鍵。

圖1 近零能耗建筑的熱力系統(tǒng)[8]

圖2 相變建筑材料房間與普通房間的空調(diào)供冷量對(duì)比[9]

相變建筑材料在近零能耗建筑中的應(yīng)用可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式2種。被動(dòng)式應(yīng)用是通過(guò)相變建筑材料去抵抗或者利用外界的干擾，從而降低室內(nèi)冷熱負(fù)荷或提高室內(nèi)舒適性，例如利用相變墻體延緩室內(nèi)外傳熱量峰值。而主動(dòng)式應(yīng)用是指在建筑環(huán)境設(shè)備中使用相變材料去降低設(shè)備能耗，比如相變通風(fēng)[11]、空調(diào)與熱泵[12-13]、太陽(yáng)能輻射供暖[14]、熱回收裝置[15-16]等。本文主要介紹相變建筑材料在近零能耗建筑中的被動(dòng)式應(yīng)用。

2 相變材料的分類

相變材料按照不同的物理性質(zhì)可以分為固-液、固-氣、液-氣、固-固材料，在近零能耗建筑領(lǐng)域主要使用固-液和固-固材料[17-21]，如圖3所示。相變材料按照化學(xué)性質(zhì)又可分為有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等。按照相變材料與建筑材料的結(jié)合方式不同可分為混合式、嵌入式等。雖然目前相變材料種類很多，但是常用的相變材料存在許多問(wèn)題[8]，比如：

圖3 近零能耗建筑中的相變材料

1) 有機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，單位體積的相變潛熱也比較低，相變前后的體積變化大。

2) 水合無(wú)機(jī)鹽成核性比較差，需要的過(guò)冷度較大，并且容易發(fā)生相分離現(xiàn)象，腐蝕性強(qiáng)。

3) 共晶混合物的熱物性不明確，缺少必要的數(shù)據(jù)，一些脂類共晶混合物具有強(qiáng)烈的氣味。

不同類型的相變材料具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此研究人員取長(zhǎng)補(bǔ)短將有機(jī)和無(wú)機(jī)材料結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)添加納米無(wú)機(jī)添加劑改善相變材料的熱物性，這是開(kāi)發(fā)新型相變材料的熱點(diǎn)方向[22-23]。

將相變材料用于近零能耗建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是一種被動(dòng)式的建筑節(jié)能技術(shù)，可以提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，減小室內(nèi)溫度波動(dòng)，從而改善居住的舒適性[24]。相變材料可使用在墻體、窗戶、屋頂、地板上[25]。表1給出了目前一些建材制造商推出的相變建筑材料。通過(guò)調(diào)整相變材料與普通建材的不同配比，獲得適用于不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)和氣候環(huán)境的建筑材料。從表1可以看出，丙烯酸和石蠟是2種最常用的相變材料，相變石膏板是最常見(jiàn)的建材類型。

表1 國(guó)內(nèi)外不同制造商推出的相變建筑材料[26]

3 近零能耗建筑中的相變建筑材料

相變建筑材料使用在近零能耗建筑中，不僅能夠有效降低建筑能耗，而且還能提高建筑的熱舒適性。Ahangari等人將相變材料用于實(shí)驗(yàn)房的墻體、地板、天花板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在氣候干燥和半干旱條件下的供暖能耗分別降低了17.5%和10.4%，而且室內(nèi)熱舒適滿意度在半干旱氣候下由63%提高到75%，在干燥氣候下由73%提高到93%[27]。因此，相變材料不斷被提倡用在低能耗建筑或近零能耗建筑中，表2為近些年世界各地部分具有代表性的相變建筑材料研究成果?？梢钥闯鱿嘧兘ㄖ牧险鸩綇暮?jiǎn)單的裝飾材料轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻拥钠鲋牧?。下面從不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位來(lái)介紹相變建筑材料的研究進(jìn)展。

表2 相變建筑材料在低能耗建筑應(yīng)用的研究

3.1 墻體

按照相變材料與建筑材料的結(jié)合方式，相變建筑材料墻體可分為混合式相變墻體和嵌入式(定形)相變墻體等[41-42]，兩者的區(qū)別是相變材料與建筑材料是否均相分布。混合式相變墻體是將相變材料與普通建筑材料均勻混合，又可分為直接混合式和膠囊式[42]，目前的前沿應(yīng)用是微膠囊式相變墻體，如將微膠囊化的石蠟加入混凝土中形成相變墻體[43]。而嵌入式相變墻體是將相變材料嵌入到建筑材料的內(nèi)部或外部的空隙中。

3.1.1微膠囊式相變墻體

微膠囊式相變墻體是將相變材料微膠囊化，并與傳統(tǒng)的建筑材料均相混合，制成的混凝土或石膏板中包含了相變微粒，具備儲(chǔ)存熱量的功能。Cabeza等人研究了一種新型相變材料混凝土，通過(guò)聚氯聯(lián)苯將丙烯酸微膠囊化，添加到混凝土內(nèi)實(shí)現(xiàn)墻體的能量?jī)?chǔ)存，并在萊達(dá)(西班牙)使用這種混凝土建造了小屋。研究結(jié)果表明，使用膠囊化相變材料的墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得夏季室內(nèi)最高溫度降低1 ℃，最低溫度下降2 ℃，室內(nèi)峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間延遲了2 h[44]。Schossig等人研究了石膏板對(duì)辦公樓熱環(huán)境的影響，辦公樓墻體采用輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)，所用的石膏面板中混入了微膠囊相變材料，如圖4所示，微膠囊平均直徑為8 mm，均勻分散在石膏晶體中。研究結(jié)果顯示，在測(cè)試周期內(nèi)，采用這種相變墻體使房間溫度高于28 ℃的時(shí)長(zhǎng)從50 h下降至5 h，房間的熱環(huán)境明顯得到改善[45]。Sá等人在抹灰砂漿中加入25%的丙烯酸相變材料，得到的相變抹灰砂漿潛熱為25 kJ/kg，相變溫度為23～25 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W/(m·℃)[46]。

圖4 帶微膠囊相變石膏板的輕鋼龍骨墻[45]

3.1.2嵌入式相變墻體

與膠囊式墻體的均相混合方式不同，嵌入式相變墻體中建筑材料與相變材料在宏觀上存在明顯的界限。Silva等人開(kāi)發(fā)了一種嵌入式相變黏土磚，即將石蠟包裹后嵌入空心黏土磚中，使用這種相變黏土磚的測(cè)試房間的夏季室內(nèi)溫度下降了5 ℃以上，溫度峰值延遲了3 h[47]。Bontemps等人以玻璃磚為外殼材料，填充相變材料后制成相變玻璃磚砌塊，并用相變砌塊建造了太陽(yáng)能被動(dòng)房，用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，比較了脂肪酸、石蠟和鹽水3種相變材料的蓄熱性能，提出了將相變砌塊與夜間通風(fēng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，以進(jìn)一步降低建筑能耗[48]。

3.1.3通風(fēng)式相變材料墻體

除了在建筑墻體中直接使用相變砌塊來(lái)降低建筑能耗外，通風(fēng)墻體與相變材料的融合使用也是相變墻體的一種形式，體現(xiàn)了近零能耗建筑的主動(dòng)和被動(dòng)措施的結(jié)合。這種形式通過(guò)在墻體中加入風(fēng)道，利用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)，增強(qiáng)室內(nèi)空氣與墻體相變材料的自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流，從而改善室內(nèi)熱舒適性。Ling等人采用相變材料研制了主動(dòng)-被動(dòng)通風(fēng)墻體，如圖5所示，墻體從內(nèi)到外由相變材料、空心磚、實(shí)心磚、聚苯乙烯板組成，并采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了不同相變溫度和潛熱對(duì)墻體換熱效率和最低室內(nèi)空氣溫度的影響，結(jié)果顯示最優(yōu)的相變溫度為27.7 ℃，冬季室內(nèi)最低溫度為15 ℃，蓄熱效率達(dá)到了86.7%[49]。Stazi等人也設(shè)計(jì)了類似的通風(fēng)相變墻，并在地中海住宅中實(shí)測(cè)了這種墻體對(duì)全年室內(nèi)溫度的影響，結(jié)果表明通風(fēng)相變墻能更好地延緩墻體溫度的峰值出現(xiàn)，有助于室內(nèi)溫度的穩(wěn)定[50]。

3.2 窗體

窗體也是建筑重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，且單位面積的傳熱量要顯著大于墻體，因此適用于窗體的相變材料和結(jié)構(gòu)也不斷被開(kāi)發(fā)。Kolacek將六水氯化鈣作為相變材料添加到窗戶玻璃夾層中，使窗戶的熱慣性顯著提高，能有效降低窗戶的傳熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相變窗體可在室外氣溫-15 ℃時(shí)保持窗體內(nèi)表面溫度為25 ℃，并使室內(nèi)溫度保持在21 ℃[51]。Zhang等人建立了相變玻璃窗模型，將混合有Al2O3、TiO2和ZnO等納米顆粒的石蠟加入雙層玻璃中，如圖6所示，并研究了這種窗體的傳熱過(guò)程及納米顆粒對(duì)相變材料換熱性能的影響，研究結(jié)果表明，在石蠟中加入TiO2后，窗體內(nèi)表面溫度在夏季降低了0.82 ℃，加入ZnO納米顆粒后，窗體內(nèi)表面溫度在過(guò)渡季和冬季分別升高了0.84 ℃和0.89 ℃[52]。

Hu等人研發(fā)了一種通風(fēng)式相變材料窗戶，并且通過(guò)窗戶出風(fēng)口的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了夜間通風(fēng)、夜間制冷和日間預(yù)冷3種模式，如圖7所示。該窗體下部設(shè)置了由相變材料組成的換熱器，當(dāng)裝置在夜間運(yùn)行通風(fēng)模式時(shí)，室外冷空氣帶走換熱器中相變材料的熱量，從而在白天相變換熱器可以降低送入房間的新風(fēng)溫度。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，一塊10 mm厚的相變材料的換熱效率可達(dá)89.85%，在夜間可以放熱4～5 h，在白天可以吸熱3.9 h，吸熱量可達(dá)3.19 MJ[30]。

3.3 屋頂

屋面材料受日曬雨淋，容易發(fā)生老化和漏水的現(xiàn)象，因此需要考慮復(fù)合相變材料的防水性和光照穩(wěn)定性。Fabiani等人研究了石蠟含量分別為15%、25%、35%時(shí)聚氨酯屋面的防水性、熱穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明，石蠟含量為25%的聚氨酯材料具備最優(yōu)的綜合性能[53]。Yang等人研發(fā)了一種嵌入相變材料(石蠟)的木塑板屋面材料，用于緩解熱島效應(yīng)，降低屋面溫度。研究結(jié)果顯示，當(dāng)使用含相變材料的屋面材料時(shí)，各季節(jié)屋頂表面溫度都得到了降低，平均下降了4.9 ℃[29]。

3.4 地板

地板不直接接收太陽(yáng)輻射，因此普通地板溫差和傳熱量較小，相變材料常常與電熱地板供暖和太陽(yáng)能供暖相結(jié)合[54-56]。如圖8a所示，在太陽(yáng)能供暖中，白天太陽(yáng)輻射熱通過(guò)集熱器儲(chǔ)存在帶相變材料的地板中，當(dāng)夜間室內(nèi)溫度下降時(shí)相變材料開(kāi)始放熱，達(dá)到供暖的目的，這屬于被動(dòng)式的節(jié)能措施。張?chǎng)蔚热嗽O(shè)計(jì)了一套包含相變材料的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明即使室外環(huán)境溫度低至-10 ℃以下，該系統(tǒng)仍能維持室內(nèi)溫度在20 ℃以上[57]。

圖8 相變材料應(yīng)用于地板供暖

與太陽(yáng)能地板供暖不同，電熱地板供暖屬于主動(dòng)式供暖，利用電網(wǎng)峰谷電價(jià)差的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行熱能存儲(chǔ)。如圖8b所示，在夜間低谷電時(shí)段發(fā)熱電纜通電后，不僅向室內(nèi)提供熱量，更主要的是加熱相變材料層，使相變材料熔化吸收熱量。在非低谷電時(shí)段，電纜停止加熱，相變材料凝固釋放熱量，利用夜間存儲(chǔ)的熱量來(lái)滿足白天房間內(nèi)的供暖需要。邢靖辰等人研究了以脂肪酸共晶混合物為相變材料的地板，結(jié)果表明脂肪酸共晶混合物的相變溫度在20～30 ℃之間，可實(shí)現(xiàn)利用夜間8 h蓄熱、白天16 h放熱的穩(wěn)定供暖模式[58]。目前針對(duì)相變材料地板的研究很多，相變材料地板的結(jié)構(gòu)也有很大不同，圖9為幾種不同結(jié)構(gòu)形式和相變材料類型的地板輻射供暖系統(tǒng)構(gòu)造示意圖。

此外，相變材料地板還可以與熱泵供暖技術(shù)相結(jié)合，如Plytaria等人針對(duì)建筑面積為100 m2的建筑物，設(shè)計(jì)和模擬了3種不同的太陽(yáng)能輔助熱泵地板供暖系統(tǒng)，將相變材料放置在地板和加熱系統(tǒng)之間，并通過(guò)改變地板的收集面積、收集器類型和絕緣層的厚度來(lái)檢驗(yàn)不同的情況。結(jié)果證明，在地板供暖系統(tǒng)上使用相變材料層可減少約40%的熱負(fù)荷[13]。

4 結(jié)論

將相變建筑材料使用在近零能耗建筑中，一方面可以提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)空氣的溫差，從而降低夏季室內(nèi)溫度并減小室內(nèi)溫度的波動(dòng)，減少建筑冷熱負(fù)荷，提高建筑的熱舒適性；另一方面能夠更好地利用太陽(yáng)能、空氣能等可再生能源，降低建筑能耗。本文介紹了目前常見(jiàn)的相變建筑材料，并介紹了國(guó)內(nèi)外在墻體、窗體、屋面、地板上相變建筑材料的研究進(jìn)展。

1) 丙烯酸和石蠟是最常用的相變建筑材料，丙烯酸與水泥和石膏的融合性好，一般與建筑材料均相混合，形成微膠囊式相變建筑材料，而石蠟與普通建筑材料的融合性差，常作為嵌入式相變建材。

2) 在研發(fā)和使用相變建筑材料時(shí)要考慮相變材料的熱物性、相變動(dòng)力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能。除了關(guān)注相變溫度、潛熱值、導(dǎo)熱系數(shù)、過(guò)冷度等參數(shù)外，相變材料的穩(wěn)定性、防水性也必須考慮?？梢岳糜袡C(jī)相變材料相變一致性好、無(wú)相分離的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合無(wú)機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)高、潛熱大、密度變化小的優(yōu)點(diǎn)，研制復(fù)合型相變材料，并通過(guò)添加Al2O3、TiO2和ZnO等納米顆?；蛱砑觿└纳葡嘧儾牧系男阅?。

3) 相變材料應(yīng)用于近零能耗建筑并不局限于被動(dòng)式的節(jié)能技術(shù)，在地板供暖、熱泵供暖等主動(dòng)設(shè)施中使用相變材料也能降低設(shè)備能耗、提高建筑環(huán)境的熱舒適性。另外，相變建筑材料與建筑通風(fēng)相結(jié)合能夠提高蓄熱材料的熱效率，也能提高太陽(yáng)能、空氣能的利用效率。