相變材料物性與輕質(zhì)相變圍護結(jié)構節(jié)能研究進展

張 源，魏燕麗，許錦峰

(1.江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇省綠色建筑與結(jié)構安全重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，也是經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展的重要制約因素.隨著我國物質(zhì)生活條件的改善，人們對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的要求不斷提高，使得我國建筑能耗急劇增加，其占全國能源消費總量的比例也在逐步增加，已經(jīng)超過能源消費總量的1/4.因此，降低建筑能耗、推廣建筑節(jié)能勢在必行.因此，建筑圍護結(jié)構的節(jié)能水平是決定建筑是否節(jié)能的關鍵因素.

由于熱阻和熱容的作用，溫度波與熱流波在通過建筑圍護結(jié)構時會產(chǎn)生衰減和延遲效應.目前，建筑圍護結(jié)構上通常采用傳統(tǒng)的有機保溫隔熱材料，以滿足建筑節(jié)能規(guī)范對圍護結(jié)構熱阻的要求.盡管這些絕熱材料具有較低的導熱系數(shù)，可以有效增大圍護結(jié)構的熱阻，但它們同時也具有較低的比熱容.另外，它們大多具有火災安全隱患，使用壽命也有限.當前建筑中大量采用框架結(jié)構，這種結(jié)構的墻體稱為填充墻，它們大多是中空、輕質(zhì)墻體，其中以混凝土空心砌塊+有機保溫層的墻體居多.這些因素使得整個墻體的比熱容較低，造成墻體內(nèi)表面隨著外界溫度的變化而產(chǎn)生較大幅度和較高頻率的溫度和熱流波動，從而會導致室內(nèi)空調(diào)設備的頻繁啟閉或者不能保持較長時間在最佳工況運行.由于空調(diào)設備在啟動階段及非最佳工況運行時耗能較高，便增加了設備的運行能耗.

蓄熱是緩解熱量供求雙方在時間、空間和強度上不匹配的有效方式，是合理利用能源、減少環(huán)境污染的有效途徑，是建筑節(jié)能的有效手段.相變材料(phase change material，PCM)是指隨溫度變化而改變形態(tài)，并發(fā)生潛熱的吸收與釋放的物質(zhì).這種相之間的轉(zhuǎn)換過程稱為相變過程.在相變過程發(fā)生時，PCM吸收或釋放大量的潛熱，而自己本身的溫度不變或變化很小.PCM的潛熱遠高于普通建筑材料的顯熱，當PCM的溫度上升到相變溫度時，PCM發(fā)生相變，并使建筑墻體的比熱顯著增大，從而大大減小墻體內(nèi)表面及室內(nèi)溫度的波動，使室內(nèi)達到更好的熱舒適度，從而避免了空調(diào)設備的頻繁啟閉，并長時間處于最佳工況運行狀態(tài)，降低設備的能耗.另外，由于PCM的使用能夠顯著提高建筑墻體的熱容，因此白天時室外溫度和熱流進入室內(nèi)后達到峰值的時間將大大延后，甚至延遲到傍晚甚至于夜里，而此時已處于電價的低谷時間段.且夜間溫度相對較低，在電價低谷時間段處理白天時進入墻體的處于峰值的溫度波與熱流波，有利于從總體上提高室內(nèi)的舒適度，從而達到節(jié)能與提高室內(nèi)舒適度的目的.因此，將PCM用于建筑圍護結(jié)構中，可以達到節(jié)能、轉(zhuǎn)移熱負荷峰值的時間、提高室內(nèi)熱舒適性、延長空調(diào)設備壽命等的效果.

利用PCM的相變潛熱實現(xiàn)能量的蓄存與利用，是近年來能源科學、材料科學和建筑節(jié)能領域一個重要的研究與發(fā)展方向，研究相變建筑圍護結(jié)構的熱工性能與應用技術對建筑節(jié)能、改善室內(nèi)熱環(huán)境有著重要的意義.綜述目前對PCM的物性特征的研究進展；在此基礎上，探討國內(nèi)外學者對輕質(zhì)相變建筑構件的熱性能特征、熱工評價指標、節(jié)能應用效果及相應的安全措施，為輕質(zhì)相變圍護結(jié)構在建筑節(jié)能工程中的應用提供參考.

1 PCM分類及物性特征

1.1 PCM的分類

PCM的種類非常豐富，一般將PCM分為3類，如圖1[1]所示.

圖1 PCM的分類

PCM相變溫度覆蓋了很大的溫度范圍，因此在一般工程應用領域所需的溫度條件下，幾乎都能找到與之相對應的PCM.盡管具有相變溫度范圍廣、潛熱較大等優(yōu)點，但是多數(shù)PCM并不能在所有指標上均滿足使用所需的理想要求.在工程應用中，可以采取一定措施來彌補PCM在某些性能上的不足，例如，向PCM中添加金屬粉末可以提高其導熱系數(shù)，添加成核劑可以減少PCM的過冷度等[2].

1.2 PCM的物性特征

1.2.1有機PCM

有機PCM的優(yōu)點是具有無毒、腐蝕性小、過冷度低、相變溫區(qū)的可調(diào)、不會出現(xiàn)相分離、相變潛熱降低以及物理穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性好等.同時，有機PCM的相變潛熱(100～200 kJ·kg-1)和導熱系數(shù)(0.14～0.21 W·(m·K)-1)均較低，還具有易揮發(fā)性、可燃性等缺點[3].因此，一般在應用中通過摻入具有高導熱系數(shù)的材料以提高PCM的導熱系數(shù).

有機PCM可分為石蠟類與非石蠟類.石蠟類PCM的相變溫度覆蓋范圍很廣，且化學穩(wěn)定性較好，過冷度低，價格也較低，這為其適用性提供了保障.石蠟類PCM的相變溫度與潛熱均隨著其碳鏈長度的增加而增加.同時，石蠟類PCM也存在導熱系數(shù)較低、與塑料制品容器不相容以及具有一定的可燃性的缺點，影響了其使用.與石蠟類PCM不同，非石蠟類PCM(脂肪酸、多元醇等)之間的物性變化較大.這些材料大多具有以下特點：① 較大的相變潛熱；② 具有可燃性；③ 較低的導熱系數(shù)；④ 較低的閃點；⑤ 高溫時不穩(wěn)定.在非石蠟類PCM中，脂肪酸具有較高的相變潛熱，熔化/凝固的重復性較好，并且在凝固時幾乎沒有過冷效應.然而，脂肪酸也存在價格較高、具有輕微的腐蝕性等缺點.

1.2.2無機PCM

無機PCM可分為水合鹽與金屬兩大類.一般來說，無機PCM的相變潛熱(200～300 kJ·kg-1)幾乎是有機PCM(100～200 kJ·kg-1)的兩倍.同時，無機PCM的導熱系數(shù)(大于0.5 W·(m·K)-1)相對較高、毒性小、相對便宜、容易得到以及具有不燃性等優(yōu)點.但是由于其具有化學穩(wěn)定性較差、有一定的腐蝕性、過冷度較高和會發(fā)生相分離現(xiàn)象等缺點，限制了它的使用.實際應用中往往通過摻入成核劑與增稠劑，以提高PCM的穩(wěn)定性，減小過冷度.

水合鹽是由水和無機鹽化合而成的透明固體.水合鹽的相變過程實際上是無機鹽的脫水與吸水的過程，在此過程中材料吸收和釋放潛熱.優(yōu)點在于其相變潛熱高，有相對較高的導熱系數(shù)，與塑料相容，以及價格便宜等.缺點是相變過程的穩(wěn)定性與可逆性較差，使用時需要加入成核劑和增稠劑，熔化與凝固所經(jīng)歷的路徑往往不相同，釋熱中會自發(fā)地減少結(jié)晶水數(shù)目等.金屬材料一般具有較大導熱系數(shù)與體積潛熱，但較大的重量限制了其使用范圍.

A.SHARMA等[1]、V.V.TYAGI等[4]、F.KUZNIK等[5]及L.F.CABEZA等[6]等均對有機PCM與無機PCM的優(yōu)點、缺點及改進措施進行了研究，如表1所示.

表1 PCM的優(yōu)點、缺點及其改進措施

1.2.3復合PCM

復合PCM是由兩種或多種組分組成的，它的各組分一同熔化或凝固形成混合晶體.目前，有關復合PCM方面的應用研究還相對較少.

2 輕質(zhì)相變圍護結(jié)構節(jié)能應用

2.1 相變建筑構件熱性能特征

由于保溫材料具有較低的導熱系數(shù)，使用保溫材料的圍護結(jié)構往往可以達到較高熱阻.因此，若室內(nèi)外溫度波動較小，只需提高圍護結(jié)構的熱阻即可達到較高的節(jié)能水平.然而，事實是室外溫度是以24 h為一個周期進行波動的，若只為提高圍護結(jié)構的熱阻，而忽略了其熱容(保溫材料的熱容往往小到可以忽略)，則會造成室內(nèi)溫度隨著室外溫度的波動而產(chǎn)生較大波動，這無論是從節(jié)能還是室內(nèi)舒適度角度看，都是無法接受的.

若能充分、合理地利用PCM的蓄、放熱性能，則可以大幅度提高圍護結(jié)構尤其是輕質(zhì)圍護結(jié)構的熱容，使室內(nèi)維持較為穩(wěn)定的熱狀態(tài)，提高圍護結(jié)構的節(jié)能水平和室內(nèi)熱舒適度.

由此可知，PCM建筑構件的熱物性特征與保溫材料建筑構件有著本質(zhì)的不同.有學者對二者進行了比較.F.STAZI等[7]與YE H.等[8]發(fā)現(xiàn)，在夏季熱條件下，具有保溫層或高熱容層(PCM層)的圍護結(jié)構均表現(xiàn)出高的熱性能，而在其他季節(jié)時只有具有保溫層的圍護結(jié)構具有較高的熱性能.

保溫材料建筑構件以提高熱阻為主，可以有效減少進入室內(nèi)的熱流量.在非穩(wěn)態(tài)熱性能上，它的存在可以在一定程度上提高圍護結(jié)構對室外溫度波和熱流波的衰減作用，但不能顯著增強圍護結(jié)構對峰值熱流的延遲效應.而PCM則可以大幅度提高圍護結(jié)構的衰減和延遲效應，但對熱阻的貢獻相對較小.并且合理運用PCM的關鍵點在于選擇具有適宜相變溫度和較大相變潛熱的PCM，以及為PCM設定合適的墻體位置[9-12].

2.2 相變建筑構件熱工評價指標

對于采用工程應用環(huán)境下熱物性相對穩(wěn)定的常物性材料的墻體，其傳熱表達式為線性方程，因此溫度、熱流等參數(shù)可以進行疊加計算，通常采用熱阻和傳熱系數(shù)作為其穩(wěn)態(tài)熱工性能的評價指標[13].常物性材料墻體的非穩(wěn)態(tài)熱性能常用衰減倍數(shù)與延遲時間指標進行評價[14].

然而，對于含有PCM的墻體，PCM在其相變溫度范圍內(nèi)的比熱會發(fā)生較大變化，導致其傳熱表達式成為非線性方程.因此，僅用熱阻、衰減倍數(shù)與延遲時間來評價其熱工性能是不夠的，還需要有針對性地增加新的評價指標.林坤平等[15]提出采用累計日室內(nèi)溫度不舒適度和累計日室內(nèi)綜合溫度不舒適度作為評價房間夏季過熱導致不舒適程度的指標.孟二林等[16]針對夏季相變圍護結(jié)構的隔熱和吸熱兩種不同的傳熱過程，提出隔熱因子和吸熱因子兩個評價指標來評價其傳熱性能.ZHU D.[17]提出用等效熱阻的極值來分析和評價相變建筑構件的非穩(wěn)態(tài)熱性能.以上學者分別從溫度與熱流的角度提出了行之有效的相變圍護結(jié)構評價指標.

2.3 節(jié)能應用效果

當前，PCM的傳熱與節(jié)能性能已經(jīng)在實驗室甚至實際建筑中得到了體現(xiàn).L.AELENEI等[18]采用一種新型的光伏板與PCM板墻體結(jié)構的建筑在冬季氣候條件下的運用效果進行了計算和測試.結(jié)果表明，該種墻體結(jié)構可以節(jié)約10%電能，具有12%的熱效率，且整個系統(tǒng)的節(jié)能率可達20%.M.AHMED等[19]將PCM(石蠟)放入用于冷藏儲物的卡車拖車的箱體壁體中，以改善箱體的蓄冷能力.測試表明：當各朝向的壁體均使用PCM時，進入箱體的熱流率峰值平均降低29.1%；對于單一朝向的壁體來說，熱流率可降低11.3%～43.8%；每天進入箱體的熱流率可降低16.3%.H.J.ALQALLAF等[20]對某種含有PCM的混凝土屋頂板的熱工性能進行了分析.測試表明：所用的PCM越多，所減少的得熱量也越多；得熱量受到PCM的熔化溫度的影響.PCM熔化溫度的選擇取決于環(huán)境條件和工作條件.增加保溫層也可以提高含PCM屋頂板的熱工性能.A.BONTEMPS等[21]將PCM應用于一個雙箱結(jié)構實驗箱的隔墻中，兩箱之間的隔墻是由16個空心玻璃塊與鋁框組成，玻璃塊中填充或不填充PCM，各箱的其余4面墻均為厚度為20 mm的真空絕熱板(VIP)；使用了3種PCM，即脂肪酸、石蠟與水合鹽(熔化溫度分別為21.4、25.0和27.5 ℃)；將實驗箱放置于當?shù)氐湫偷氖彝猸h(huán)境條件下(外邊界條件).結(jié)果表明：使用了PCM的實驗箱內(nèi)部的溫度波動顯著小于不使用PCM；若能結(jié)合有效的夜間送風以及減少太陽入射量，效果會更好.A.M.BORREGUERO等[22]對含PCM的石膏塊進行了熱工性能測試.結(jié)果表明：石膏板中PCM的質(zhì)量分數(shù)越高，石膏板的蓄熱能力就越強，同時墻體內(nèi)溫度波動幅度也越?。话鍍?nèi)PCM質(zhì)量分數(shù)每增加5%，在保持相同熱工性能的情況下，石膏板的厚度可以減少8.5%.因此，PCM可以用來提高舒適度、節(jié)約能源以及減少墻體重量.L.F.CABEZA等[23]建造了具有實際尺寸的混凝土房間，房間的南、西向墻及屋頂含有質(zhì)量分數(shù)為5%的PCM，且房間暴露于自然環(huán)境條件下.結(jié)果表明：含PCM的墻體熱惰性顯著高于不含PCM的墻體，且含PCM的墻體具有更低的內(nèi)表面溫度(降低了0～2 ℃)；相變墻使得峰值熱流轉(zhuǎn)移了約2 h；夜間送風可有效提高PCM墻的熱工性能.A.CASTELL等[24]用兩種傳統(tǒng)的多孔磚分別砌筑了含有PCM與不含PCM的具有實際尺寸的房子，分別在西班牙典型的寒冷冬天與溫暖夏天的氣候條件下進行試驗，且只在空間制冷模式下進行測試.結(jié)果表明：PCM使得室內(nèi)峰值溫度分別降低了約0.90 ℃和0.73 ℃，且室內(nèi)能耗減少了約15%與17%.M.A.MEDINA等[25]建立了一種內(nèi)含PCM的新型保溫夾芯板，分析了這種板材在實際氣候條件下的熱性能.發(fā)現(xiàn)填充10%和20%PCM的板材使進入室內(nèi)的熱流峰值衰減了37%和62%，平均熱流降低了33%和38%.同時，部分學者已對具有雙層PCM墻體在冬、夏雙工況條件下的熱性能進行了初步研究，并得到較高的熱工性能[12,26-31].

此外，一些學者還對采用PCM的應急建筑、臨時建筑和裝配式建筑等具有輕質(zhì)圍護結(jié)構建筑的熱環(huán)境改善及節(jié)能性能進行了研究.莊春龍[32]對處于我國嚴寒地區(qū)(青藏高原北部地區(qū))的分散式太陽能采暖營房、哨所、兵站等建筑采用含PCM的輕質(zhì)圍護結(jié)構的熱性能進行了研究.研究得到的相變輕質(zhì)墻體被動式太陽房優(yōu)化方案，使建筑墻體的熱惰性指標獲得顯著提高，對室內(nèi)的調(diào)溫效果較為明顯.甄子亞等[33]針對某工業(yè)廠房的太陽能相變蓄熱供暖系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬分析，得到相變蓄熱廠房熱性能的最佳設計參數(shù).周琳[34]對裝配式相變大棚的應用效果進行了研究，解決了日光溫室建筑用地與農(nóng)作物耕種用地的沖突，并有效調(diào)和了日光溫室普遍存在的能量供需在時間與空間上不匹配的矛盾.鮑恩財[35]的研究表明，裝配式主動蓄熱日光溫室較原有的主動蓄熱日光溫室蓄熱性能更好，且造價降低.徐賀[36]通過對含PCM的集裝箱圍護結(jié)構的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，PCM可以有效解決集裝箱建筑夏季過熱的問題，并顯著提升圍護結(jié)構的儲能能力，降低制冷能耗，提升室內(nèi)熱舒適度.

同時，為了將PCM很好地應用于建筑材料中，學者們將PCM與各種建筑材料相混合，例如，將PCM與建筑石膏相混合制成石膏基復合PCM板[37]，將PCM注入建筑空心磚、空心砌塊或樓板中[20,38-41]，將PCM放入預埋在墻體中的管道內(nèi)[42]，將PCM用壁材包裹形成微膠囊等[43-46]，這些嘗試都較為成功.

2.4 PCM工程應用的安全措施

由于有機PCM具有可燃性，且各國建筑安全標準要求也越來越高，近年來一些學者對有機PCM的安全性能也進行了研究，阻燃措施主要有以下幾種：① 用不燃材料對PCM進行封裝[47]；② 向PCM中加入阻燃劑[48]；③ 將PCM微膠囊化后，用不燃材料進行包裹[49].

3 結(jié) 論

1) 不同種類PCM具有各自的相變溫度、潛熱及相應的優(yōu)、缺點，因此，在工程應用中應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件、室內(nèi)目標溫度、圍護結(jié)構組成等實際情況，因地制宜地選取合適的PCM.

2) 由于PCM具有與傳統(tǒng)保溫材料截然不同的熱性能特征，只有科學合理地將PCM應用于圍護結(jié)構中，才能較好地發(fā)揮PCM的蓄、放熱性能，這是當前國內(nèi)外的研究重點之一.

3) 含PCM建筑構件在不同程度上起到了節(jié)能和提高室內(nèi)熱舒適度的效果，尤其是在裝配式建筑、應急建筑、臨時建筑等具有輕質(zhì)圍護結(jié)構的建筑中，可以發(fā)揮更好的作用，并針對PCM構件的安全性能提出了一些有效措施.

4) 學者提出了多個相變建筑構件的熱工設計指標供選用，它們對輕質(zhì)PCM的工程應用具有重要意義.