相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進展

周治州，龍清為

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

實現(xiàn)相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，并探究其研究進展，一定程度上提升了建筑本身的節(jié)能效果，除了發(fā)揮其本身蓄能量大的優(yōu)勢之外，還可利用其結(jié)晶溫度與融化溫度接近的特點，使其廣泛應(yīng)用在冷卻、加熱方面。且要求建筑企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員在應(yīng)用其進程中對其應(yīng)用效果進行監(jiān)察與總結(jié)，以此來優(yōu)化其應(yīng)用方式，實現(xiàn)更高程度的節(jié)能效果。

1 相變蓄熱材料概述

相變蓄熱材料（以下簡稱PCMs）是一種可進行熱能儲存的全新形式的化學(xué)材料，在指定溫度下放出或者吸收熱量進行物相變化來進行熱量的釋放與儲存。按照化學(xué)成分差異化，一般選擇將相變蓄熱材料分為復(fù)合類、有機類相變材料，對比一般蓄熱材料來說，其有著熱穩(wěn)定性好、存儲密度高、熱容大的優(yōu)勢。相變蓄熱材料的研發(fā)以及應(yīng)用，自純?nèi)芤浩?，至二元溶液→三元溶液→?fù)合PCMs，我國當(dāng)前研究的相變蓄熱材料主要集中在Na2SO4·10H2O領(lǐng)域，部分研究人員在針對基站機房房溫問題，選擇以Na2SO4·10H2O為基礎(chǔ)制作相變蓄熱材料，對導(dǎo)熱系數(shù)、儲熱密度、相變溫度等實施優(yōu)質(zhì)改良，合理控制了機房溫度[1]。

而按照相變溫度來進行劃分，主要包括低溫、中溫、高溫相變蓄熱材料，在應(yīng)用到節(jié)能建筑領(lǐng)域時，一般以中溫與低溫相變蓄熱材料為主，常見的相變蓄熱材料包括脂肪酸、石蠟、熔融鹽等，其儲熱方式包括熱化學(xué)儲熱、潛熱蓄熱、顯熱蓄熱。顯熱蓄熱又稱相變蓄熱，是特定材料在固-液-氣之間互相轉(zhuǎn)換，散發(fā)或者吸取熱能。水自液態(tài)→固態(tài)，其相變焓值達到335J/kg。經(jīng)過系統(tǒng)的實踐證明，水處于固液態(tài)相變時釋放/吸收等焓值大概等同于1kg液態(tài)水自0℃升溫至80℃所需的能量，因此能夠得知，相變蓄熱材料不但能夠大量蓄能，而且能夠有效調(diào)節(jié)室內(nèi)居住舒適度[2]。

2 相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 相變蓄熱地板

相變蓄熱地板屬于一種全新形式的節(jié)能地板，健康、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單，對比傳統(tǒng)形式的暖氣片優(yōu)勢明顯。建筑行業(yè)出現(xiàn)的一種超低能耗示范樓選擇的即是形狀固定的儲能原材料代替普通材料，填充至普通地板中，在白天溫度很高時，陽光會透過窗扇、玻璃幕墻，然后以輻射熱能的形式儲蓄在儲能原材料中，到了晚上，相變蓄熱材料會進行相變，朝著室內(nèi)散發(fā)儲蓄的熱能，以此來降低室內(nèi)溫度波動。根據(jù)以往實驗結(jié)果顯示，蓄熱地板可將建筑內(nèi)部溫度波動限制在6℃以內(nèi)[3]。

2.2 相變蓄熱屋頂

選擇膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變蓄熱復(fù)合材料，混合進建筑砂漿中，用于建筑屋頂，綜合其應(yīng)用結(jié)果顯示，該種形式的建筑屋頂在降低建筑內(nèi)外導(dǎo)熱與傳熱效率的同時，對于維持建筑內(nèi)部溫度有著極好的效果。此外相變材料亦會廣泛應(yīng)用于天花板裝飾，比如華盛頓大樓建設(shè)時選擇相變蓄熱材料建設(shè)的分子工程大樓，天花板選擇的相變材料屬于無毒植物凝膠范疇，填充在塑料小方格，裝置在辦公室天花板中。該種形式的蓄熱天花板在大概23℃時會吸熱融化，并在同等溫度下凍結(jié)，這在抑制建筑內(nèi)部溫度波動的同時，將被動冷卻空間愈加舒適。

2.3 相變蓄熱墻體

石膏是一種比較常見的建筑材料，其對整體工程建設(shè)具備相應(yīng)的指導(dǎo)作用，混合石膏與相變蓄熱材料，將其應(yīng)用于墻體建筑中，能夠使得建筑維護結(jié)構(gòu)具備相應(yīng)的調(diào)溫特性與調(diào)濕性能。Becker等系統(tǒng)化研究了黏貼相變石膏板在外墻內(nèi)側(cè)對傳統(tǒng)實體建筑與地中海氣候區(qū)輕質(zhì)建筑，發(fā)現(xiàn)其在輕質(zhì)建筑中有著最佳的應(yīng)用效果，能夠達到57%的節(jié)能效果，且認為選擇該種墻體時應(yīng)當(dāng)綜合考慮夜間通風(fēng)以及建筑類型。而就相變Trombe墻體來說，其具備自然通風(fēng)能力，標(biāo)準(zhǔn)工作原理如下所示：在夏天白天天氣熱時，將太陽集熱墻上面頂風(fēng)口打開，相變Trombe墻體會吸收圍護結(jié)構(gòu)位置的太陽能輻射，此時蓄熱材料會融化，并在熱壓驅(qū)動下，背陽面會有冷風(fēng)流動，并且室內(nèi)空氣會借助太陽能通風(fēng)管道朝著室外排出，室內(nèi)持續(xù)換氣，攜帶出維護結(jié)構(gòu)與建筑內(nèi)的熱能，并儲存相變墻冷量。在冬季時將室外通風(fēng)口關(guān)閉，相變Trombe墻體會將照射進來的太陽能吸收并儲存，墻體加熱空氣之后送入室內(nèi)，熱空氣在此進程中形成建筑內(nèi)循環(huán)，并儲存熱量。在初冬溫度上升時，相變Trombe墻體通風(fēng)口開啟，熱墻在接受太陽能后加熱通道空氣，在熱壓作用下建筑內(nèi)部空氣流程重新構(gòu)成新風(fēng)循環(huán)[4]。

2.4 相變蓄熱表面涂料

按照熱能傳熱基本方式，可將涂料分為輻射型、反射型、阻隔型，而在建筑節(jié)能領(lǐng)域選擇應(yīng)用的一般是反射型、隔斷型涂料。其中張璐丹等將研制的立邦涂料與相變微膠囊按照1∶1混合，并在兩個房間實施了比較實驗，房間陽光朝向、強度、面積等完全相同，在一個房間粉刷立邦涂料與相變微膠囊混合涂料，另一個房間粉刷立邦涂料，厚度都控制在3mm左右。結(jié)果顯示，混合涂料房間整體最大空氣溫度對比另一個房間降低了6℃左右，最小溫度高了2.2℃，最大節(jié)能效率提升26%。楊保平等以四乙基戊胺與2,4-甲苯二異氰酸酯為壁材制造了相變焓、相變溫度分別為65.5kJ/kg、19.2℃的微膠囊，混入相應(yīng)防腐涂料，提升其防腐性能的同時，具備相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)能力。相變蓄熱微膠囊在當(dāng)前的涂料中具備相對有效的控溫效果，但是因制備復(fù)雜、耗資較多，嚴重限制了其在節(jié)能建筑領(lǐng)域的有效應(yīng)用。

3 相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的研究進展

3.1 相變蓄熱地板研究進展

Royon等在研究相變蓄熱地板時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前選用的輕型蓄熱地板容量不高，即便是在夏季高溫季節(jié)也很難得到最佳舒適情況。因此以此為基礎(chǔ)，設(shè)計出了長寬高分別為28cm、28cm、3.75cm的混凝土的地板，并在水平地板側(cè)邊打出直徑、長度分別為2.5cm、28cm的形狀為圓柱體的空腔，共計8個，再將相變蓄熱材料裝在這些空腔中，其后對蓄能地板實施加熱-冷卻試驗，對比普通地板來說，該種相變蓄熱地板降低了2℃左右的室內(nèi)溫度，且熱舒適性有所提升[5]。

3.2 相變蓄熱屋頂研究進展

鄭雨蒙等通過二維數(shù)值模擬的方式分析了石蠟玻璃屋頂，對比傳統(tǒng)形式的空氣玻璃屋頂來說，該種蓄熱屋頂在東北冬季、過渡季、夏季節(jié)能率大致保持在26.64 %、59.57 %、26.64 %左右，因此建議石蠟玻璃屋頂應(yīng)當(dāng)控制在9～12mm。此外，Kosny等為降低屋頂熱負荷與熱橋質(zhì)量，設(shè)計并應(yīng)用了光伏-相變材料屋頂（PV-PCM），其涵蓋了隔熱材料、通風(fēng)空腔、相變材料散熱器，對比普通屋頂來說，PV-PCM屋頂在冬季時能夠降低建筑本身大約30%熱負荷，夏季則可降低大約50%冷負荷，其儲能效果良好，但是因通風(fēng)效果差、承壓能力低等問題導(dǎo)致其難以推廣使用。

3.3 相變蓄熱與供暖結(jié)合

就相變熱泵系統(tǒng)來說，劉旭飛等針對我國很多的寒冷區(qū)域，提出了一種相對完善的溫度空氣源熱泵系統(tǒng)，全工況區(qū)域內(nèi)新型制熱性能系數(shù)COP，處于15℃環(huán)境溫度時，COP取值4.8；環(huán)境溫度取值-30℃時，COP取值1.8，該種環(huán)境下，空氣源熱泵具備較高的運行能效，促進了熱泵機組寒冷區(qū)域的經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定運行。而熱泵系統(tǒng)與PCMs集合，具備無污染、高效特點，然而初始投入成本高、體積大、維修難度高，使得相變熱泵系統(tǒng)難以得到廣泛應(yīng)用。

就相變輻射采暖來說，呂石磊等提出全封閉式熱輻射地暖管，并在其內(nèi)管與電容外管間充填PCMs，在建筑內(nèi)溫度上升時，能夠持續(xù)吸收建筑內(nèi)熱量，而在溫度降低時，則會釋放先前儲存的熱量，較大程度實現(xiàn)了寒冷季節(jié)供熱進程中移峰填谷、室溫自動調(diào)節(jié)功能。Jin等提出具備供冷、供熱性能的地板輻射采暖系統(tǒng)，其裝設(shè)了雙層蓄能地板，并具備差異化的相變溫度，分別承擔(dān)著蓄熱、蓄冷功能，而在進行系統(tǒng)的研究之后得出，對比一般材料的地板輻射系統(tǒng)，能夠多釋放冷量與熱量37.9%與41.1%[6]。

4 結(jié)束語

文章對相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進展進行了論述與分析，強調(diào)了該種材料對于建筑節(jié)能的有效性。要求建筑企業(yè)在推進節(jié)能建筑進程中，優(yōu)先選擇相變蓄熱材料，并結(jié)合相應(yīng)的建筑技術(shù)以發(fā)揮其全部功效，此外要求對其研究現(xiàn)狀與研究進展進行細致分析與掌握，以此來保障相變蓄熱材料的應(yīng)用不會對建筑本身產(chǎn)生影響，使其力學(xué)性能、美學(xué)特征等滿足基本需求，如此才可促進相變蓄熱材料廣泛應(yīng)用。