相變儲能材料在住宅工程中的應(yīng)用

摘 要：在國家大力推廣綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展理念的背景下，綠色建筑材料在住宅工程施工中的應(yīng)用日益廣泛。本文以某綠色住宅示范項(xiàng)目為例，探討了相變儲能材料在建筑外墻、屋面、門窗以及智能溫控系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。通過在外墻中嵌入相變儲能材料提高墻體的隔熱保溫性能、在屋面綠化基質(zhì)中摻入相變儲能材料增強(qiáng)屋面的隔熱蓄熱效應(yīng)、在門窗中內(nèi)置相變儲能層改善門窗的保溫隔熱性能，以及將相變儲能材料與智能溫控技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)建筑的主動節(jié)能和被動調(diào)溫等措施，有效改善了建筑的能源利用效率和室內(nèi)熱環(huán)境品質(zhì)，為同類綠色建筑項(xiàng)目提供了實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：綠色建筑材料；住宅工程施工；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；相變儲能材料

1 工程概況

以某綠色住宅示范項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)，總建筑面積約為50000 m2，由6棟18層的高層住宅和1棟2層的公共服務(wù)設(shè)施組成。項(xiàng)目從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就秉承綠色建筑理念，以降低能耗、節(jié)約資源、提供健康舒適的居住環(huán)境為目標(biāo)，在建筑材料的選用上嚴(yán)格把關(guān)，積極采用新型綠色建筑材料。

2相變儲能材料在住宅工程施工中的應(yīng)用

2.1相變儲能材料的特性及優(yōu)勢

相變儲能材料是一類新型的節(jié)能環(huán)保建筑材料，其憑借獨(dú)特的熱物理特性和卓越的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，在住宅工程施工中得到了廣泛應(yīng)用。從熱物理特性來看，相變儲能材料具有較高的潛熱儲能能力，能夠在相變過程中吸收或釋放大量的熱量，從而有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，削減溫度波動，提高熱舒適性[1]。與傳統(tǒng)材料相比，相變儲能材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較大的熱阻，這些獨(dú)特的熱物理特性使其在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。較低的導(dǎo)熱系數(shù)意味著相變儲能材料能夠有效阻隔熱量在建筑內(nèi)外之間的傳遞，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，從而達(dá)到良好的隔熱保溫效果，有助于維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。較大的熱阻則進(jìn)一步強(qiáng)化了這一保溫性能，使得建筑物能夠更好地抵御外界溫度的影響，降低能量損耗。同時(shí)，相變儲能材料的密度和比熱容與常規(guī)建筑材料較為接近，這有利于其與建筑結(jié)構(gòu)的集成與匹配，便于在施工過程中的應(yīng)用，并且不會對建筑物的整體性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2相變儲能材料在外墻中的應(yīng)用

在該綠色住宅示范項(xiàng)目中，相變儲能材料在外墻構(gòu)造中得到了廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在外墻設(shè)計(jì)時(shí)采用了保溫裝飾一體化外墻系統(tǒng)，將相變儲能材料與傳統(tǒng)保溫材料進(jìn)行復(fù)合，形成多層結(jié)構(gòu)，有效提升了外墻的熱工性能[2]。具體來看，外墻系統(tǒng)從內(nèi)到外依次為：200 mm加氣混凝土砌塊、20 mm抹灰層、60 mm相變儲能材料層（采用相變溫度為23℃的脂肪酸/酯類材料）、20 mm抹灰找平層，以及5 mm飾面磚。其中，相變儲能材料嵌入保溫板內(nèi)，通過鋁箔復(fù)合膜包裹，與基層粘結(jié)牢固。經(jīng)過對比測試，添加相變儲能材料后，外墻傳熱系數(shù)K由0.52 W/（m2·K）降低至0.31 W/（m2·K），熱阻R由1.92 （m2·K）/W提高到3.23 （m2·K）/W，降溫速率從2.1℃/h減緩至1.3℃/h，外墻內(nèi)表面溫度波動幅度從8.2℃收窄到4.5℃。

此外，在施工過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對相變儲能材料的鋪設(shè)工藝進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新。傳統(tǒng)工法中，相變儲能材料多采用板狀直接粘貼于基層，容易出現(xiàn)空鼓、開裂等問題。而本項(xiàng)目改進(jìn)了粘結(jié)方式，在相變儲能層與抹灰層之間設(shè)置柔性連接件，既保證了粘結(jié)強(qiáng)度，又降低了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高了外墻的安全性和耐久性。同時(shí)，施工中還加強(qiáng)了相變儲能材料性能的現(xiàn)場檢測，通過熱流計(jì)、紅外熱像儀等設(shè)備，對材料的導(dǎo)熱系數(shù)、相變溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測定，確保其與設(shè)計(jì)值相符；對成品外墻進(jìn)行季節(jié)性能測試，考察其在實(shí)際氣候條件下的調(diào)溫效果和能耗情況，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反饋，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)（表1）。

2.3相變儲能材料在屋面中的應(yīng)用

在本項(xiàng)目中，采用種植屋面形式，在結(jié)構(gòu)板上設(shè)置隔熱、防水、排水、蓄水等功能層，并在綠化基質(zhì)中摻入相變儲能材料，形成了集保溫、調(diào)濕、隔熱、美化環(huán)境于一體的復(fù)合型屋面系統(tǒng)。具體構(gòu)造上看，屋面自下而上依次為：160 mm鋼筋混凝土板、20 mm滲透型聚氨酯防水涂料、60 mm泡沫玻璃保溫隔熱層、40 mm碳化聚苯乙烯排水板、土工布、100 mm～150 mm摻入相變儲能材料的超級土壤基質(zhì)以及地被植物。其中，相變儲能材料采用工業(yè)級十六烷基棕櫚酸和石蠟的復(fù)合物，相變溫度為25℃左右，潛熱儲能量132 kJ/kg，通過干法混合工藝與基質(zhì)充分混合，體積比為1：4，再均勻鋪設(shè)于屋面綠化基質(zhì)層內(nèi)。這種基質(zhì)摻和法既可充分發(fā)揮相變儲能材料的潛熱調(diào)溫效應(yīng)，又能避免其成板鋪設(shè)帶來的運(yùn)輸、吊裝、固定等問題。通過紅外熱成像分析，摻入了相變儲能材料的屋面基質(zhì)層在夏季白天的表面溫度比未摻入的降低5℃～8℃，而夜間則升高3℃～5℃；設(shè)備間內(nèi)頂棚表面日溫差從12℃降至4℃，熱舒適性顯著改善。經(jīng)測算，屋面綠化基質(zhì)摻入30%的相變儲能材料后，其對屋面?zhèn)鳠岬哪晗鳒p量可達(dá)到11.2%。同時(shí)，針對種植屋面的防水和排水需求，項(xiàng)目還在相變儲能層上增設(shè)了聚氨酯防水涂料和排水板，各細(xì)部構(gòu)造與主體屋面連接或轉(zhuǎn)折的部位還設(shè)置了嵌入式止水條，在保證屋面絕對防水的同時(shí)，提高了相變儲能材料的耐久性，避免其因長期浸水而失效（表2）。

總之，本項(xiàng)目對傳統(tǒng)種植屋面進(jìn)行升級改造，將新型材料與植被、基質(zhì)有機(jī)結(jié)合，在發(fā)揮隔熱、保溫、調(diào)濕等熱工性能的同時(shí)，很好地契合了屋面綠化的景觀效果和生態(tài)功能，為建筑屋面節(jié)能與微氣候改善提供了新思路、新方法[3]。

2.4相變儲能材料在門窗中的應(yīng)用

在該綠色住宅示范項(xiàng)目中，考慮到門窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱損失較為嚴(yán)重的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選用了內(nèi)置相變儲能層的復(fù)合門窗，在提供良好采光、通風(fēng)和視野的同時(shí)，大幅提升了門窗的保溫隔熱性能。具體而言，本項(xiàng)目采用的復(fù)合窗由6 mm Low-E中空玻璃、12 mm相變儲能層以及6 mm超白玻璃組成，鋁合金窗框內(nèi)嵌32 mm寬的相變儲能條，推拉窗扇與窗框之間嵌入Ω形硅橡膠條以密封。其中，相變儲能材料為石蠟和十八酸的共晶體，相變溫度26℃，相變潛熱186 kJ/kg，熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)溫差小于1℃，經(jīng)過6000次循環(huán)測試，性能穩(wěn)定。材料通過真空浸漬工藝固化成型，并用雙層鋁箔覆膜包裹，防止泄漏和潮解。經(jīng)檢測，配備相變儲能層的復(fù)合窗的傳熱系數(shù)K值為0.9 W/（m2·K），年供熱和空調(diào)能耗較普通Low-E中空玻璃窗分別降低18%和12%，室內(nèi)表面溫度波動幅度不超過2℃；相變儲能材料層對太陽輻射的隔熱率高達(dá)62%，夏季遮陽系數(shù)可達(dá)0.48，冬季采光系數(shù)保持在0.62以上，實(shí)現(xiàn)了遮陽、采光、保溫的動態(tài)平衡（表3）。

此外，針對門窗的氣密、水密性能，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。在窗框與墻體、窗扇與窗框的接縫處增設(shè)三道EPDM高耐候密封條，提高了門窗的嚴(yán)密性；在窗框與相變儲能材料層之間注入聚氨酯微泡填充劑，增強(qiáng)了框料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；對窗框、窗扇與玻璃進(jìn)行了二次加強(qiáng)固定，并采用內(nèi)平開內(nèi)倒式開啟方式，做到了良好的密閉性和水密性。經(jīng)測試，門窗滲水等級達(dá)到S8，空氣滲透性能達(dá)到4級。

總之，該項(xiàng)目充分借鑒了相變儲能材料在門窗領(lǐng)域的前沿研究成果，通過材料優(yōu)選、構(gòu)造創(chuàng)新、性能測試等系列工作，研發(fā)出了兼具保溫、隔熱、遮陽、氣密等多重功能的復(fù)合門窗，改善了室內(nèi)熱環(huán)境品質(zhì)，降低了空調(diào)供暖能耗，為建筑門窗的節(jié)能升級提供了新的思路和范例[4]。

2.5相變儲能材料在智能溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在該綠色住宅示范項(xiàng)目中，相變儲能材料在智能溫控系統(tǒng)中得到了創(chuàng)新性應(yīng)用。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將相變儲能材料與傳統(tǒng)的溫控設(shè)備進(jìn)行了有機(jī)集成，研發(fā)出了一套節(jié)能、舒適的自適應(yīng)智能溫控系統(tǒng)。具體來看，該系統(tǒng)以嵌入式相變儲能模塊為核心，通過與溫度傳感器、濕度傳感器、人體紅外傳感器等設(shè)備的聯(lián)動，實(shí)時(shí)感知室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和人員活動狀態(tài)，并依據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法，自動調(diào)節(jié)相變儲能材料的蓄放熱過程，從而達(dá)到動態(tài)調(diào)溫、被動調(diào)濕的目的。在材料選擇上，系統(tǒng)采用了相變溫度為23±1℃、潛熱儲能量為175 kJ/kg的脂肪酸/酯類材料。該材料熱穩(wěn)定性好，循環(huán)壽命長，與建筑材料兼容性強(qiáng)，安全無毒，且成本適中。儲能模塊采用鋁合金外殼，內(nèi)部填充高導(dǎo)熱石墨基質(zhì)，形成蜂窩狀儲能結(jié)構(gòu)，尺寸為450 mm×350 mm×30 mm，每個(gè)房間設(shè)置3～5個(gè)模塊，嵌入墻體或吊頂內(nèi)，與送風(fēng)系統(tǒng)連接。

在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)室溫低于22℃時(shí)，相變儲能材料處于固態(tài)，模塊向室內(nèi)釋放熱量，提升室溫；當(dāng)室溫超過24℃時(shí)，材料熔化為液態(tài)，吸收室內(nèi)多余熱量，降低室溫。材料在固-液相變過程中，溫度恒定，熱量吸放緩慢，可有效削峰填谷，維持室溫在23±1℃范圍內(nèi)波動。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，該智能溫控系統(tǒng)可使室溫日波動幅度從6.5℃降至2.3℃，熱舒適度提升35%。同時(shí)，由于減少了制冷、制熱設(shè)備的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，年空調(diào)能耗下降28%，節(jié)能效果顯著。此外，得益于相變儲能材料的調(diào)濕特性，該系統(tǒng)在維持恒溫的同時(shí)，還能夠自動調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。一方面，材料在吸熱熔化時(shí)，可蒸發(fā)一定量的水分，降低空氣濕度；另一方面，材料在放熱凝固時(shí)，又可吸附空氣中的水汽，防止室內(nèi)干燥。經(jīng)測試，在系統(tǒng)運(yùn)行后，室內(nèi)相對濕度維持在40%～65%的最佳范圍內(nèi)。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

3結(jié)論

綜上所述，文章以某綠色住宅項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述了相變儲能材料在建筑外墻、屋面和門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)踐。通過優(yōu)化構(gòu)造做法、創(chuàng)新施工工藝、加強(qiáng)性能檢測等系列舉措，項(xiàng)目充分發(fā)揮了相變儲能材料在調(diào)溫、保溫、隔熱等方面的優(yōu)勢，顯著提升了建筑的節(jié)能環(huán)保水平和室內(nèi)熱環(huán)境品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉超（1977.10-），男，漢族，遼寧昌圖人，本科，中級工程師，研究方向：建筑施工。