相变材料在建筑节能中的应用研究

　　摘要：相变材料在特定温度下发生相态变化，随着相态变化而吸收或放出热量，从而储存和释放能量。介绍了相变材料近年来在建筑砂浆、石膏板、混凝土、地板以及在建筑物制冷供暖系统中的应用。

　　关键词：相变材料；建筑节能；机理

　　0引言

　　随着城镇化的快速发展和生活条件的改善，近年来，建筑能耗增长较快，约占到社会能耗总量的30%～40%[1]。研发和应用节能型建筑材料具有重要意义，相变储能材料具有相变潜热的特殊性能，在发生相变的过程中可以吸收或释放大量的热量，借此可以在一定程度上实现建筑系统的能量储存与利用，从而可以解决建筑系统的能量供需在时间和空间上不匹配的问题，提供了一种建筑能源的绿色节能的管理方式，正在受到越来越多的关注。本文着重介绍了相变材料的分类、制备流程、发挥作用的机理以及在建筑节能中的应用情况与研究进展。

　　1相变材料的制备

　　1.1相变材料的分类

　　相变材料，简称PCMs，其发挥作用的机理是特定的材料在一定温度区间发生不同相态（气-液-固）间的转变时，从环境中吸收或释放巨大的热量来存储或释放能量，从而调节相变材料所在周围的局部环境温度，提高系统能源的利用效率。相变材料可以分为有机类（烷烃类、羧酸类、酯类、醇类等）、无机类（结晶水合盐、熔融盐、金属等）和复合类（无机-无机、有机-有机、无机-有机）相变材料，具体材料性能见表1。从相变材料的相态变化方式出发，可根据其气液固三态的变化方式进行分类，其中，固-固和固-液相变材料的使用较多[2]。

　　1.2相变建筑材料的制备方法

　　关于相变材料与建筑材料的复合制备方法主要有以下几种：（1）直接加入混合法，即直接将相变材料与建筑材料（如砂浆和石膏）进行混合，此类方法的工艺简单且成本较低；（2）浸渗法，即将建筑材料浸泡在液体相变材料中，利用建筑材料本身的毛细作用来吸附相变材料，一般用于制备围护结构，如石膏板，建筑墙砖；（3）微胶囊封装法，即用微型胶囊结构将相变材料包裹在其中，然后再掺入到砂浆、石膏等建筑材料中，这种方法具有降低相变材料对外界的反应性能，增大能量传递的接触面和控制发生相态变化时材料颗粒的体积改变程度等优点；（4）多孔材料吸附法，即利用多孔材料（如硅藻土、膨胀珍珠岩等）为载体吸附相变材料，进而应用到建筑材料中[3]。

　　2相变材料在建筑中应用

　　建筑行业是相变材料的一个重要应用领域，考虑到建筑的使用性能，相变材料应能满足一定的基本条件，如材料环保（对人体健康无害）、相变温度在适宜人体生活温度区间、具有足够大的相变潜热、成本较低等。随着相变材料的快速发展，相变复合材料已开始应用于石膏、砂浆等建筑材料和制冷供暖系统中。

　　2.1建筑石膏板

　　随着经济发展和人们生活水平的提高，石膏板已经成为室内装潢时的重要选项。建筑的热量传导主要包括建筑物导热、空气对流和热辐射，在室内能量的传递中，建筑物导热占有较大比例。因此，采用相变材料减少室内建筑结构热传导对提高能源利用率具有显著作用。相变材料近几年在石膏板中的应用也受到了更多的重视。冯菊莲和陈红霞[4]阐述了相变石膏板在建筑领域中的应用，并进行了相变石膏板与普通石膏板间的对比实验，结果表明，在夏季环境下（温度较高的环境），与普通石膏板建造的样板间相比，使用相变石膏板可使样板间内的温度大约降低4℃；在冬季环境下（温度较低的环境），在相同的取暖设备、设定相同的温度和测试时间条件下，与普通石膏板建造的样板间相比，使用相变材料石膏板可使样板间耗电量降低约22%，显著地减少了建筑能耗，提高了建筑能源的利用率。与之相似，ConradVoelker等[5]将通过微胶囊封装技术制备的相变材料加入石膏板中，制备成相变材料墙体，并建立2个相同环境条件的测试样板间，一个采用相变材料石膏墙体，另一个是由普通石膏板制成的墙体，同样验证了相变材料石膏墙的保温节能效果。

　　2.2建筑砂浆

　　相变保温砂浆是由水泥砂浆与相变材料混合而成，在与水泥混合之前，相变材料要经过载体吸附和封装包覆，经过一系列制备流程后的混合砂浆还要制成涂层用于建筑物墙面（见图1），其具有较好的储能调温节能作用。其中，负载相变材料的载体主要包括膨胀珍珠岩等多孔矿物材料，然后经过封装包覆，不然会出现泄露的情况，影响相变材料的性能。相变储能材料在建筑砂浆中的应用可减小室内温度的波动，从而减少空调等制冷设备的能耗，巴斯夫公司最早利用相变微胶囊制备了相变保温砂浆，并应用于内墙表面。张巨松等[6]使用温度曲线法，采用饱和脂肪酸为原材料，制备了一种新型复合相变材料，并对其以膨胀珍珠岩为母体进行了包封，进而与砂浆混合，制备出了相变砂浆。通过测试发现，制备的复合相变材料的相变潜热为150kJ/kg，相变砂浆的相变温度为19～26℃，相变砂浆比热容是普通砂浆的2倍左右，相变砂浆的调温功能明显优于普通砂浆。

　　2.3混凝土

　　由于混凝土是热的显著不良导体，在混凝土发生水化的过程中，混凝土内部温度升高过快，内外较大的温差容易导致混凝土出现裂缝，对建筑工程的质量产生一定的影响，所以必须做好混凝土水化过程的温度控制，而相变材料具有较大的相变潜热，能够减缓混凝土水化过程中温度的剧烈变化，如图2所示。另外，混凝土是重要的建筑材料，对整个建筑的节能效果至为重要，在混凝土中通过一定的技术手段加入适量的相变蓄能材料可以极大地改善墙面等维护结构的调温性能。史巍等[7]在混凝土中混入石蜡，制备了相变材料混凝土，然后对比了相变混凝土的性能参数发现，石蜡的加入减慢了混凝土内部的温度变化速率，这就从根本上防治了混凝土的热应力开裂问题。另外，石蜡属于典型的疏水材料，加入石蜡可提高混凝土的抗渗性能。张东等[8]以多孔材料为载体吸附相变材料制备了相变材料骨料，再将相变骨料混入到混凝土中，相变混凝土的储热性能良好，符合实际生产的要求。

　　2.4建筑地板

　　相变地板是一种新型的节能地板，其具有舒适度好、绿色节能等诸多优点，与传统的地板相比，复合相变地板是一种新型的建筑节能材料。我国某超低能耗示范楼就采用的复合相变地板，白天温度较高时，热能储存于地板相变材料中，晚上温度较低时，相变材料发生相反方向的相变，进而向室内释放热能，从而减弱室内温度波动区间。测试结果表明，在相变材料地板的作用下，室内温度波动范围稳定在5℃内。DevauxP和FaridMM[9]构建了实验箱用来模拟建筑房间内的环境，它们使用电热源来模拟地板辐射供暖系统，其中的一个实验组在地板辐射供暖系统中直接植入1层相变材料，如图3所示，另一组则采用普通地板结构，对这2个实验组进行模拟计算，结果表明，与采用普通地板结构的实验组相比，装入相变材料层的实验组的节能率约高达32%。

　　2.5建筑能源设备系统

　　建筑能源设备系统是建筑能源系统的重要组成部分，由于建筑能源设备（如供暖和制冷系统）的能源利用率低，进而增加整个建筑能源设备系统的能耗。建筑设备系统的节能是主动式建筑节能方式的重要体现方式，为了提高建筑能源设备系统对能源的利用率，相变材料在建筑设备中被广泛的应用，最主要的应用包括空调制冷、供暖系统和热泵系统。

　　相变材料制冷系统，BejaranoG等[10]提出一种基于相变材料的新型储能系统，该新型储能系统充分考虑了现实需求和设备的低成本问题。将大量的相变微胶囊置于该新型储能系统内，当系统制冷时，流动的制冷剂会吸收相变微胶囊中的储存热量而蒸发，从而一定程度上提高了整个系统的能效比。相变材料和太阳能空调的配合使用，可以有效缓解太阳能空调运作的间歇性问题。相变材料辐射采暖，吕石磊和唐晓磊[11]将相变储能材料填充于地暖管的外管和内管之间，研制了一种新型封闭式地暖散热管，它在室温升高时吸收室内多余的热量，在室温降低时释放储存的热量，实现了建筑物供热时的峰谷调节和自动调节室温的功能。

　　3展望

　　不难发现和预测，在经济发展迅速、社会美好和谐的大时代环境下，人们对绿色的生活环境与条件有着更高的要求，随着节能意识加强，相变材料将大有可为。相变材料与建筑材料和设备的综合应用可以显著提高能源利用率，降低建筑能耗，并提高人类生活居住环境的舒适度，相变建筑材料符合我国的绿色发展方向。但仍有一些问题需要持续的研究，如相变材料自身的物理性质，自身的疲劳度和寿命问题；成本问题，相变材料的制备技术和价格成本较高，它的全面和广泛的应用具有一定的经济瓶颈，这就需要广大研究人员不断优化相变材料的制备流程，降低成本；相变材料的环保问题，相变材料尽可能选取绿色环保可降解原料。