相变蓄热材料在节能建筑的应用

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摘要：相变蓄热材料是一种全新形式的化学材料，在一定温度时借助放出与吸收能量来进行相变化，完成热量释放与储存。该种材料对比一般蓄热材料来说有着明显的优势，基于此，很多建筑行业管理人员选择将该种材料合理应用在节能建筑领域，以降低建筑的使用成本与维护成本，并满足国家的环保要求。就相变蓄热材料概述、相变蓄热材料在节能建筑领域的应用与研究进展进行了论述与分析。

关键词：相变蓄热材料；节能建筑领域；应用；研究进展

实现相变蓄热材料在节能建筑领域的应用，并探究其研究进展，一定程度上提升了建筑本身的节能效果，除了发挥其本身蓄能量大的优势之外，还可利用其结晶温度与融化温度接近的特点，使其广泛应用在冷却、加热方面。且要求建筑企业相关技术人员在应用其进程中对其应用效果进行监察与总结，以此来优化其应用方式，实现更高程度的节能效果。

1相变蓄热材料概述

相变蓄热材料（以下简称PCMs）是一种可进行热能储存的全新形式的化学材料，在指定温度下放出或者吸收热量进行物相变化来进行热量的释放与储存。按照化学成分差异化，一般选择将相变蓄热材料分为复合类、有机类相变材料，对比一般蓄热材料来说，其有着热稳定性好、存储密度高、热容大的优势。相变蓄热材料的研发以及应用，自纯溶液起，至二元溶液→三元溶液→复合PCMs，我国当前研究的相变蓄热材料主要集中在Na2SO4·10H2O领域，部分研究人员在针对基站机房房温问题，选择以Na2SO4·10H2O为基础制作相变蓄热材料，对导热系数、储热密度、相变温度等实施优质改良，合理控制了机房温度[1]。而按照相变温度来进行划分，主要包括低温、中温、高温相变蓄热材料，在应用到节能建筑领域时，一般以中温与低温相变蓄热材料为主，常见的相变蓄热材料包括脂肪酸、石蜡、熔融盐等，其储热方式包括热化学储热、潜热蓄热、显热蓄热。显热蓄热又称相变蓄热，是特定材料在固-液-气之间互相转换，散发或者吸取热能。水自液态→固态，其相变焓值达到335J/kg。经过系统的实践证明，水处于固液态相变时释放/吸收等焓值大概等同于1kg液态水自0℃升温至80℃所需的能量，因此能够得知，相变蓄热材料不但能够大量蓄能，而且能够有效调节室内居住舒适度[2]。

2相变蓄热材料在节能建筑领域的应用

2.1相变蓄热地板

相变蓄热地板属于一种全新形式的节能地板，健康、环保、结构简单，对比传统形式的暖气片优势明显。建筑行业出现的一种超低能耗示范楼选择的即是形状固定的储能原材料代替普通材料，填充至普通地板中，在白天温度很高时，阳光会透过窗扇、玻璃幕墙，然后以辐射热能的形式储蓄在储能原材料中，到了晚上，相变蓄热材料会进行相变，朝着室内散发储蓄的热能，以此来降低室内温度波动。根据以往实验结果显示，蓄热地板可将建筑内部温度波动限制在6℃以内[3]。

2.2相变蓄热屋顶

选择膨胀珍珠岩/石蜡复合相变蓄热复合材料，混合进建筑砂浆中，用于建筑屋顶，综合其应用结果显示，该种形式的建筑屋顶在降低建筑内外导热与传热效率的同时，对于维持建筑内部温度有着极好的效果。此外相变材料亦会广泛应用于天花板装饰，比如华盛顿大楼建设时选择相变蓄热材料建设的分子工程大楼，天花板选择的相变材料属于无毒植物凝胶范畴，填充在塑料小方格，装置在办公室天花板中。该种形式的蓄热天花板在大概23℃时会吸热融化，并在同等温度下冻结，这在抑制建筑内部温度波动的同时，将被动冷却空间愈加舒适。

2.3相变蓄热墙体

石膏是一种比较常见的建筑材料，其对整体工程建设具备相应的指导作用，混合石膏与相变蓄热材料，将其应用于墙体建筑中，能够使得建筑维护结构具备相应的调温特性与调湿性能。Becker等系统化研究了黏贴相变石膏板在外墙内侧对传统实体建筑与地中海气候区轻质建筑，发现其在轻质建筑中有着最佳的应用效果，能够达到57%的节能效果，且认为选择该种墙体时应当综合考虑夜间通风以及建筑类型。而就相变Trombe墙体来说，其具备自然通风能力，标准工作原理如下所示：在夏天白天天气热时，将太阳集热墙上面顶风口打开，相变Trombe墙体会吸收围护结构位置的太阳能辐射，此时蓄热材料会融化，并在热压驱动下，背阳面会有冷风流动，并且室内空气会借助太阳能通风管道朝着室外排出，室内持续换气，携带出维护结构与建筑内的热能，并储存相变墙冷量。在冬季时将室外通风口关闭，相变Trombe墙体会将照射进来的太阳能吸收并储存，墙体加热空气之后送入室内，热空气在此进程中形成建筑内循环，并储存热量。在初冬温度上升时，相变Trombe墙体通风口开启，热墙在接受太阳能后加热通道空气，在热压作用下建筑内部空气流程重新构成新风循环[4]。

2.4相变蓄热表面涂料

按照热能传热基本方式，可将涂料分为辐射型、反射型、阻隔型，而在建筑节能领域选择应用的一般是反射型、隔断型涂料。其中张璐丹等将研制的立邦涂料与相变微胶囊按照1∶1混合，并在两个房间实施了比较实验，房间阳光朝向、强度、面积等完全相同，在一个房间粉刷立邦涂料与相变微胶囊混合涂料，另一个房间粉刷立邦涂料，厚度都控制在3mm左右。结果显示，混合涂料房间整体最大空气温度对比另一个房间降低了6℃左右，最小温度高了2.2℃，最大节能效率提升26%。杨保平等以四乙基戊胺与2,4-甲苯二异氰酸酯为壁材制造了相变焓、相变温度分别为65.5kJ/kg、19.2℃的微胶囊，混入相应防腐涂料，提升其防腐性能的同时，具备相应的温度调节能力。相变蓄热微胶囊在当前的涂料中具备相对有效的控温效果，但是因制备复杂、耗资较多，严重限制了其在节能建筑领域的有效应用。

3相变蓄热材料在节能建筑领域的研究进展

3.1相变蓄热地板研究进展

Royon等在研究相变蓄热地板时发现，当前选用的轻型蓄热地板容量不高，即便是在夏季高温季节也很难得到最佳舒适情况。因此以此为基础，设计出了长宽高分别为28cm、28cm、3.75cm的混凝土的地板，并在水平地板侧边打出直径、长度分别为2.5cm、28cm的形状为圆柱体的空腔，共计8个，再将相变蓄热材料装在这些空腔中，其后对蓄能地板实施加热-冷却试验，对比普通地板来说，该种相变蓄热地板降低了2℃左右的室内温度，且热舒适性有所提升[5]。

3.2相变蓄热屋顶研究进展

郑雨蒙等通过二维数值模拟的方式分析了石蜡玻璃屋顶，对比传统形式的空气玻璃屋顶来说，该种蓄热屋顶在东北冬季、过渡季、夏季节能率大致保持在26.64%、59.57%、26.64%左右，因此建议石蜡玻璃屋顶应当控制在9~12mm。此外，Kosny等为降低屋顶热负荷与热桥质量，设计并应用了光伏-相变材料屋顶（PV-PCM），其涵盖了隔热材料、通风空腔、相变材料散热器，对比普通屋顶来说，PV-PCM屋顶在冬季时能够降低建筑本身大约30%热负荷，夏季则可降低大约50%冷负荷，其储能效果良好，但是因通风效果差、承压能力低等问题导致其难以推广使用。

3.3相变蓄热与供暖结合

就相变热泵系统来说，刘旭飞等针对我国很多的寒冷区域，提出了一种相对完善的温度空气源热泵系统，全工况区域内新型制热性能系数COP，处于15℃环境温度时，COP取值4.8；环境温度取值-30℃时，COP取值1.8，该种环境下，空气源热泵具备较高的运行能效，促进了热泵机组寒冷区域的经济、安全、稳定运行。而热泵系统与PCMs集合，具备无污染、高效特点，然而初始投入成本高、体积大、维修难度高，使得相变热泵系统难以得到广泛应用。就相变辐射采暖来说，吕石磊等提出全封闭式热辐射地暖管，并在其内管与电容外管间充填PCMs，在建筑内温度上升时，能够持续吸收建筑内热量，而在温度降低时，则会释放先前储存的热量，较大程度实现了寒冷季节供热进程中移峰填谷、室温自动调节功能。Jin等提出具备供冷、供热性能的地板辐射采暖系统，其装设了双层蓄能地板，并具备差异化的相变温度，分别承担着蓄热、蓄冷功能，而在进行系统的研究之后得出，对比一般材料的地板辐射系统，能够多释放冷量与热量37.9%与41.1%[6]。

4结束语

文章对相变蓄热材料在节能建筑领域的应用与研究进展进行了论述与分析，强调了该种材料对于建筑节能的有效性。要求建筑企业在推进节能建筑进程中，优先选择相变蓄热材料，并结合相应的建筑技术以发挥其全部功效，此外要求对其研究现状与研究进展进行细致分析与掌握，以此来保障相变蓄热材料的应用不会对建筑本身产生影响，使其力学性能、美学特征等满足基本需求，如此才可促进相变蓄热材料广泛应用。

作者：周治州 龙清为 单位：中建二局第一建筑工程有限公司