浅谈相变材料在建筑中的应用

陈　璨

[摘要]相变材料的应用是实现建筑节能的有效措施。阐述相变材料应用于建筑中的条件，介绍相变材料与普通建材结合的方法，剖析相变建材的应用研究现状，并对相变材料在建筑中应用的前景进行分析。

[关键词]相变材料 节能

中图分类号：TU5文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420084－01

一、引言

目前，能源问题已经成为世界性的问题。建筑耗能是能源浪费的一个重要方面，全世界有30％的能源消耗在建筑物上。研究一种节能建筑材料成为必然。相变材料（Phase Change Materials，简称PCM）是近年来材料科学和节能技术中一个研究方向．在材料的相变期间，吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境释放出热（冷）量，从

而可以控制材料周围环境的温度。[1]因此，将相变材料合理地应用与建筑领域，必将大大减少能源消耗。

二、相变材料应用于建筑的条件

目前，已发现的相变材料已有几万种，但并不是每一种PCM都可以应用在建筑中。PCM在建筑中的应用需要具有以下条件[2]：（1）具有良好的热传导系数；（2）相变过程可逆性好；（3）无毒、无腐蚀、无泄漏、防火、不污染环境；（4）相变过程可靠性好，使用寿命长，一般要求达到50年以上；（5）相变温度合适，适合于该地域的气候特征和接近人体的舒适温度；（6）与建筑材料相容，不影响建筑材料的机械性能和强度。在实际应用中采取适当的措施克服各种相变材料的缺点，使之适合人类生活环境。

三、相变建筑材料的生成方法

相变材料与普通建材以一定的方式结合即可生成相变建筑材料。通常有一下几种结合方式。

（一）直接混合法

将相变材料直接与建材基体混合。直接加入法便于控制PCM的加入量，用于固一固相变材料，工艺简单，性质更均匀，更易于做成各种形状建筑构件。FeldmanI把21％～22％的工业级硬脂酸丁酯直接加入到传统的石膏板中制成了储能石膏板。

（二）浸泡法

通过浸泡将相变材料渗入多孔的建材基体中。浸泡法工艺简单，易于使传统的建筑材料要求变成相变蓄能围护结构材料，可对成品建筑材料进行处理。据Athienitis A．K[3]等报道，利用浸入了硬脂酸丁酯的相变墙板，可使房间的最高温度下降4℃。

（三）封装法

在直接加入前用不同材料、形状和大小的胶囊封装PCM。封装包括大体积封装和微体积封装。大体积封装是将相变材料装入管件、球体、板状容器或其他容器中；微观封装就是将小的球形或杆形的PCM颗粒封装在薄的高分子聚乙烯膜中，然后再加入基材。目前，相变材料与建筑材料复合工艺中较为经济可行的方法是采用多孔颗粒材料作相变材料载体制备“能量微球”，可以利用的多孔颗粒材料如膨胀珍珠岩、膨胀黏土材料和粉煤灰膨胀材料等。多孔颗粒将相变材料分隔开来，能够较好地封装储存，且多孔颗粒的价格较低，可以降低整个“能量微球”的价格，从而降低单位热能储存费用。

四、相变建筑材料的应用现状

（一）相变蓄能围护结构

把相变材料与建筑围护结构结合，即制成相变蓄能围护结构（Phase Change Energy StorageBuilding Envelope，缩写为PCESBE），用于建筑物室内温度的调控。相变蓄能围护结构可蓄热能力强，在夏季可衰减建筑物室内和室外之间的热流强度波动幅度，延迟室内气温峰值出现的时间，从而提高建筑物的温度自调节能力和改善室内热环境，达到降低空调耗电量和提高室内热舒适的双重目的。

Neeper[4]对含有脂肪酸和相变石蜡的石膏板的热动力特点进行了研究，分别分析了储能材料的相变温度、相变温度的变化范围和相变潜热大小对石膏板储能量的影响，认为当相变材料的相变温度接近于室内平均温度时，储能量有最大值，材料相变时的温度变化范围越大，则储能量越小；对于实际的储能墙体材料，其日最大储能量为400k／m。[5]

（二）相变温控混凝土

把相变材料与大体积混凝土结合，制成相变温控混凝土（Phase Change andTemperature Selfcontrol Concrete，缩写为PCTSC），用于调整反应过程的温度。[6]相变温控混凝土能有效降低混凝土内部温升速率、延缓温度峰值出现时间。目前，相变材料用于大体积混凝土仅仅是具有技术可行性。相变温控混凝土尚处于理论研究阶段。[7]

Hawes等人、Hawes和Feldman。[8]综述了有机PCM（硬脂酸丁酯、十二醇、石蜡）在各种建筑水泥中的热性能和吸收特性，分析了水泥的碱度、温度、湿度、粘性、吸收面积和压力等因素对相变材料吸收过程的影响，同时研究了吸收机理；得出了PCM在水泥中的吸收常数，从而可以通过改变PCM 的量制成所需的相变储能混凝土。

五、应用前景

相变储能建筑材料作为一种新型建筑功能材料，其应用，不但可以有效降低建筑能耗，同时也为太阳能等低成本清洁能源在供暖、空调系统中的应用创造了条件，在节能、储能方面都有着良好的应用前景。随着人们对建筑节能问题的日益重视，相变储能建筑材料的应用前景必将越来越广阔。

参考文献：

[1]张东、周剑敏、吴科如等，颗粒型相变储能复合材料[J]．复合材料学报，2004,215:101-109.

[2]黄险峰，相变材料在建筑节能中应用[J].广西大学学报，2008,33:1-3.

[3]Athienitis A.K,Liu C,Banu D,et a1.Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room withwall latent heat storage[J].Building and Environment,1997,32(5):405-410.

[4]Neeper D A.Thermal dynamics of wallboard with latent heat

storage[J].Solar Energy,2000,68:393-403．

[5]周恩泽、董华，相变储热在建筑节能中的应用[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版）,2003(2):1O0-103．

[6]宋德清、方利国、王聃，相变储能材料的研究进展及在建筑中的应用[J].

节能，2008,331:4-7.

[7]王信刚、马保国、王凯等，相变储能建筑材料的研究进展[J]．节能，2005(12):11-14。

[8]Hawes D W.Feldman D.Absorption of phase change materials in concrete[J].Solar Energy Mater Solar Cells,1992,27:91-101.

作者简介：

陈璨，女，汉族，河北省保定市涞水县人，本科，中南大学土木建筑学院土木0604班。