谈建筑节能中的相变材料

王建海

摘 要：相变材料（PhaseChangeMaterials，简称PCM）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。正是在相变过程中的吸热放热现象，使得相变材料应用于建筑，可以提高建筑物热容量，充分利用太阳能和夜间低价电能从而提高建筑节能及室内舒适度，从而成为近年来材料科学和节能技术中的一个前沿研究方向。

关键词：相变材料；建筑节能

1 前言

通过介绍相变材料应用于建筑节能中的节能原理、适用条件、分类、制备方法及具体应用等各方面，展望了相变材料在建筑节能中的应用前景，并分析了目前研究中存在的难点，为进一步地研究提供参考。

2 相变材料的节能原理

相变材料的相变过程中伴随着大量潜热的吸收和释放。正因为此，将相变材料应用于建筑节能，在材料相变期间，吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境释放出热（冷）量，通过能量在时间和空间上的转换来抵御环境温度的过度升高或降低，起到延长室内舒适温度的持续时间、均衡或部分消除采暖及空调负荷的作用。另外，在实行峰谷电价的地区还可以将高峰负荷转移到低谷，从而降低建筑物采暖和空调费用。值得注意的是，相变材料本身并不创造能量，其储存的相变能依然来源于自然环境，如冬季白天的太阳能和夏天夜晚的冷能等。

3 相变材料应用于建筑中的适用条件

考虑到人居环境舒适度，材料储能能力及经济性等多方面要求。适用于建筑中的相变材料需满足的条件有：

（1）相变温度在室内舒适温度范围附近，一般为20-32℃之间。

（2）具有较高的相变潜热。

（3）较高的比热，提供额外的显热儲存。

（4）在固态和液态均具有较大的热导，以便快速释放和吸收热量。

（5）化学性质稳定，与建材相容，不易泄露，长期循环不变质。

（6）相变建筑材料的生成方法

相变材料与普通建材结合成相变建材有以下几种方式。

3.1 浸泡法

通过浸泡使相变材料渗入多孔的建材基体中，如石膏墙板、水泥混凝土试块等。其优点为工艺简单，可对成品建筑材料进行处理。

3.2 直接混合法

将相变材料直接与建材基体混合。此种方法便于控制相变材料的加入量，工艺简单，性质均匀，可塑性好。如将相变材料吸入半流动性的硅石细粉中，然后掺入建材基体中。Feldman比较了浸泡法和直接混合法对普通石膏板所制成的PCM板，发现前者所得PCM板里外层所含PCM量不均匀，而后者蓄热效果良好。

3.3 封装法

以上两种方法都存在一个问题：制成的相变建材耐久性差。而封装方法能有效解决这一问题。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、袋子、板状容器或其他容器中，这种容器化相变材料已经被市场应用到太阳能领域，但由于其在相变时与环境接触面积太小，使得能量传递并不是很有效。因此，微体积封装越来越吸引人们的眼球。微体积封装，又名微观封装，是指把载体基质做成微胶囊、多孔泡沫塑料或网状结构，而将工作物质灌注于其中；或者采用易成膜物质，如高密度聚乙烯，与相变材料共混而成，即利用二者的相容性，熔融后混合在一起制作成为成分均匀的相变材料。

4 相变建材在建筑节能中的应用

4.1 相变材料在围护结构中的应用

把相变材料与建筑围护结构结合，则可制成相变储能围护结构。有研究结果表明，在用吸收了相变材料的灰泥板做墙板的房子里，当供暖或制冷系统停止后的延续时间里，室温能够保持在人体的舒适温度范围内。据AthienitisA.K.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℃。在单位面积的建筑围护结构与室外环境交换的热量中，门窗处的换热量所占比例较大，所以在门窗处采用相变材料将对保持室温的稳定性能起到很大的作用，尤其是对大量采用玻璃门窗的建筑物。Ismail 和Henriquez研究了在双层玻璃窗夹层中使用透明相变材料聚丙烯乙二醇的热性能。结果表明，透过该相变窗的辐射热量比单层玻璃窗减少15%～25%，比空气夹层的双层玻璃窗减少3%～6%，并且存在最佳的材料夹层厚度。

以美国麻省理工学院为中心的研究小组研制了一种夜间供暖系统。构成该系统的主要部分为百叶窗反射片和相变天花板。相变天花板由许多尺寸为61cm×61cm×3.2cm的正方形片状物构成，片状物由预制塑料混凝土制成，其中封入38%（重量百分比）硫酸钠，3%硼砂，8%氯化钠，3%二氧化硅细小粉末，48%由水的混合物构成的相变储热材料。该系统的工作原理是：白天利用百叶窗反射片将太阳光反射到天花板上，天花板中的相变材料熔化蓄存太阳能，夜间相变材料凝固放热供暖。实验表明，该系统能使83.5m2的房子内全天保持在18.3℃～22.8℃。

4.2 相变材料在混凝土中的应用

相变材料与大体积混凝土结合，可制成相变温控混凝土，用于调整反应过程的温度。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。这样，不需要在大体积混凝土内部中设置冷却水管就可以解决混凝土因水泥水化热缩引起的早期开裂问题，改善材料耐久性，简化了施工工艺，节省了工程造价。相变材料还可与混凝土砌块结合，用于构筑建筑墙体。Hadjievaa研究了无机水合盐Na2S2O3·5H2O在混凝土的渗入情况，并研究了相变混凝土的热性能、热循环过程中存在的泄漏现象，物理和化学稳定性能还有待于进一步提高。张东等人研究了相变混凝土制备方法及热性能。他们采用“两步法”，即先制备定形相变材料骨料，然后再制备相变混凝土，其储热效果明显高于普通混凝土。

4.3 相变材料在砂浆中的应用

德国BASF公司将石蜡封装在微胶囊中，研制出石蜡砂浆，并已将这种砂浆用于双间套房的内墙表面上，作为室内的冬季保温和夏季制冷的材料，减小室内温度波动，使室内保持良好的热舒适度，减少空调系统的设备容量，转移用电负荷。砂浆内含10%～25%的石蜡微胶囊，也就是说，每平方米的墙面含有750g～1500g的石蜡微胶囊，每2cm厚的此种砂浆的蓄热能力相当于20cm厚的砖木结构。

5 结束语

相变材料应用于建筑节能中，不仅可以有效地降低建筑能耗，同时也为太阳能等可再生清洁能源在供暖、空调系统中的应用创造了条件。所以，相变材料应用于建筑节能是一项非常有前景的技术。

参考文献：

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告[M].中国建筑工业出版社，2008.

[2] 张寅平，胡汉平，孔祥东等.相变贮能-理论和应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1996.