相变材料在建筑领域中的应用

马超 万保清 吴渝 王永超 解帅 王静 冀志江

（1中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024；3空军第五工兵技术勤务大队，北京 071051）

0 引言

能源危机伴随着严重的环境问题，如何提高传统能源的有效利用率以及开发太阳能等新能源已成为一个重要问题。相变储能技术能够有效回收利用多余热能，解决太阳能、风能等新能源和可再生能源受时间和空间等客观条件影响的问题，为热能的再利用以及新能源的发展提供有效手段。相变材料作为潜热储能的介质，能够实现近似恒温条件下能量的吸收、储存与释放，解决能量供需不匹配的问题，提高能源利用率，被广泛应用于新型节能建材、工业余废热回收、供暖与空调节能以及电力的“移峰填谷”等领域。研究表明，建筑能耗在社会总能耗中占30%-40%[1]，且绝大部分是采暖和空调的能耗，将相变材料与建筑材料相结合，可以调控温度变化，提高热舒适度，使建筑能耗控制在合理的范围内[2]。目前，应用于建筑领域的相变材料主要有有机类、无机类及复合类。本文综述了相变材料在建筑领域的应用，总结了主动式及被动式相变储能系统的研究现状。

1 相变储能材料的分类

相变储能是利用相变材料的物态变化来实现热能的传递，当环境温度发生变化时，相变材料通过介质物相的转换从而吸收或释放大量的热量调控环境温度，使其维持在一个恒定的范围内，能量密度较高、体积小、使用方便。将相变材料引入建筑构成元素中，利用相变材料的蓄放热功能可以起到建筑调温、余热回收、辅助蓄热和太阳能热储存等作用，蓄热被认为是实现建筑节能的一种有效方式，能够缓解建筑物中能量波动较大的问题，是目前国内外建筑节能研究的热点。

无机相变材料主要包括水合盐类、熔融盐类和合金等，目前建筑中应用较广泛的是结晶水合盐类，相变温度在0℃-80℃之间，其潜热较高、成本低廉、导热系数较大，但过冷严重，循环时极易发生相分离，造成储热性能较差，且无机水合盐一般对金属材料有较强的腐蚀性。有机相变材料主要包括石蜡类、脂肪酸类、糖醇及高分子类，大多数相变温度在0℃-200℃之间，由于其含有碳、氢元素，所以在高于熔点某一温度时热稳定性变差。相比于无机材料，有机相变材料一般不会发生相分离和过冷现象，材料腐蚀性较小，热稳定性高，但是导热性能相对较差，密度较小，单位体积蓄热能力不足。复合相变材料包括无机-无机复合材料、无机-有机复合材料和有机-有机复合材料三大类，通过不同相变材料的复合，可以有效克服单一相变材料存在的缺点，得到具有实际应用价值的蓄热材料。

2 相变材料在建筑中的应用

建筑节能降耗措施主要体现在以下方面：1）建筑围护结构节能，2）暖通空调节能，3）建筑新能源节能。通过采用新型建筑材料和先进建筑技术，合理设计主动式或被动式相变储能系统，减少外界环境对居住舒适度和健康的不利影响，使室内温度维持在舒适范围内，最大限度地降低建筑物的运行能源消耗，从而达到建筑节能降耗的作用。以下主要介绍相变材料在建筑中的应用。

2.1 被动式相变储能系统

被动式相变储能系统指有效利用自然热量而不借助人工冷源或热源来进行冷却或加热，通过相变维持建筑物的热舒适度的系统。在被动式储能系统中，相变材料多应用于建筑围护结构，如墙体、天花板、窗等，使用时，需先掺入到石膏板、砂浆、混凝土、砖块或涂料中[3]，可作为独立结构结合在建筑材料中或集成到建筑材料里。

孙小琴等[4]对比研究不同相变材料应用方法的节能效果，用高密度聚乙烯球封装，并嵌入XPS保温板中，研究表明，对于熔点为25℃的相变材料，相变材料集中布置于西向外墙时建筑能耗最低，且将相变材料安装于外墙内表面时的建筑性能优于将相变材料安装于外墙外表面。邓燕等[5]将石蜡/膨胀石墨复合材料与水泥混合制备了应用于建筑外墙的复合相变贴片材料，相变温度41.1℃，相变潜热224.7J/g，能够将内表面最高温度降低2.4℃，有效阻隔进入室内的热量，改善围护结构的隔热性能，具有有效降低建筑空调能耗应用潜力。于楠等[6]以石家庄地区为例，采用GH-37复合相变材料制备了新型预制混凝土升温养护建筑，将其应用于主朝阳墙体内表面，内表面夜间温度平均提高3.4℃，且蓄放热速率较GH-33相变材料平均提高62%。赵金平等[7]以多元共混无机盐为相变材料，以铝蜂窝板为封装和结构材料，冷压复合制成相变装饰板材，其节能效果可在传统外保温体系节能效果的基础上提高20%以上。

李帆等[8]将相变石膏板与轻钢龙骨装配式建筑结合，开展能耗分析，研究发现，相变建筑冬季供暖能耗较低，平均日节电量0.59(kW·h)，节能率约5.2%，特定空调间歇运行工况下节能率高达11.0%。Sayyar等[9]利用脂肪酸和膨胀石墨制备定型相变材料，采用夹芯结构制备相变石膏板，此时温度波动小，峰值温度到达时间延迟，模拟发现，相变石膏板可以降低79%的建筑能耗。赵亮等[10]制备有机-无机复合壁材微胶囊复合相变材料，并与石膏掺混制备相变石膏板，当微胶囊掺量达到10%时，相变石膏板的相变潜热达到16.1J/g，相变温度在20℃左右，具备一定蓄热调温能力。

将相变材料按一定比例掺入水泥砂浆中不仅可以提高墙体热工性能，还可以改善砂浆抗冻性等性能。王甲春等[11]利用不燃的酚醛树脂包裹石蜡制备了石蜡-酚醛-水泥相变砂浆，相变砂浆的相变热为9.0J/g，相变温度范围20℃-29℃，工程应用表明，制备的相变砂浆在一定范围内能够较好调节建筑室内温度，具有易存放、易施工、安全性高的特点。杨籍等[12]采用共混搅拌法将癸酸-月桂酸二元低共熔物/改性硅藻土定形相变材料掺入水泥砂浆中，制成相变控温砂浆，相变温度18.9℃，相变潜热1.13J/g，导热系数降低了近43%，热阻增大，降低了室内温度波动，舒适性大大提高。

罗庆等[13]在中空玻璃中封装六水氯化钙制备的相变窗，调温能力比普通玻璃高出3℃-4℃。王青青[14]将相变窗等价为一维三层半透明介质，通过模拟得到相变窗的保温性能优于普通窗。张爱军等[15]以脂肪酸和脂肪醇为原料制备复合相变材料，用于相变窗的注入，通过实验测量得到相变窗的温度调节和节能效果，这种复合相变材料过冷度小、无相分离，在应用中更加可靠。

将相变材料和天花板结合可以制成相变材料天花板控温系统，李建立等[16]以24℃-32℃的调温板作天花板，以16℃-24℃的调温板作地板，模拟发现，这种组合形式在各个季节均能减小室内环境温度的波幅，提高热舒适度，但当主动换气时，难以取得节能的效果。

2.2 主动式相变储能系统

主动式相变储能系统指依靠人工冷源或热源进行制冷或加热，使相变材料发生相变进行调节。此系统中，相变材料多与空调系统、地板辐射系统、通风系统等结合，通过减少能源需求和峰值负荷，从而减少建筑能耗，实现最低电力需求。

Zhu等[17]将制备的双层板型稳定相变材料墙板安装在办公楼中，对比分析空调房间的节能效果，结果表明，能耗在夏季和冬季分别降低了6.4%和17.8%。冯国军等[18]采用自制的六水氯化钙复合相变材料与地源热泵结合，以水为传输介质，能够满足日常小区热水与供暖需求，实现节能节水，夜间使用可利用低谷电进行储能，实现“移峰填谷”、降低电费的目的。刘晓燕等[19]采用CFD计算了大庆农村单体建筑中太阳能-相变墙系统的运行能力，研究发现，25℃的相变墙热稳定性良好，节能率高达31.8%，可以减少农村冬季采暖煤炭用量。

图1为相变材料地板控温系统概念图，相变材料与地板材料的结合做成相变地板，相变材料的热惰性得到提升，减弱室内外的热流波动，延迟作用的时间，可有效控制室内温度，使建筑物具有一定的调温能力。在相变地板中，相变材料需要满足其温度变化范围，提高相变潜热。K. Nagano等[20]用泡沫玻璃珠和石蜡制成相变温度大约为20℃的相变颗粒材料，装入地板的填充床中，从而调节室内温度，系统潜热储存在相变材料中，通过白天夜间的物相变化来维持室内温度。

利用相变储能材料在相变过程中的蓄放热来维持温度恒定的原理，把相变材料制备成空调系统，安装在室内，通过材料在白天吸热、夜间放热来保持室内温度不变，符合建筑节能的目标。G. Hed等[21]通过将相变材料融入建筑物的通风系统，类似于传统空调，如图2所示，对建筑物的热惯性进行主动调节，这个过程分两步完成，环境温度低于图2（a）所示室温时，夜间进行充电过程，液态的相变材料从周围空气中吸收冷量，在一定的恒温下开始凝固，充电过程持续到环境温度低于相变材料的熔化/固化温度。环境温度高时，见图2（b），白天进行放电过程，相变材料将夜间吸收的冷量释放出来，从而维持室内温度在一定的范围内，达到降温的效果。

图2 相变控温系统（左-夜间；右-白天）

空调系统在满足舒适度的同时，会产生大量的冷凝热，造成环境温度升高，如果可以将这部分热量加以利用，供给给需要的地方，将大大提高能源的利用率。王越[22]研究了石蜡基蓄热材料及其改性材料，从而回收空调系统排放的热量，用于生产温热生活用水。王智超等[23]将相变储能技术应用于民用建筑的机械通风系统，研发了一种相变热回收式通风装置，利用相变材料的蓄放热特性及通风装置的不断循环，实现相变储能装置的能量回收利用。

将定形相变材料填充于集热器中，可以达到蓄热的效果，减少热损失。彭东华等[24]提出了一种高效储能太阳平板集热器模型，采用高空隙率泡沫金属做骨架，当中填充石蜡作为储能材料，在密度和单位体积的相变潜热都变化很小的情况下，使复合材料的等效热导率显著提高。刘馨等[25]将相变储能模块与太阳能热风采暖系统相结合，优势互补，改善太阳能热风采暖系统的不稳定性，提高太阳能的利用率，相变储能材料选用癸酸与月桂酸的混合物，将其封装后形成相变储能墙，与太阳能空气集热器共同组成采暖系统，实验结果较理想。Koschenz等[26]提出了一种应用于轻质建筑中的主动式相变蓄能石膏吊顶空调系统，该系统通过冷水毛细管在夜间将冷量蓄存入相变石膏板中，白天时再释放出冷量，可以将白天的空调负荷转移到夜间处理，该系统还可利用低品位能源进行空调采暖，具有较好的应用前景。晁岳鹏[27]设计了耦合相变材料-太阳能集热器系统，将包封癸酸/十六烷醇复合材料的双管换热器安装在地板中，利用太阳能集热器吸收的热量，可长时间向实验房提供40W/(m2·h)的热输入，实现室内热环境舒适。

光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的围护结构外表面来提供电力，但在实际应用中，太阳能光伏电池的转换效率不足20%，大部分能量转化为热能，导致电池升温光电转换效率下降。所以有效利用这部分热能，控制光伏电池的工作温度是光伏建筑一体化的关键，而相变材料具有很好的蓄放热能力，对于解决这一问题有很好的发展前景。刘凌焜[28]设计了一种太阳能光伏光热蓄能器与微胶囊相变流体的复合蓄能电池板，实验证实了微胶囊相变流体的存在可以有效防止温度升高过快，从而提高太阳能光伏电池的工作效率，降低建筑内的热扰动。

3 结语

相变材料的优势使其在建筑节能领域广泛应用，其主要利用了相变材料的物相变化来储存能量，而建筑材料的热容也可以储存部分能量，且不会带来建筑结构温度的很大变化。白天建筑结构获得热量并将热量储存，在夜间被冷却。目前大多数相变储能材料被应用在地板和天花板等墙体结构中，但缺点也很明显，对夜间周围环境的温度依赖性很大，且只能提供显热冷量，所以还有待进一步研究开发。随着我国建筑节能标准的不断提高，建筑相变节能技术需要更深一步的研究，以便研究出更加经济环保、高效实用的相变建筑材料，更好地调节温度，真正做到建筑节能。