相变储能材料技术及在建筑节能中的运用研究

摘 要：近年来，我国愈发重视科技发展，尤其是在新材料和热能领域中，相变储能技术更是已经成为一大研究热门，相变储能技术能够使我国面临的能源供需失配问题得到有效解决，并可充分发挥能效，提高太阳能的利用效率。本文便对相变储能材料的内部相变机理及其材料性质进行深度分析，在此基础上利用建筑模型实验的方式来研究建筑节能中相变储能材料的运用效果，以期能够為建筑工程人员在应用相变储能材料技术过程中提供一些有价值的借鉴和参考。

关键词：相变储能材料;建筑工程;节能;运用

引言

Phase Change Materials的中文简称为相变储能材料，人们又将相变储能材料叫做PCMs材料，对于相变储能材料来说，当外界温度在固定范围内变化时，其材料本身的相态或结构也会随之发生变化，进而使环境中的热量能够被材料自动吸收，或是材料将内部储存的热量释放到环境之中去，这样便可使材料发挥出对环境温度进行调控的作用。就目前来看，我国建筑行业的能耗水平长期居高不下，而国外建筑行业的能耗也超过全部行业总能耗的四成以上，因此，大力推行节能减排势在必行，只有发展低碳经济，才能有效保护人类赖以生存的自然环境。在节能减排的大背景下，人们对建筑节能新材料开发也日益重视，相变储能材料便是典型的建筑节能新材料之一，其材料应用优势在于能够通过吸收和释放能量来调控环境温度，并且材料的体积较小，有着简单的储热装置和较大的储能密度，这使得室温定温控制成为可能。以下便对相变储能材料及其在建筑节能中的运用开展深入的研究。

一、相变储能材料的机理及性质

当外界温度在固定范围内发生变化时，材料的物理状态也会随之发生变化，这种材料便是PCMx材料，也就是所谓的相变储能材料。如果外界温度超过相变储能材料的相变点时，此时该材料会自动对外界热量进行吸收，以此实现相变。而如果外界温度低于相变储能材料的相变点时，那么该材料则会将自身存储的热量向外界释放，该释放过程便是逆相变过程。对于相变储能材料来说，其在进行相变与逆相变时吸收或释放的热量，则可将这些热量看作是相变储能材料的潜热。在相变储能材料中，其材料特点主要体现在高密度储能、大量的相变潜热以及简单的储能装置，当相变储能材料处于相变过程时，其自身温度的稳定性是趋于良好的，通过对外界环境温度进行有效调控的同时，还可使能源供需过程中存在的供需速度和供需时间异步问题得到显著的改善，进而使相变储能材料真正实现对室内温度的有效调控，可以说，相变储能材料在我国建筑领域中有着巨大的节能保温优势。以相变储能材料所具有的性质来看，其主要类别可划分成有机物PCMs和无机物PCMs，在这两类PCMs中，无机物PCMs的导热性、蓄热密度、经济性以及熔解热等性质要高于有机物PCMs，不过在建筑工程中应用无机物PCMs时，却容易受到腐蚀，并且无机物PCMs在使用过程中还可能存在易相分离、过冷等问题，进而导致其储热能力受到影响。对于有机物PCMs来说，其储能利用率偏低，并且导热性也不好，所以系统能效偏低，不过该类PCMs却有着良好的抗腐蚀性和稳定性。

二、相变储能材料在建筑节能领域的运用研究

在建筑节能领域中，为了对相变储能材料在应用过程中所发挥的节能降温效果进行研究，本文采取建筑模型实验的方式，对一个尺寸为270mm×320mm×320mm的凉屋顶建筑模型进行了设计与制作，在该模型中，按照从上至下的顺序分别是纸箱板、相变储能材料层、纸箱板，其中纸箱板的厚度为4mm，而相变储能材料层的厚度则为10mm，为了测量相变储能材料在建筑模型中的温度调控效果，还需要将精密而灵敏的铂电阻温度测量计分别布置在纸箱中心处与角位置、相变储能材料层的中心位置与角位置。考虑到需要通过对比来验证相变储能材料的温控效果，还要制作同样尺寸的建筑模型便于对比。在用于对比的建筑模型制作时，原有的相变储能材料层利用多孔介质-膨胀珍珠岩来进行代替，这是因为多孔介质-膨胀珍珠岩有着非常良好的隔热性能，该有模型的各项参数均和凉屋顶建筑模型保持一致，而且铂电阻温度测量计的布置位置也和凉屋顶建筑模型相同。在检测凉屋顶建筑模型和用于对比的建筑模型的室内、室外与屋顶温度时，主要通过微机化多路温度采样仪来完成。对于相变储能材料来说，当外界温度达到30℃时，该材料便会产生相变，而膨胀珍珠岩则是一种多孔的隔热介质材料，模型中的低渗透模层则采用环氧树脂，多孔介质内还载入有40%的相变物质。在开展实验时，需要在室内温度达到25℃的条件下放置两个建筑模型，并进行八个小时的冷却后，待八个小时过后将其移至室外，根据实验当天的天气数据可知，实验当天为夏季，其露天空气温度在不进行遮挡的情况下可达到40℃左右，并且当天的天气晴朗。根据测量的空气温度变化曲线、凉屋顶建筑模型中相变储能材料中心处的温度测量数据、用于对比建筑模型中多孔介质-膨胀珍珠岩的中心处温度测量数据，结合这些数据可了解到，在用于对比的建筑模型中，由于其并没有设置相变储能材料层，这使其层顶温度迅速上升，而且集热效果非常显著，明显高于空气温度，温度值将近50℃。在凉屋顶建筑模型中，因其设置了相变储能材料层，这使其相比于对比的建筑模型来说，凉屋顶建筑模型的屋顶温度始终要比前者更低，而且也低于外界空气温度，随着时间推移可知，在凉屋顶建筑模型中，其屋顶温度要低于对比建筑模型中屋顶温度3℃左右，由此可以看出，采用相变储能材料来调控建筑模型中的温度，其降温效果要比多孔介质-膨胀珍珠岩更加明显。

通过在建筑模型屋顶中运用相变储能复合材料，能够使建筑模型有效阻隔太阳辐射对屋顶的热量流入，在某些数据变化中也能对这一结论予以有力证明。相变储能材料在建筑节能领域中的运用机理可以做出以下描述，当屋顶受到室外温度的影响而向室内传递热量时，这些热量会被相变储能材料熔化吸收，因相变储能材料在相变过程中对能量的吸收是有限的，如果能量吸收达到上限，热量才会被传递至室内。所以，由此也可以看出在建筑物的屋顶或墙壁中只要设置充足的相变储能材料，即可对室外热量的传递进行有效阻隔，从而防止室内温度升高。借助相变储能材料所具有的良好隔热性与能量储存性，能够使建筑在使用过程中大幅减少空调电能消耗，进而真正实现节能减排目标。举例说明，如果夜间温度较低时，采用相变储能材料可对白天吸收的热量进行释放，这样在夜间便可缩短空调的运行时间，使室内温度保持一个舒适的范围。而当中午来临时，由于中午的温度比较高，为了保持室内凉爽，相变储能材料会自动将外界热量进行吸收，并直至达到极限为止，而外界热量的吸收便减少了热能在室内的传递，从而使建筑室内人员不需开启空调，也能感受到室内的凉爽，这样对于用户来说，即减少了用户对电能的消耗，同时也为用户节约了许多用电费用。Ryu与Udagawa便通过数值模型对设置了相变储能材料建筑物的电能节约情况进行了深入的分析，并得出了以下结论：即当分时电价比例达到1：3时，能够使电能节约量达到45%至75%，而用户的用电费用也能相应减少27%至47%。由此可见，这一结论充分证明了相变储能材料在建筑节能领域的应用价值。

三、相变储能材料的未来研究方向

随着国家经济实力的不断增长，我国对能源的需求量日益增加，这也使我国逐步成為能源消耗大国，能源供需也变得越来越紧张。在我国众多领域发展中，建筑领域的能耗占比高达40%以上，因此，为了推动建筑领域的节能减排，减轻建筑行业发展给自然环境造成的污染。可以说，要想实现节能环保，就必须要加快对相变储能材料的研究，而在相变储能材料未来发展中，则应重点研发以下方向：其一，对更多种类的相变储能材料进行研发，确保新研发出的相变储能材料具备良好的环保效果，能够实现对相变储能材料的循环利用，同时确保相变储能材料具备更加良好的稳定性，提高其经济性、耐久性和储能密度;其二，从各个方面、不同途径来对现有的相变储能材料进行改进，研究出相应的封装方法与基材复合方法，从而使制备的相变储能材料具备良好的稳定性与生态友好性;其三，对相变储能材料的力学性能进行优化研究，使相变储能材料变得更加经久耐用;其四，在建筑领域中对定型相变储能材料的抗渗性、耐久性和储热性进行研究，以确保在建筑节能领域中应用更多的技术新成果。

结语

总而言之，随着越来越多专家与学者开展相变储能材料的研究，其研究趋势正变得越来越系统化、工程化，这也使相变储材料在建筑节能领域中的节能效果得以不断提高。虽然我国对相变储能材料已经开展了较为全面的研究，不过在要料应用时却仍有很多问题需要解决，所以相关专家及学者还要开展更加深入的研究，以期能够在建筑节能领域更为广泛的应用相变储能材料。

参考文献

[1] 阚丽虹，沈霁，郑同鑫. 相变储能建筑材料的制备和应用研究[J]. 中国建材科技，2019，28（03）：37-38.

[2] 肖力光，李冰. 相变材料在建筑节能领域的应用及研究[J]. 北方建筑，2019，4（04）：51-55.

[3] 刘景滔，蒋达华，杨昊天，刘兰华，黄英，张智霖. 月桂酸复合相变材料在建筑节能中的应用研究[J]. 建设科技，2019（21）：88-91.

[4] 颉江龙，魏霞. 相变储能材料在建筑节能中的研究进展与应用[J]. 现代化工，2019，39（11）：48-52.

作者简介：王志楠，（1994.12.24-），男，汉族，哈尔滨人，学历硕士在读，毕业于华北电力大学，热能工程专业，研究方向为相变蓄热储能材料。