近零能耗建筑中相变建筑材料的研究进展

上海联创设计集团股份有限公司 贾敬芝

0 引言

随着人们对工作和居住环境舒适性要求的不断提高，建筑能耗已经成为社会总能耗的主要构成之一。根据欧盟的统计，建筑能耗已经占到社会总能耗的40%，造成的CO2排放量占总排放量的40%以上[1-2]。与同等气候条件的发达国家相比，我国住宅类建筑单位面积能耗要高出2～3倍[3]。根据住房和城乡建设部的统计，我国95%的建筑属于高能耗建筑，节能潜力巨大[4]。因此，人们对建筑能耗越来越重视，各种建筑节能措施不断地被开发和应用。在此背景下，欧盟在其《建筑能效指令》(Energy performance of building directive，EPBD)中提出了近零能耗建筑(nearly zero energy building)的概念，并要求在2020年年底前所有欧盟的新建建筑达到近零能耗建筑标准。我国住房和城乡建设部也在2019年1月颁布了GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》，提出要通过被动式建筑设计最大幅度地降低建筑供暖、空调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度地提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适的室内环境[5]。建筑被动式设计是指采用合适朝向、蓄热材料、遮阳装置、自然通风等策略，尽可能利用可再生能源[6]。其中，相变材料(phase change material，PCM)是利用自然条件下的温差作为相变过程的驱动力以实现对热量的吸收和释放，可以对太阳能等可再生能源进行调控、分配和高效利用，从而降低建筑能耗，是一种极具潜力的被动式建筑节能材料[7]。

1 近零能耗建筑的热力系统

每个建筑物都存在着能量的获得、消耗与储存，并通过围护结构与外界进行换热[8]。图1为近零能耗建筑的热力系统原理图，图中显示了相变材料技术与建筑能耗的关系。建筑物的围护结构存在热阻与热容，导致了室内外热量传递的延时。而相变建筑材料的使用，可以改变围护结构的热阻与热容，通过控制热量传递的延时性，可以影响建筑内部的能量平衡，降低供暖与空调系统的能耗。Feng等人实验研究了相变建筑材料对夏季建筑冷负荷的影响，结果如图2所示[9]。保持室内温度不变，采用相变建筑材料房间的夏季空调供冷量要显著低于普通房间。可见，将相变材料技术应用于建筑节能，是一种可持续的方式[10]，可以帮助建筑更容易地实现净零能耗建筑标准。因此，在设计近零能耗建筑时应尽可能地使用可再生能源和相变材料技术，而确定合适的相变材料类型和节能措施十分关键。

图1 近零能耗建筑的热力系统[8]

图2 相变建筑材料房间与普通房间的空调供冷量对比[9]

相变建筑材料在近零能耗建筑中的应用可分为被动式和主动式2种。被动式应用是通过相变建筑材料去抵抗或者利用外界的干扰，从而降低室内冷热负荷或提高室内舒适性，例如利用相变墙体延缓室内外传热量峰值。而主动式应用是指在建筑环境设备中使用相变材料去降低设备能耗，比如相变通风[11]、空调与热泵[12-13]、太阳能辐射供暖[14]、热回收装置[15-16]等。本文主要介绍相变建筑材料在近零能耗建筑中的被动式应用。

2 相变材料的分类

相变材料按照不同的物理性质可以分为固-液、固-气、液-气、固-固材料，在近零能耗建筑领域主要使用固-液和固-固材料[17-21]，如图3所示。相变材料按照化学性质又可分为有机物、无机物等。按照相变材料与建筑材料的结合方式不同可分为混合式、嵌入式等。虽然目前相变材料种类很多，但是常用的相变材料存在许多问题[8]，比如：

图3 近零能耗建筑中的相变材料

1) 有机相变材料导热系数较低，单位体积的相变潜热也比较低，相变前后的体积变化大。

2) 水合无机盐成核性比较差，需要的过冷度较大，并且容易发生相分离现象，腐蚀性强。

3) 共晶混合物的热物性不明确，缺少必要的数据，一些脂类共晶混合物具有强烈的气味。

不同类型的相变材料具有各自的优缺点，因此研究人员取长补短将有机和无机材料结合起来，并通过添加纳米无机添加剂改善相变材料的热物性，这是开发新型相变材料的热点方向[22-23]。

将相变材料用于近零能耗建筑的围护结构，是一种被动式的建筑节能技术，可以提高建筑围护结构的热惰性，减小室内温度波动，从而改善居住的舒适性[24]。相变材料可使用在墙体、窗户、屋顶、地板上[25]。表1给出了目前一些建材制造商推出的相变建筑材料。通过调整相变材料与普通建材的不同配比，获得适用于不同围护结构和气候环境的建筑材料。从表1可以看出，丙烯酸和石蜡是2种最常用的相变材料，相变石膏板是最常见的建材类型。

表1 国内外不同制造商推出的相变建筑材料[26]

3 近零能耗建筑中的相变建筑材料

相变建筑材料使用在近零能耗建筑中，不仅能够有效降低建筑能耗，而且还能提高建筑的热舒适性。Ahangari等人将相变材料用于实验房的墙体、地板、天花板等围护结构，在气候干燥和半干旱条件下的供暖能耗分别降低了17.5%和10.4%，而且室内热舒适满意度在半干旱气候下由63%提高到75%，在干燥气候下由73%提高到93%[27]。因此，相变材料不断被提倡用在低能耗建筑或近零能耗建筑中，表2为近些年世界各地部分具有代表性的相变建筑材料研究成果。可以看出相变建筑材料正逐步从简单的装饰材料转变为多样的砌筑材料。下面从不同围护结构部位来介绍相变建筑材料的研究进展。

表2 相变建筑材料在低能耗建筑应用的研究

3.1 墙体

按照相变材料与建筑材料的结合方式，相变建筑材料墙体可分为混合式相变墙体和嵌入式(定形)相变墙体等[41-42]，两者的区别是相变材料与建筑材料是否均相分布。混合式相变墙体是将相变材料与普通建筑材料均匀混合，又可分为直接混合式和胶囊式[42]，目前的前沿应用是微胶囊式相变墙体，如将微胶囊化的石蜡加入混凝土中形成相变墙体[43]。而嵌入式相变墙体是将相变材料嵌入到建筑材料的内部或外部的空隙中。

3.1.1微胶囊式相变墙体

微胶囊式相变墙体是将相变材料微胶囊化，并与传统的建筑材料均相混合，制成的混凝土或石膏板中包含了相变微粒，具备储存热量的功能。Cabeza等人研究了一种新型相变材料混凝土，通过聚氯联苯将丙烯酸微胶囊化，添加到混凝土内实现墙体的能量储存，并在莱达(西班牙)使用这种混凝土建造了小屋。研究结果表明，使用胶囊化相变材料的墙体结构稳定，使得夏季室内最高温度降低1 ℃，最低温度下降2 ℃，室内峰值温度出现时间延迟了2 h[44]。Schossig等人研究了石膏板对办公楼热环境的影响，办公楼墙体采用轻钢龙骨结构，所用的石膏面板中混入了微胶囊相变材料，如图4所示，微胶囊平均直径为8 mm，均匀分散在石膏晶体中。研究结果显示，在测试周期内，采用这种相变墙体使房间温度高于28 ℃的时长从50 h下降至5 h，房间的热环境明显得到改善[45]。Sá等人在抹灰砂浆中加入25%的丙烯酸相变材料，得到的相变抹灰砂浆潜热为25 kJ/kg，相变温度为23～25 ℃，导热系数为0.3 W/(m·℃)[46]。

图4 带微胶囊相变石膏板的轻钢龙骨墙[45]

3.1.2嵌入式相变墙体

与胶囊式墙体的均相混合方式不同，嵌入式相变墙体中建筑材料与相变材料在宏观上存在明显的界限。Silva等人开发了一种嵌入式相变黏土砖，即将石蜡包裹后嵌入空心黏土砖中，使用这种相变黏土砖的测试房间的夏季室内温度下降了5 ℃以上，温度峰值延迟了3 h[47]。Bontemps等人以玻璃砖为外壳材料，填充相变材料后制成相变玻璃砖砌块，并用相变砌块建造了太阳能被动房，用实验和数值模拟相结合的方法，比较了脂肪酸、石蜡和盐水3种相变材料的蓄热性能，提出了将相变砌块与夜间通风相结合的设计方法，以进一步降低建筑能耗[48]。

3.1.3通风式相变材料墙体

除了在建筑墙体中直接使用相变砌块来降低建筑能耗外，通风墙体与相变材料的融合使用也是相变墙体的一种形式，体现了近零能耗建筑的主动和被动措施的结合。这种形式通过在墙体中加入风道，利用自然通风或机械通风，增强室内空气与墙体相变材料的自然对流或强制对流，从而改善室内热舒适性。Ling等人采用相变材料研制了主动-被动通风墙体，如图5所示，墙体从内到外由相变材料、空心砖、实心砖、聚苯乙烯板组成，并采用数值模拟结合实验验证的方法研究了不同相变温度和潜热对墙体换热效率和最低室内空气温度的影响，结果显示最优的相变温度为27.7 ℃，冬季室内最低温度为15 ℃，蓄热效率达到了86.7%[49]。Stazi等人也设计了类似的通风相变墙，并在地中海住宅中实测了这种墙体对全年室内温度的影响，结果表明通风相变墙能更好地延缓墙体温度的峰值出现，有助于室内温度的稳定[50]。

3.2 窗体

窗体也是建筑重要的围护结构之一，且单位面积的传热量要显著大于墙体，因此适用于窗体的相变材料和结构也不断被开发。Kolacek将六水氯化钙作为相变材料添加到窗户玻璃夹层中，使窗户的热惯性显著提高，能有效降低窗户的传热量。实验结果显示，相变窗体可在室外气温-15 ℃时保持窗体内表面温度为25 ℃，并使室内温度保持在21 ℃[51]。Zhang等人建立了相变玻璃窗模型，将混合有Al2O3、TiO2和ZnO等纳米颗粒的石蜡加入双层玻璃中，如图6所示，并研究了这种窗体的传热过程及纳米颗粒对相变材料换热性能的影响，研究结果表明，在石蜡中加入TiO2后，窗体内表面温度在夏季降低了0.82 ℃，加入ZnO纳米颗粒后，窗体内表面温度在过渡季和冬季分别升高了0.84 ℃和0.89 ℃[52]。

Hu等人研发了一种通风式相变材料窗户，并且通过窗户出风口的转换，实现了夜间通风、夜间制冷和日间预冷3种模式，如图7所示。该窗体下部设置了由相变材料组成的换热器，当装置在夜间运行通风模式时，室外冷空气带走换热器中相变材料的热量，从而在白天相变换热器可以降低送入房间的新风温度。实验研究结果表明，一块10 mm厚的相变材料的换热效率可达89.85%，在夜间可以放热4～5 h，在白天可以吸热3.9 h，吸热量可达3.19 MJ[30]。

3.3 屋顶

屋面材料受日晒雨淋，容易发生老化和漏水的现象，因此需要考虑复合相变材料的防水性和光照稳定性。Fabiani等人研究了石蜡含量分别为15%、25%、35%时聚氨酯屋面的防水性、热稳定性，研究结果表明，石蜡含量为25%的聚氨酯材料具备最优的综合性能[53]。Yang等人研发了一种嵌入相变材料(石蜡)的木塑板屋面材料，用于缓解热岛效应，降低屋面温度。研究结果显示，当使用含相变材料的屋面材料时，各季节屋顶表面温度都得到了降低，平均下降了4.9 ℃[29]。

3.4 地板

地板不直接接收太阳辐射，因此普通地板温差和传热量较小，相变材料常常与电热地板供暖和太阳能供暖相结合[54-56]。如图8a所示，在太阳能供暖中，白天太阳辐射热通过集热器储存在带相变材料的地板中，当夜间室内温度下降时相变材料开始放热，达到供暖的目的，这属于被动式的节能措施。张鑫等人设计了一套包含相变材料的太阳能供暖系统，实验表明即使室外环境温度低至-10 ℃以下，该系统仍能维持室内温度在20 ℃以上[57]。

图8 相变材料应用于地板供暖

与太阳能地板供暖不同，电热地板供暖属于主动式供暖，利用电网峰谷电价差的优势进行热能存储。如图8b所示，在夜间低谷电时段发热电缆通电后，不仅向室内提供热量，更主要的是加热相变材料层，使相变材料熔化吸收热量。在非低谷电时段，电缆停止加热，相变材料凝固释放热量，利用夜间存储的热量来满足白天房间内的供暖需要。邢靖辰等人研究了以脂肪酸共晶混合物为相变材料的地板，结果表明脂肪酸共晶混合物的相变温度在20～30 ℃之间，可实现利用夜间8 h蓄热、白天16 h放热的稳定供暖模式[58]。目前针对相变材料地板的研究很多，相变材料地板的结构也有很大不同，图9为几种不同结构形式和相变材料类型的地板辐射供暖系统构造示意图。

此外，相变材料地板还可以与热泵供暖技术相结合，如Plytaria等人针对建筑面积为100 m2的建筑物，设计和模拟了3种不同的太阳能辅助热泵地板供暖系统，将相变材料放置在地板和加热系统之间，并通过改变地板的收集面积、收集器类型和绝缘层的厚度来检验不同的情况。结果证明，在地板供暖系统上使用相变材料层可减少约40%的热负荷[13]。

4 结论

将相变建筑材料使用在近零能耗建筑中，一方面可以提高建筑围护结构的热惰性，降低围护结构与室内空气的温差，从而降低夏季室内温度并减小室内温度的波动，减少建筑冷热负荷，提高建筑的热舒适性；另一方面能够更好地利用太阳能、空气能等可再生能源，降低建筑能耗。本文介绍了目前常见的相变建筑材料，并介绍了国内外在墙体、窗体、屋面、地板上相变建筑材料的研究进展。

1) 丙烯酸和石蜡是最常用的相变建筑材料，丙烯酸与水泥和石膏的融合性好，一般与建筑材料均相混合，形成微胶囊式相变建筑材料，而石蜡与普通建筑材料的融合性差，常作为嵌入式相变建材。

2) 在研发和使用相变建筑材料时要考虑相变材料的热物性、相变动力学、化学性质、经济和环保性能。除了关注相变温度、潜热值、导热系数、过冷度等参数外，相变材料的稳定性、防水性也必须考虑。可以利用有机相变材料相变一致性好、无相分离的优点，结合无机相变材料导热系数高、潜热大、密度变化小的优点，研制复合型相变材料，并通过添加Al2O3、TiO2和ZnO等纳米颗粒或添加剂改善相变材料的性能。

3) 相变材料应用于近零能耗建筑并不局限于被动式的节能技术，在地板供暖、热泵供暖等主动设施中使用相变材料也能降低设备能耗、提高建筑环境的热舒适性。另外，相变建筑材料与建筑通风相结合能够提高蓄热材料的热效率，也能提高太阳能、空气能的利用效率。