相变材料物性与轻质相变围护结构节能研究进展

张 源，魏燕丽，许锦峰

(1.江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008；2.江苏省绿色建筑与结构安全重点实验室，江苏 南京 210008；3.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是经济社会持续快速发展的重要制约因素.随着我国物质生活条件的改善，人们对建筑室内热环境的要求不断提高，使得我国建筑能耗急剧增加，其占全国能源消费总量的比例也在逐步增加，已经超过能源消费总量的1/4.因此，降低建筑能耗、推广建筑节能势在必行.因此，建筑围护结构的节能水平是决定建筑是否节能的关键因素.

由于热阻和热容的作用，温度波与热流波在通过建筑围护结构时会产生衰减和延迟效应.目前，建筑围护结构上通常采用传统的有机保温隔热材料，以满足建筑节能规范对围护结构热阻的要求.尽管这些绝热材料具有较低的导热系数，可以有效增大围护结构的热阻，但它们同时也具有较低的比热容.另外，它们大多具有火灾安全隐患，使用寿命也有限.当前建筑中大量采用框架结构，这种结构的墙体称为填充墙，它们大多是中空、轻质墙体，其中以混凝土空心砌块+有机保温层的墙体居多.这些因素使得整个墙体的比热容较低，造成墙体内表面随着外界温度的变化而产生较大幅度和较高频率的温度和热流波动，从而会导致室内空调设备的频繁启闭或者不能保持较长时间在最佳工况运行.由于空调设备在启动阶段及非最佳工况运行时耗能较高，便增加了设备的运行能耗.

蓄热是缓解热量供求双方在时间、空间和强度上不匹配的有效方式，是合理利用能源、减少环境污染的有效途径，是建筑节能的有效手段.相变材料(phase change material，PCM)是指随温度变化而改变形态，并发生潜热的吸收与释放的物质.这种相之间的转换过程称为相变过程.在相变过程发生时，PCM吸收或释放大量的潜热，而自己本身的温度不变或变化很小.PCM的潜热远高于普通建筑材料的显热，当PCM的温度上升到相变温度时，PCM发生相变，并使建筑墙体的比热显著增大，从而大大减小墙体内表面及室内温度的波动，使室内达到更好的热舒适度，从而避免了空调设备的频繁启闭，并长时间处于最佳工况运行状态，降低设备的能耗.另外，由于PCM的使用能够显著提高建筑墙体的热容，因此白天时室外温度和热流进入室内后达到峰值的时间将大大延后，甚至延迟到傍晚甚至于夜里，而此时已处于电价的低谷时间段.且夜间温度相对较低，在电价低谷时间段处理白天时进入墙体的处于峰值的温度波与热流波，有利于从总体上提高室内的舒适度，从而达到节能与提高室内舒适度的目的.因此，将PCM用于建筑围护结构中，可以达到节能、转移热负荷峰值的时间、提高室内热舒适性、延长空调设备寿命等的效果.

利用PCM的相变潜热实现能量的蓄存与利用，是近年来能源科学、材料科学和建筑节能领域一个重要的研究与发展方向，研究相变建筑围护结构的热工性能与应用技术对建筑节能、改善室内热环境有着重要的意义.综述目前对PCM的物性特征的研究进展；在此基础上，探讨国内外学者对轻质相变建筑构件的热性能特征、热工评价指标、节能应用效果及相应的安全措施，为轻质相变围护结构在建筑节能工程中的应用提供参考.

1 PCM分类及物性特征

1.1 PCM的分类

PCM的种类非常丰富，一般将PCM分为3类，如图1[1]所示.

图1 PCM的分类

PCM相变温度覆盖了很大的温度范围，因此在一般工程应用领域所需的温度条件下，几乎都能找到与之相对应的PCM.尽管具有相变温度范围广、潜热较大等优点，但是多数PCM并不能在所有指标上均满足使用所需的理想要求.在工程应用中，可以采取一定措施来弥补PCM在某些性能上的不足，例如，向PCM中添加金属粉末可以提高其导热系数，添加成核剂可以减少PCM的过冷度等[2].

1.2 PCM的物性特征

1.2.1有机PCM

有机PCM的优点是具有无毒、腐蚀性小、过冷度低、相变温区的可调、不会出现相分离、相变潜热降低以及物理稳定性、化学稳定性与热稳定性好等.同时，有机PCM的相变潜热(100～200 kJ·kg-1)和导热系数(0.14～0.21 W·(m·K)-1)均较低，还具有易挥发性、可燃性等缺点[3].因此，一般在应用中通过掺入具有高导热系数的材料以提高PCM的导热系数.

有机PCM可分为石蜡类与非石蜡类.石蜡类PCM的相变温度覆盖范围很广，且化学稳定性较好，过冷度低，价格也较低，这为其适用性提供了保障.石蜡类PCM的相变温度与潜热均随着其碳链长度的增加而增加.同时，石蜡类PCM也存在导热系数较低、与塑料制品容器不相容以及具有一定的可燃性的缺点，影响了其使用.与石蜡类PCM不同，非石蜡类PCM(脂肪酸、多元醇等)之间的物性变化较大.这些材料大多具有以下特点：① 较大的相变潜热；② 具有可燃性；③ 较低的导热系数；④ 较低的闪点；⑤ 高温时不稳定.在非石蜡类PCM中，脂肪酸具有较高的相变潜热，熔化/凝固的重复性较好，并且在凝固时几乎没有过冷效应.然而，脂肪酸也存在价格较高、具有轻微的腐蚀性等缺点.

1.2.2无机PCM

无机PCM可分为水合盐与金属两大类.一般来说，无机PCM的相变潜热(200～300 kJ·kg-1)几乎是有机PCM(100～200 kJ·kg-1)的两倍.同时，无机PCM的导热系数(大于0.5 W·(m·K)-1)相对较高、毒性小、相对便宜、容易得到以及具有不燃性等优点.但是由于其具有化学稳定性较差、有一定的腐蚀性、过冷度较高和会发生相分离现象等缺点，限制了它的使用.实际应用中往往通过掺入成核剂与增稠剂，以提高PCM的稳定性，减小过冷度.

水合盐是由水和无机盐化合而成的透明固体.水合盐的相变过程实际上是无机盐的脱水与吸水的过程，在此过程中材料吸收和释放潜热.优点在于其相变潜热高，有相对较高的导热系数，与塑料相容，以及价格便宜等.缺点是相变过程的稳定性与可逆性较差，使用时需要加入成核剂和增稠剂，熔化与凝固所经历的路径往往不相同，释热中会自发地减少结晶水数目等.金属材料一般具有较大导热系数与体积潜热，但较大的重量限制了其使用范围.

A.SHARMA等[1]、V.V.TYAGI等[4]、F.KUZNIK等[5]及L.F.CABEZA等[6]等均对有机PCM与无机PCM的优点、缺点及改进措施进行了研究，如表1所示.

表1 PCM的优点、缺点及其改进措施

1.2.3复合PCM

复合PCM是由两种或多种组分组成的，它的各组分一同熔化或凝固形成混合晶体.目前，有关复合PCM方面的应用研究还相对较少.

2 轻质相变围护结构节能应用

2.1 相变建筑构件热性能特征

由于保温材料具有较低的导热系数，使用保温材料的围护结构往往可以达到较高热阻.因此，若室内外温度波动较小，只需提高围护结构的热阻即可达到较高的节能水平.然而，事实是室外温度是以24 h为一个周期进行波动的，若只为提高围护结构的热阻，而忽略了其热容(保温材料的热容往往小到可以忽略)，则会造成室内温度随着室外温度的波动而产生较大波动，这无论是从节能还是室内舒适度角度看，都是无法接受的.

若能充分、合理地利用PCM的蓄、放热性能，则可以大幅度提高围护结构尤其是轻质围护结构的热容，使室内维持较为稳定的热状态，提高围护结构的节能水平和室内热舒适度.

由此可知，PCM建筑构件的热物性特征与保温材料建筑构件有着本质的不同.有学者对二者进行了比较.F.STAZI等[7]与YE H.等[8]发现，在夏季热条件下，具有保温层或高热容层(PCM层)的围护结构均表现出高的热性能，而在其他季节时只有具有保温层的围护结构具有较高的热性能.

保温材料建筑构件以提高热阻为主，可以有效减少进入室内的热流量.在非稳态热性能上，它的存在可以在一定程度上提高围护结构对室外温度波和热流波的衰减作用，但不能显著增强围护结构对峰值热流的延迟效应.而PCM则可以大幅度提高围护结构的衰减和延迟效应，但对热阻的贡献相对较小.并且合理运用PCM的关键点在于选择具有适宜相变温度和较大相变潜热的PCM，以及为PCM设定合适的墙体位置[9-12].

2.2 相变建筑构件热工评价指标

对于采用工程应用环境下热物性相对稳定的常物性材料的墙体，其传热表达式为线性方程，因此温度、热流等参数可以进行叠加计算，通常采用热阻和传热系数作为其稳态热工性能的评价指标[13].常物性材料墙体的非稳态热性能常用衰减倍数与延迟时间指标进行评价[14].

然而，对于含有PCM的墙体，PCM在其相变温度范围内的比热会发生较大变化，导致其传热表达式成为非线性方程.因此，仅用热阻、衰减倍数与延迟时间来评价其热工性能是不够的，还需要有针对性地增加新的评价指标.林坤平等[15]提出采用累计日室内温度不舒适度和累计日室内综合温度不舒适度作为评价房间夏季过热导致不舒适程度的指标.孟二林等[16]针对夏季相变围护结构的隔热和吸热两种不同的传热过程，提出隔热因子和吸热因子两个评价指标来评价其传热性能.ZHU D.[17]提出用等效热阻的极值来分析和评价相变建筑构件的非稳态热性能.以上学者分别从温度与热流的角度提出了行之有效的相变围护结构评价指标.

2.3 节能应用效果

当前，PCM的传热与节能性能已经在实验室甚至实际建筑中得到了体现.L.AELENEI等[18]采用一种新型的光伏板与PCM板墙体结构的建筑在冬季气候条件下的运用效果进行了计算和测试.结果表明，该种墙体结构可以节约10%电能，具有12%的热效率，且整个系统的节能率可达20%.M.AHMED等[19]将PCM(石蜡)放入用于冷藏储物的卡车拖车的箱体壁体中，以改善箱体的蓄冷能力.测试表明：当各朝向的壁体均使用PCM时，进入箱体的热流率峰值平均降低29.1%；对于单一朝向的壁体来说，热流率可降低11.3%～43.8%；每天进入箱体的热流率可降低16.3%.H.J.ALQALLAF等[20]对某种含有PCM的混凝土屋顶板的热工性能进行了分析.测试表明：所用的PCM越多，所减少的得热量也越多；得热量受到PCM的熔化温度的影响.PCM熔化温度的选择取决于环境条件和工作条件.增加保温层也可以提高含PCM屋顶板的热工性能.A.BONTEMPS等[21]将PCM应用于一个双箱结构实验箱的隔墙中，两箱之间的隔墙是由16个空心玻璃块与铝框组成，玻璃块中填充或不填充PCM，各箱的其余4面墙均为厚度为20 mm的真空绝热板(VIP)；使用了3种PCM，即脂肪酸、石蜡与水合盐(熔化温度分别为21.4、25.0和27.5 ℃)；将实验箱放置于当地典型的室外环境条件下(外边界条件).结果表明：使用了PCM的实验箱内部的温度波动显著小于不使用PCM；若能结合有效的夜间送风以及减少太阳入射量，效果会更好.A.M.BORREGUERO等[22]对含PCM的石膏块进行了热工性能测试.结果表明：石膏板中PCM的质量分数越高，石膏板的蓄热能力就越强，同时墙体内温度波动幅度也越小；板内PCM质量分数每增加5%，在保持相同热工性能的情况下，石膏板的厚度可以减少8.5%.因此，PCM可以用来提高舒适度、节约能源以及减少墙体重量.L.F.CABEZA等[23]建造了具有实际尺寸的混凝土房间，房间的南、西向墙及屋顶含有质量分数为5%的PCM，且房间暴露于自然环境条件下.结果表明：含PCM的墙体热惰性显著高于不含PCM的墙体，且含PCM的墙体具有更低的内表面温度(降低了0～2 ℃)；相变墙使得峰值热流转移了约2 h；夜间送风可有效提高PCM墙的热工性能.A.CASTELL等[24]用两种传统的多孔砖分别砌筑了含有PCM与不含PCM的具有实际尺寸的房子，分别在西班牙典型的寒冷冬天与温暖夏天的气候条件下进行试验，且只在空间制冷模式下进行测试.结果表明：PCM使得室内峰值温度分别降低了约0.90 ℃和0.73 ℃，且室内能耗减少了约15%与17%.M.A.MEDINA等[25]建立了一种内含PCM的新型保温夹芯板，分析了这种板材在实际气候条件下的热性能.发现填充10%和20%PCM的板材使进入室内的热流峰值衰减了37%和62%，平均热流降低了33%和38%.同时，部分学者已对具有双层PCM墙体在冬、夏双工况条件下的热性能进行了初步研究，并得到较高的热工性能[12,26-31].

此外，一些学者还对采用PCM的应急建筑、临时建筑和装配式建筑等具有轻质围护结构建筑的热环境改善及节能性能进行了研究.庄春龙[32]对处于我国严寒地区(青藏高原北部地区)的分散式太阳能采暖营房、哨所、兵站等建筑采用含PCM的轻质围护结构的热性能进行了研究.研究得到的相变轻质墙体被动式太阳房优化方案，使建筑墙体的热惰性指标获得显著提高，对室内的调温效果较为明显.甄子亚等[33]针对某工业厂房的太阳能相变蓄热供暖系统进行了数值模拟分析，得到相变蓄热厂房热性能的最佳设计参数.周琳[34]对装配式相变大棚的应用效果进行了研究，解决了日光温室建筑用地与农作物耕种用地的冲突，并有效调和了日光温室普遍存在的能量供需在时间与空间上不匹配的矛盾.鲍恩财[35]的研究表明，装配式主动蓄热日光温室较原有的主动蓄热日光温室蓄热性能更好，且造价降低.徐贺[36]通过对含PCM的集装箱围护结构的数值模拟分析发现，PCM可以有效解决集装箱建筑夏季过热的问题，并显著提升围护结构的储能能力，降低制冷能耗，提升室内热舒适度.

同时，为了将PCM很好地应用于建筑材料中，学者们将PCM与各种建筑材料相混合，例如，将PCM与建筑石膏相混合制成石膏基复合PCM板[37]，将PCM注入建筑空心砖、空心砌块或楼板中[20,38-41]，将PCM放入预埋在墙体中的管道内[42]，将PCM用壁材包裹形成微胶囊等[43-46]，这些尝试都较为成功.

2.4 PCM工程应用的安全措施

由于有机PCM具有可燃性，且各国建筑安全标准要求也越来越高，近年来一些学者对有机PCM的安全性能也进行了研究，阻燃措施主要有以下几种：① 用不燃材料对PCM进行封装[47]；② 向PCM中加入阻燃剂[48]；③ 将PCM微胶囊化后，用不燃材料进行包裹[49].

3 结 论

1) 不同种类PCM具有各自的相变温度、潜热及相应的优、缺点，因此，在工程应用中应根据当地气候条件、室内目标温度、围护结构组成等实际情况，因地制宜地选取合适的PCM.

2) 由于PCM具有与传统保温材料截然不同的热性能特征，只有科学合理地将PCM应用于围护结构中，才能较好地发挥PCM的蓄、放热性能，这是当前国内外的研究重点之一.

3) 含PCM建筑构件在不同程度上起到了节能和提高室内热舒适度的效果，尤其是在装配式建筑、应急建筑、临时建筑等具有轻质围护结构的建筑中，可以发挥更好的作用，并针对PCM构件的安全性能提出了一些有效措施.

4) 学者提出了多个相变建筑构件的热工设计指标供选用，它们对轻质PCM的工程应用具有重要意义.