相变蓄能墙体在主/被动建筑中的应用现状

2021-07-28巫洋茜谢东王汉青

建筑热能通风空调 2021年6期

关键词：结果表明墙体建筑

巫洋茜谢东* 王汉青

1 南华大学土木工程学院

2 中南林业科技大学土木工程学院

3 建筑环境控制技术湖南省工程实验室

4 建筑节能与环境控制衡阳市重点实验室

伴随着全球工业的快速发展，以煤，石油和天然气等为代表的不可再生能源的共给已呈现出了日益紧张的趋势。节能减排成为摆在人类面前的一项艰巨而迫切的任务。其中，建筑能耗占社会总能耗的25%左右[1]，因此，提高建筑中的能源效率，最大限度地降低建筑能耗对节能减排有着巨大意义。优化建筑围护结构，增强墙体热性能是建筑节能的有效途径之一。相变材料（PCM）有很大的潜热值，蓄热能力较强，可以在在自身温度升高时熔化吸收热量，而在温度降低时凝结释放出热量[2]。基于此种特性，PCM 可利用自身相态变化将暂时不用的能量存储起来，需要时再释放，能量得到了较大限度的利用，从而达到节能的目的。本文概括阐述了国内外对建筑节能用相变墙体的研究现状，对相变材料的分类、封装方式、现有研究中相变墙体结构以及学者们对相变墙体的优化研究进行了归纳总结。

1 建筑用相变材料的研究进展

1.1 相变材料的分类及其改性

用于建筑的相变材料可以分为无机相变材料和有机相变材料。无机相变材料主要包括：结晶水合盐，熔融盐以及金属合金等，这类材料的融化热大，导热系数较高，相变时体积小，但它们的结晶水数在相变时会发生变化，使得相变的可逆性能变差，有过冷现象和相分离现象，且具有腐蚀性[3]。有机相变材料主要包括脂肪酸、醇、酯以及二醇等[4]，有机相变材料性能比较稳定，潜热较大，且腐蚀性较小，但是易燃、导热性较差。不同有机相变材料的性质差异很大，有些具有比较合适的相变温度和较高的潜热，无毒、无腐蚀性，有些却在高温状态时易燃、易分解，因此在选择材料时一定要考虑到安全问题[5]。从目前的研究来看，石蜡是研究较多的适用于建筑围护结构的有机相变材料，这主要是因为石蜡的过冷度很小甚至没有过冷度，且无毒无腐蚀性。

现有的单一相变材料并不能满足所有适用于建筑墙体的性能，或多或少会有一些缺点，如导热系数小、存在过冷现象等。因此学者们就此点作了许多研究，将性能具有互补性的多种材料复合，对已有相变材料进行改性以满足最佳性能。谢尚群等人[6]将石蜡与膨胀珍珠岩混和制备了复合相变颗粒，并测试了其导热系数，结果表明，该复合相变颗粒既保持了原有的高潜热，又提高了其热稳定性。也有研究表明，可在相变材料中掺加高导热材料，如微米尺度的金属粉末、石墨和碳纤维等[7-10]，例如，Guo 等[11]将膨胀石墨与石蜡材料混合得到复合PCM，结果表明，该复合相变材料有较高的导热率，且储热能力较好。还可以添加纳米尺度的碳纳米管，氮化钛，碳化硅以及氧化硅等来增强相变材料的热性能[12-14]。例如，杨宾等人[15]在石蜡材料中分别加入纳米颗粒以及金属肋片，结果表明，此种颗粒可以显著减小相变材料的过冷度，增强其传热性能。综上所述，相变材料的种类多样，可以根据具体的建筑需求选择合适的相变材料，但目前的建筑用相变材料存在过冷度、导热性能不佳等缺点，在今后的研究中，相变材料的改性、增强其导热性能、过冷度等的研究应用空间较大。

1.2 相变材料的封装

概括来说，相变材料的封装方式可以分为微观封装与宏观封装两种。微观封装是通过制备相变微胶囊、定型相变材料等，将相变材料包裹在较小的容腔、微空隙中，得到复合相变材料。宏观封装简单来说就是将相变材料装入宏观体积的容器中进而使用[16]。宏观封装由于工艺限制容易泄漏，因此需要特别注意容器的密封。

微胶囊封装是利用成膜材料将相变材料包裹成具有核壳结构的微粒[17]。由于相变材料与外界环境隔离使得其储能性质相对稳定，因此微胶囊技术可以有效地解决相变材料泄漏问题，但制作工艺复杂、成本高、易磨损破裂且导热性能差[18]。金翔宇[19]制备了以水与聚乙二醇400 为基液的相变微胶囊悬浮液，测定了其导热系数、静置后浊度等参数，结果表明水和聚乙二醇提高了悬浮液稳定性并保持较高的导热系数，更加适用于绿色建筑。Olivieri[20]将微胶囊相变材料制作成预制辐射建筑构件的最内层，实验研究了新型胶凝砂浆的热性能，结果表明该构件具有显著的高导热系数、扩散系数和透水系数。

定型相变材料封装是将支撑材料与相变材料复合，常用的支撑材料有多孔材料，层状材料和高分子材料等[21]。整个复合相变材料能保持原来的形状不变并具有一定的强度，降低了泄漏的可能性。Zhang[22]等人将聚乙二醇作为相变材料，膨胀石墨作为多孔吸附材料，采用物理吸附法制作了复合相变材料，经过实验表明，该种材料密度轻、导热系数高、蓄热能力大、稳定性好，抗压性能也能够满足普通砂浆建筑材料的要求。Kim[23]等人将定型相变材料（SSPCMs）布置在墙壁等地方，实验表明SSPCMs 的添加有效改善了房间的热工性能，并可以大规模用于建筑表面。

宏观封装是将相变材料封装在宏观尺度的管件、袋子、板状容器等容器中[24]。例如，Bontemps 等[25]用玻璃容器封装相变材料（图1）。Zhou[26]等人将相变材料封装在了PVC 板中（图2）。Rathore[27]以及Sun[28]等人将PCM 放入铝管中（图3），然后将铝管均匀布置在墙体中。Chang[29]等人将PCM 封装在透明袋中（图4）。

图1 封装在玻璃容器中

图2 封装在PVC 板中

图3 封装在空心铝管中

图4 封装在透明袋中

相变材料的封装方式多样，但目前对相变材料的封装还不够完善。由于建筑中大多采用固-液相变材料，防止其泄漏是封装相变材料时需要考虑的首要问题。目前的封装方式要么造价昂贵，要么容易泄漏，要么传热效果不佳，因此从这些方面对相变材料的封装进行优化也是目前的研究热点之一。

2 相变墙体在建筑中的应用现状

将相变材料应用于建筑墙体，可以增大墙体热容，从而降低传入室内的最大热流，延迟最大热流的到来时间。此外，相变墙体还可以结合可再生能源为房间提供免费冷量或热量，从而降低建筑能耗[30-32]。近年来，国内外学者们对相变墙体的应用进行了一系列的实验与模拟研究。为了更好地实现建筑节能，学者们研究了相变墙体的各种结构形式，根据其工作原理不同，本文主要从主动式建筑中相变墙体与被动式建筑中相变墙体两个方面来进行总结讨论。

2.1 被动式建筑中的相变墙体

被动式建筑即不需额外提供能量，仅依靠建筑本身的构造设计与自然热量，就能够使室内达到一个舒适的温度条件。许多学者在已有普通墙体的基础上添加相变板层，进而提高室内热舒适。添加了相变材料的被动墙体可以明显降低推迟室内温度峰值时间，且有“削峰填谷”的效果。从目前的研究来看，PCM 在建筑砖中的应用可以成为一种有效的建筑被动热控制技术，而多孔砖内部的孔洞正合适放置相变材料。例如，Dabiri[33]等人在一种特殊的空腔砖中放置相变材料，砖中含有PCM 与10 个空气腔（图5），并分析了室内温度的波动。Kant[34]进行了含相变材料的建筑砖在太阳辐射和环境温度等环境条件下的热分析（图6）。通过比较普通砖，圆柱腔内填充空气砖以及圆柱腔内填充PCM 砖三种不同情况，评价了PCM 在建筑用砖中的有效性。

图5 装有相变材料的砖体结构

图6 含相变材料建筑砖在环境条件下的热分析

也有学者们将相变材料与普通建筑材料掺混在一起，既保证墙体结构的强度，又增强了墙体的热惰性，例如Mushtaq[35]等人将PCM 作为保温材料。结果表明，采用PCM 作为保温材料后，该区域的室内温度降低，冷负荷降低。Tian[36]等人将PCM 作为涂料敷在墙体表面，结果表明，相变储能墙体的平均传热阻力是普通涂覆砂浆墙体平均传热系数的2.04 倍。Lee[37]等人将PCM 直接与纤维素绝缘材料混合，发现添加了相变材料的保温板中，PCM 的熔化潜热变化不大，且墙体的保温性能更好。Errebai[38]等人更是提出了一种优化的相变石膏板，石膏板上有多个小孔，使得墙体与周围空气有更大的接触面积，增强其换热效果。结果表明，给定厚度的穿孔板吸收的热量相当于标准板厚度的三到四倍。

目前学者们对被动式建筑中的相变墙体进行了一系列的优化研究，讨论了如何优化相变墙体，使其节能效率更佳。目前研究得较多的是相变层的分布位置及其厚度等对室内热环境调控的影响[39-42]。例如，孔祥飞[43]等人对比分析了夏季工况下，室内对流换热系数、相变材料层位置对相变蓄能墙体热特性的影响。结果发现在夏季时相变层适宜分布在靠近室内侧，而且随着室内空气对流换热系数的增大，相变材料的蓄热量增大。Gounni[44]进一步通过研究发现当PCM 层放置在靠近热源的一侧时，会对峰值热流产生巨大的影响。在此位置，峰值热通量比参考墙体减少32.9%。相变材料的最佳位置等参数不能一概而论，它与特定的应用条件相关。Kyoung[45]等人就发现PCM 应用在南墙和西墙时的效果不同。如图7[43]所示，南墙和西墙的PCM 层最佳位置分别为3 号和2 号位置。总的来说，PCM 的最佳位置受很多因素影响，如相变温度、外加热源温度以及墙体结构等，这些都需要进行更深入的研究。

图7 PCM 分布在墙体的不同位置

除了优化相变墙体的结构参数外，学者们也考虑使相变墙体在全年都能够发挥较大的作用，但一种相变材料往往不能满足全年工况下的建筑节能，将两种不同热特性的PCM 用于墙体中，能够显著改善热环境[46]。为了更好地发挥相变材料对室内温度“削峰填谷”的作用，学者们也将单一的相变墙体结构结合起来，Meng[47]等人提出了复合相变房间的概念，在一个房间内放置了两种熔点不同的PCM。并对夏季和冬季室内相关参数进行了测试分析。结果表明，在夏季，复合相变房间可以显著减少外界向房间释放的热量。在冬季，PCM 组合式房间可以显著增加房间的排热，减少房间的吸热。复合PCM 房间在夏季和冬季均表现出较好的热性能。

2.2 主动式建筑中的相变墙体

主动式建筑即事先安装好能源设施来主动提供能量，以满足室内热舒适需求，通常将建筑墙体与太阳能、电能等结合起来，而这些人工能源则用来对相变材料进行辅助加热或冷却。例如，Zhu[48]等人将一种双层相变墙体（SSPCM）用在空调房间中，通过实验与数值模拟分析了该房间在武汉冬夏两季的节能效果。结果表明，含有双层PCMs 的房间在冬、夏季分别降低6.4%和17.8%的能耗，节能效果显著。Zhou[49]等对一种用于夏热冬冷地区的新型相变材料（PCMs-VTW）组合通风墙体的热工性能与能耗进行了模拟研究。墙体结构包括：具有高吸收率/反射涂层的外部PCM 层和装有热/冷水管的内部PCM 层。结果表明该墙体可以有效缓解室内温度过热与过冷问题，且明显降低了房间的电能消耗。Zhou[50]等人将定型相变材料板与热/冷水管结合起来，用于墙壁冷却和地板下供暖系统（HC-SSPCM）。研究表明，HC-SSPCM 存在一个最佳位置且最佳厚度为30-60 mm，该模型有较好的室内热舒适且大大降低了住宅能耗。郭茶秀[51]等将相变材料与低温热水结合起来，基于低温热水墙体辐射供暖技术研究了一种新的复合相变墙体板并对其蓄放热过程进行了模拟分析，为提高供暖系统的舒适度研究方面提供一定的理论依据。图8 为部分主动式建筑墙体中的相变墙体示意图。

图8 部分文献中的主动式墙体结构

Kong[52]等将主动式墙体与被动式墙体结合起来，利用石蜡和膨胀珍珠岩（EP）自制了一种复合PCM，进而制备相变材料墙板。学者们将太阳能加热系统与充满石蜡的板式蓄热器（HAR）连接，还在墙壁表面贴满了PCM，从而将PCM 的主动式利用与被动式利用结合起来。实验结果表明，PCM 主动式和被动式组合进一步提高了建筑围护结构的热性能，室内热舒适性以及建筑能效。

就目前来说，被动建筑中的相变墙体研究较多，主要是由于被动式建筑更加节约能耗，对外界能源的消耗更少。而相变材料应用在主动式墙体中的研究也有其发展的趋势，主要在于将相变材料与可持续利用能源结合起来，目前这方面的研究还主要涉及墙体结构的设计，还可进一步研究其墙体结构参数的优化，进一步增大建筑中的潜热利用率，更好地调节室内热舒适。