相变材料与建筑围护结构蓄能一体化设计和应用分析

曹文瑞，曹茂庆，李 宇，王 巍

(1.东北石油大学 建筑系，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江建筑职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150025；3.黑龙江斯维尔科技发展有限公司，黑龙江 哈尔滨 150025；4.黑龙江建筑职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150025)

0 前 言

在现代技术和建筑行业的深化发展下，越来越多的轻型、结构容量小的材料被引入到工程施工中，其中，相变材料就是其中的一种。相变材料在发生相变的时候会释放出比较多的热量，且相变温度的变化范围也会缩小，因而被人们广泛地应用到建筑工程，特别是建筑围护结构施工中，有效提高了建筑轻质围护结构的热容量，减少了房间内部的温度波动，有效改善了房屋的热性能，在真正意义上实现了建筑工程的低碳环保发展。为此，文章结合建筑围护结构施工的实际要求，就相变材料在建筑围护结构施工中的应用问题进行探讨。

1 相变材料概述

1.1 内 涵

相变材料是指在某一种特定温度环境下能够随意进行状态转变的物质。在材料相变的过程中，物质的分子会从有序的状态变为一种无序的状态，同时，在材料状态转变的过程中伴随着吸热和放热的现象。

1.2 分 类

①无机相变材料。无机主要是指盐溶液和一些水合物盐类物质。从材料市场基本情况来看，无机相变材料具有密度大、溶解热大、熔点范围广泛的特点，能够在0℃～150℃的环境下自由转变的。但是从实际应用情况来看，无机相变材料具有过冷、相分离、腐蚀性强的缺点。为了解决这个问题，可以选择在无机材料中添加成核剂和胶凝剂，在这类辅助材料的使用下能够改善无机材料过冷、腐蚀性强、容易分离的问题。②有机相变材料。有机材料一般由石蜡、脂肪酸、多元醇等共同组成，有机相变材料的温度一般在0℃～150℃，这类材料的密度、溶解热比要比无机相变材料小，因而购买价格比较高。但是从实际应用情况来看，有机相变材料和无机相比材料相比不会出现分离和过冷的问题，导热性能良好，化学性能和物理性能稳定。有机相变材料中的石蜡由直链烷烃组成，熔解变化、熔点数值会随着碳链的变化而发生变化，在这个期间会获得一系列相变温度变化的贮热材料。石蜡具有熔解热高、相变蒸气压数值低、结晶无过冷、结晶无析出、化学和物理性能稳定、无毒无害的特点。但是石蜡材料的导热系数不高，为了提升导热系数，可以在其中添加石墨粉、金属粉末。脂肪酸类的材料包含棕榈酸、硬脂酸等，这类材料在使用的时候会显示出良好的循环熔融性能和较强的结晶稳定性，在使用的时候不会出现过冷和析出的现象。

2 相变储能材料基本情况介绍

2.1 相变储能材料的使用原理

相变材料会在一个稳定的温度环境下出现状态变化，是在这个期间利用潜热储存或者释放一定热量的材料。和一般的材料相比，相变材料能够将环境中的能量予以存储，根据需要选择恰当的时间释放。

相变材料在周围环境改变的情况下其物理性能、化学性能会发生变化，即会向环境中释放热量或者从环境中吸收热量，在热量转移之后环境温度不会变化，吸收或者释放热量的相变材料会转移到环境中。将相变储能材料引入到建筑围护结构中能够减少房屋建筑室内外热流的波动幅度，减少室内温度的波动，从而为人们提供一个适宜居住的环境。相变储能材料温度调节原理如图1所示。

图1 相变储能材料温度调节原理

2.2 相变储能材料的性能

和一般性的建筑材料相比，相变储能材料会很好地吸收热量和释放热量，相变储能材料中的相变焓能够平衡物质相变反应中潜在的热量储能，比热容能够精准地显示出物质的吸热和放热情况，从使用总体上来看，是一种对热量平衡比较理想的物质形态。从其在整个建筑工程施工中的实际应用情况来看，这类材料的相变热均值数量在100 kJ左右，显热蓄能效果是一般材料的40～50倍。水因为具备良好的显热储能性能因而会被经常应用到建筑室内温度调节中，是室内温度调节的重要载体。1 kg水在固液态相变过程中吸收、释放的相变潜热是液态水温提升80℃所需要的能量。在将相变储能材料和一般性的综合材料对比分析可以发现，相变储能材料具备强大的储能能力和室内温度调节能力。相变储能材料的物理属性如表1所示。

表1 相变储能材料的物理属性

3 相变储能材料在建筑围护施工中的应用特点

从实际应用情况来看，在建筑围护结构施工中可能应用到的相变储能材料类型比较多，但并不是每一种相变材料都能够被引入到建筑施工中。在建筑围护结构施工中所使用的相变储能材料具有以下特点：①相变储能材料具备良好的热传导系数，单位质量上材料的热变潜能比较大，材料的体积膨胀率较小，材料的使用密度较大；②相变过程会显示出理想的可逆性，在材料相变的时候温度是一个十分重要的影响因素，在发生相变的时候要求不会出现过冷的现象；③相变过程中不会产生毒害和腐蚀的现象，更不会污染周围的环境。

4 相变储能材料在建筑围护施工中的具体应用

4.1 相变储能材料在建筑蓄能围护结构中的应用

在房屋建筑工程施工的过程中，为了提升整个建筑工程围护结构的热惰性，减少房屋建筑内部温度延迟和衰减的现象，需要根据建筑结构类型的不同来选择对应的相变储能材料。比如对于现代建筑来说，一般会选择轻质材料作为围护结构的基本材料，但是在实际使用的时候受材料热容小的影响，在使用材料的过程中很容易造成室内夏天温度高、冬天温度低的问题，无形中会加大建筑的采暖能耗。而将相变储能材料引入到建筑蓄能围护结构中，可以借助相变材料的相变潜力，在夏天温度较高的时候实施蓄热操作；在冬天温度较低的时候实施蓄冷操作，从而实现对建筑室内温度的合理把控，克服传统轻质围护结构热惰性较小的问题。相变储能材料在建筑蓄能围护结构中的应用形式具体表现如下。

①相变墙体。在夏天的时候，房屋建筑墙体会释放比较多的热量，这个时候引入了相变墙体后能够根据外界环境的变化来调节建筑墙体的温度，比如德国某建筑工程就在墙体的外部涂抹了颗粒石膏材料，在温度升高的时候，蜡粒会熔化，产生的热量会被存储起来，在不使用空调的情况下也能够降低建筑室内的温度。②相变地板。冬天太阳高度角较低，热量来自于地板吸收的太阳辐射。在此情况下，为了更好地储藏太阳辐射能，可以将相变底板引入到房屋中。比如某建筑楼将定型相变材料埋入到常规活动底板中，将白天进入到室内的太阳辐射热存储在相变材料内，当晚上温度较低时，相变材料会出现相变反应，这个时候会向室内释放白天存储的热量。③相变特朗勃墙。这类墙体在加工的时候会使用高热熔的重质墙体，施工存在缺陷。在使用高储热能相变材料打造出的轻质相变墙能够克服这个问题。在夏天温度较高的环境下，基于这类材料的基本属性，如果周遭的温度比较高，其能够吸收围护结构上的太阳辐射，同时，在热压作用的影响下会驱动背阳面冷风的流动，在这个过程中会带走室内围护结构的热量。不仅如此，相变墙还能够存储冷量，在冬天关闭房屋外面通风口的时候，相变特朗勃墙会吸收太阳辐射，在这个期间形成的热压会促进热空气在室内循环流通。而在冬天气温较高的时候可以开启室外通风口，由此顺利将室外的新风引入到室内，打造出一个新风循环。

4.2 主动相变供暖蓄热系统

和传统意义上的取暖方式相比，地板辐射采暖满足人体舒适需求，在这个期间室内的地表温度会十分均匀，室内温度随着建筑高度的增加从下到上不断降低，从而给人带来一种居住的舒适感受。与此同时，在这个期间会提升资源和能源的综合利用率，在保证工程顺利施工的同时减少能源的浪费。

①电加热相变地板辐射采暖系统。借助夜间低峰段的电能驱动电加热装置，在这个期间产生的热量会通过潜在热的形式存储在相变材料中，装置在白天释放热量会为人们提供适宜的温度，提高人们的居住满意度。在技术的支持下有学者研究出了定型相变贮能电加热底板辐射采暖系统。从实际应用情况来看，定型相变贮能电加热底板辐射采暖系统会在水泥板材之间铺设形变材料，并将高密度的聚乙烯作为重要载体包裹石蜡相变主体。和一般情况下地板辐射采暖系统相比，谷电辅助加热形成的定型相变贮能地板辐射采暖系统的运行费用会减少50%，且在该装置的作用下还能够将室内温度控制在18℃～22℃。②太阳能相变地板辐射采暖系统。太阳能的使用对天气变化有着较高的要求，将这类材料和建筑施工常用材料配合使用的时候会提升资源利用率。比如在实际实施操作的时候，整合了太阳能资源的相变地板辐射采暖系统能够有效提高各个资源的利用率，根据外界环境的变化来调节材料的使用，将光热系统中产生的中低温热融入到蓄能地板中由相变材料组合形成的盘管，在这个期间通过对流换热或者热辐射的方式来完成供暖。

5 结束语

工程实例证明，相变蓄能围护结构材料的储能效果理想，在提升房屋建筑围护结构热惰性的同时还可以降低设备的使用损耗。从实际应用情况来看，相变材料在建筑工程中的应用形式十分多样，既能够和建筑墙体、地板、吊顶主体结构结合在一起使用，又能够以热构件的形式存在，为了发挥出相变材料的作用，需要相关人员根据房屋建筑的设计需求来选择适合的结合方式，从而更好地发挥出相变材料在降低建筑能耗和提升房屋建筑舒适度中的作用。

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