相变储能材料在节能建筑设计中的应用

牛 红 培

（濮阳职业技术学院，河南 濮阳 457000）

随着现代建筑产业的不断发展，建筑耗能也在不断增多。于是相关产业研究的重点自然转移到高效节能相关技术上。相变储能材料(PCMs)可以根据周围环境温度改变自身物理状态，吸放大量热能用于能量材料储存，不仅可以有效提高能量储存密度，还可以降低建筑温度波动。从实际应用上来说，将相变储能材料应用到现代建筑设计中，可以有效提高建筑物的温度舒适性，同时可以降低电力峰值负荷，提高用电效率，实现建筑节能，符合当前建筑行业高效节能的发展趋势。

本文对当前国内外相变储能材料及其在建筑节能设计中的应用情况进行综述讨论，着重分析了常用相变储能材料的类别与制备应用情况，以期对相关产业发展与研究提供一定帮助。

1 常规相变储能材料的类别

基于实际的相变特征，现代相变储能材料可以划分为以下四大类：固-液、固-气、固-固与液-气。其中由于固-气和液-气两种相变储能材料会产生大量的气体，对其体积的控制难度较高，所以很少用于工业。而固-液相变材料则可以进一步划分为以结晶水合盐、金属合金为核心的无机材料与其他有机材料。具体类别如表1所示。

表1 相变材料类别Table 1 Types of phase change materials

2 相变储能材料的选择与改性

2.1 材料选择

为了满足当前市场节能建筑设计与能源需求，最佳相变储能材料必须优先考虑温度性能、物化性能以及最终的成本经济性。首先，节能建筑设计用相变储能材料需要具备适宜的相变温度空间，这就要求相变材料拥有合适的相变储热和导热性能(过大、过小都不合规)；其次，相变储能材料需要具备良好的热循环，和相变可逆性，不会腐蚀建筑结构的核心构件，且无毒无害；再次，相变过程中，材料自身的体积变化需要易于掌控，最好不要出现过冷相分离等情况，最后就是材料自身不能造价过高。

然而通过市场研究可以肯定，完全符合上述所有要求的相变储能材料较少，所以现阶段大多数节能建筑在选择材料时会优先考虑温度和相变储热情况。表2为部分常用的建筑相变储能材料。

表2 复合相变储能材料参数Table 2 Parameters of composite phase change energy storage materials

2.2 储能材料改性

上述研究表明，当前建筑节能领域正在广泛引入相变储能材料，但是单一的储能材料不能完全满足所有市场需求，其常规问题包括但不限于：相变温度不符合要求，导热性能较差；较低温度下容易泄漏、相变潜热低等。所以近年来国内外不少研究机构，通过各类数值模拟，不断研究制备新的相变储能材料。目前，常规的研究方法就是改变单位配比情况，研制复合型相变储能材料，最大程度弥补传统单一材料的缺陷。例如，通过添加成核剂，解决部分相变材料漏液的情况，或者以添加导热剂的形式，解决相变储能材料导热率问题。这些都是近年来较为成功的研究案例，此外还有其他的一些改性操作例如：国内研究员王若钰等[1]以高密度聚乙烯为基体，添加膨胀石墨的石蜡作为相变材料，制备的复合相变储能材料，其相变出热可以通过调整石蜡质量控制。通过大量的实验可以肯定，该复合材料的热储能力与导热率较好，且该方法可以有效降低其机械性能，可以在建筑节能领域直接使用。

孙凯等[2]制备了以聚乙二醇和膨胀石墨为核心的复合材料，该材料的相变温度区间为18.25～27.62℃，潜热性能为95.55～99.25 J/g，可以用于建筑室内的装修。此外，国外已有学者研究了一种形状稳定的基于聚乙二醇PEG@NPC-Al 的新型复合相变储能材料。通过实验可以得出结论，该材料比单一的聚乙烯二醇有更好的热储能力和渗透性，其相对较高的稳定性也能保证其应用安全，可以用于建筑储能。

3 节能建筑设计中相变储能材料的应用

一般情况下，在现代节能建筑领域，相变储能材料的应用，可以用于被动式储能系统和主动式储能系统。其中，被动式储能系统一般会应用传统的自然能量加热和冷却相变储能材料，实现建筑物的温度控制。而主动式储能系统，则需要人工冷热源与相变储能材料结合，通过人工热源辅助相变储能材料加热或者制冷。当前国内外均有大量研究机构依靠仿真数据测试模拟等方法，对相变储能材料的实际应用性能进行分析研究，评估其真实的经济效益。

3.1 被动式相变储能系统

在建筑被动式相变储能系统的应用与设计中，相变储能材料大多会被应用到建筑外部保护结构，例如墙体、天花板、护栏等。在这种情况下，相变储能材料会作为一种独立结构与建筑材料结合，直接放入石膏、混凝土或者砂浆中。这样的设计可以最大限度调节建筑外部温度，在建筑没有安装其他冷却系统的前提下，增加热量控制范围，提高居民生活热舒适感。通过实验室数据模拟可以确定，被动式相变储能系统与相变储能材料的应用可以有效控制建筑温度波动，转移冷却负荷，且对自然环境没有任何负面影响。美国已有学者将相变储能材料与膨胀珍珠岩融合，构建了一种新的EP/EV 石膏板。该石膏板符合主流建筑需要，并在韩国、日本等地应用范围较广。通过水循环测试，数据表明该石膏板的最佳质量配比为7∶3，此时相变储能材料在温度调节方面性能最佳。

3.2 主动式相变储能系统

现代节能建筑中，主动式相变系统与相变材料大多与建筑空调系统、地板采暖、通风系统结合。可以用于气候较为极端的地区。实验数据证明，与传统的保暖制冷或者通风系统相比，添加相变储能材料可以进一步降低室内环境的温度波动区间，提高环境舒适度。同时由于该材料自身有一定能源需求特性，可以有效降低工作温度控制负荷，从而进一步降低建筑能耗，节省电力资源。例如张建武等[3]以膨胀石墨、高密度聚乙烯和石蜡为核心材料根据一定配比制备了新的SSPCM双层石板，该石板在我国南方地区应用效果较好，通过实验证明可以直接降低办公楼超过15%夏季冬季能耗，尤其冬季使用效果更好。

4 结 论

在现代建筑领域和储能领域，相变储能材料的应用不仅可以有效节约能源，降低建筑能耗，同时也为后续的环保储能发展提供了一定基础。因此基于相变储能材料的建筑材料设计应用，必定有着较为广阔的市场应用前景。本研究从储能与建筑两个角度分析了相变储能材料在建筑设计中的应用，除了文中提到的问题，还有其他方面需要未来进一步探讨。

（1）相变储能材料的长期保存。当前大多数相变储能材料尝试使用中都出现了或多或少的泄漏情况，同时自身也有一定腐蚀性。未来需要找到更合理的相变温度和具有一定耐腐蚀性的建筑材料。

（2）相变储能材料的导热性。目前许多相变储能材料的导热性一般，如何有效提高其导热性能是未来研究的又一项重要课题。

此外还有相变储能材料的生产工艺，也是相变储能材料成本控制和商业化的一项重要内容。