浅谈相变材料在建筑节能中的应用

蔡少敏

摘要：本文主要对相变材料进行介绍，分别对其特征及分类、在建筑材料中的应用及效果进行探讨分析，并对相变材料的优点与不足进行讨论，以及将来研究和改进方向进行设想。

关键词：相变材料；建筑材料；储能

1.前言

如今能源消费显著增长，使能源的供给开始出现紧张。随着建筑行业的能源消耗的比重将进一步增加，节能材料的研制成为研究热点。通过长时间的探究，已发现相变储存建筑材料具有优异性能和作用[1]。其具有在相变期间储存大量潜热的热力学性质，在周围温度下降时会发生固化，可以释放出其潜在的熔化热，反之则发生吸热。与传统材料相比，相变材料具有存储大量潜热的特性使每单位体积具有更大的蓄热能力。与建筑材料结合使用，可以实现将能量有效的储存起来以及更好的利用太阳能。将相变材料纳入建筑工程和提供有关其特征的信息是本文的主要目的。

2.相变材料的分类及特征

2.1相变储能材料的分类

根据化学成分，可分为无机相变材料，有机相变材料和复合相变材料。根据储能方式，可分为显热储热材料，潜热储存材料和化学储能材料，因为在显热储存和化学储能材料中存在一些问题由于难以控制，难以使用，能量存储密度低，而且技术复杂，这两个尚未被广泛使用。潜热储存利用吸热来储存或通过放热相变过程释放能量，使得温度大致恒定，容易控制和高能量存储密度，具有最实用的前景。基于相变方式，一般分为：固-固相变，固-液相变，固-气相变和液-气相变。

2.2相变储能建筑材料的优点

相变材料在建筑物中有很多的采用，是由于储热能力非常的好。建筑围护结构的外部温度控制，材料使用自身特点调节吸收热量和冷量，以及它们自身的物理性质变化和温度波动很小，有效保持房子里面温度相对稳定，这对建筑节能具有重要意义。

（1）潜热大，相变温度几乎恒定。相变储能建筑材料在白天有太阳时候可以储存太阳能，从而可以使材料再生能力增强，维持室内温度相对恒定。让室内更长时间保持人们舒适的温度。

（2）降低建筑能耗对环境的影响。此材料在工程实际使用过程中，对建筑材料的保护作用还是很明显的，还能存储能量，能够有效储存太阳中的热量使室内温度白天不会太高夜间不会太低，可减少空调的使用。

（3）相变储能建筑材料的应用可以让墙体的厚度一定程度的降低，从而实现建筑物的重量在一定程度上的减轻，使得建筑的设计有更多的方式，一定程度上可使建筑更多样化，为建筑的美感进一步提升，更能增大室内空间。

3.相变储存材料在建筑材料中的应用

3.1相变材料在涂料中的应用

建筑涂料具有保护、装饰和其他的一些作用，如减速火焰，保温等。在涂料中添加相变材料也是一个很好的办法，对节能有一定的贡献。很多使用微胶囊化技术用于生产微胶囊化相变材料。这种颗粒可以非常窄地吸收、释放潜热温度范围，并具有更显著的蓄热恒温功能。Synnefa等[2]在涂料中加入了含有MCPCM的冷色涂料，并进行了光学性质和热性能的研究。他们发现冷色涂料可以适当升高温度，与普通彩色涂料相比，可以达到控制温度的目的，同时它也可以在室内和室外装饰。TKarless等[3]将有机相变材料与涂层结合并制成相变涂料，他们发现相变涂层的表面温度明显低些，表明相变涂料的设计是比较成功的，对节能有一定的作用。除此之外相变材料的加入，还能对涂料具有明显的保护作用，使得涂料表面不会那么容易出现温度过高而爆皮、起泡、变色和变质，使得涂料寿命得到更好地保障，延长涂料材料的使用年限也是节能的另一种表现方式。

3.2相变材料在石膏板中的应用

石膏板是一种重量轻，强度高的优良绝缘建筑材料，具有隔热和阻燃性能。使用相变储能材料加入石膏板可以在各种建筑物的隔板中得到应用[4]。费尔德曼等采用浸泡和直接混合进行制备，通过DSC分析比较两种方法，他们发现了前者具有相变材料分布不均匀的缺点，而后者是均匀的分布式，且制备过程很简单。后来，人们发现相变储能石膏电路板可采用微胶囊法制作，克服了易漏、相变迁移的问题。

3.3相变材料在砂浆中的应用

将相变材料与水泥砂浆结合，可以用来制备相变储能器，通常用于制备壁板。砂浆可用作内墙板冬季保温使室内维持比较高的温度，夏季降温使室内维持一个比较低的温度，降低室内温度波动。刘成楼和唐国军[5]用液体石蜡作为有机相变材料，他们将它吸附在膨胀珍珠岩和硅藻土以及任何其他多孔材料中，然后制备最终的相变材料。制备出来的相变储能材料具有不错的隔热性、A级防火、相变的温度调节，以及环保等特点。用于外部绝缘时，具有显著的节能效果。

3.4相变材料在混凝土中的应用

随着混凝土材料的发展，现在对其性能的要求也有所提高，不仅局限于抗压强度，人们更注重其平衡和协调综合性能、耐持久性能、抗形变性能、当然还有隔热机械强度。相变储能混凝土是此类材料中比较新型智能的一种材料，其在外墙材料中的应用有效降低混凝土内部温度的上升速度，相变材料的加入有利于防止混凝土水化热而导致其早期干裂，从而提高混凝土的耐久性[6]。因为相变材料的加入使之成为比普通混凝土具有更高的热容量材料，它可以提高室内舒适度，并对节约能源有一定作用。周双喜等[7]测试了石蜡，石墨，硅酸，月桂酸，硬脂酸的性质酸，硫代硫酸钠和十八烷，石蜡微胶囊和十八烷微胶囊相变材料有三种类型并制备微胶囊。结果发现在混凝土的温度变化时，其对温度有一定的调节作用，使得混凝土内部温度变化减小，有效减小了由于内应力引起内部结构遭到破坏而产生裂缝。相变材料在混凝土中得到应用并使材料性能大幅度提高，对节能工作的贡献也是不可忽略的。

4.相变材料在建筑中的实际效果

相变材料从固态向液态发生转变放出大量热，反之，吸收热量。这就叫做相变热。由于在此过程中的温度范围很小，使得材料在整个过程前后自身温度几乎不发生改变。该材料在建筑节能中的应用，实现了室内舒适度大幅度上升，还为节能贡献了巨大力量。

4.1调节室内温度

相变储能材料的潜热是普通建材储存同等热量的190倍。以具备超高的热容的相变材料应用于建筑使得室内气温更稳定舒适。

图1是普通房间与相变房间墙体内外热流对比[8]。我们可以从图1看出普通房间的热流密度比相变房间的明显高。因此我们可以知道对房子的墙体使用相变储能材料后对室内温度具有调节效果。

4.2降低混凝土水化反应温度

当混凝土发生水化反应会伴随大量的热量放出，这对其来说是很致命的，放出大量热会使内部温度升高，从而导致开裂、强度降低，严重的还可能造成事故的发生。为了改善混凝土的性能以及使用安全行，相变材料的加入被应用了进来。研究对混凝土中掺入相变材料和不掺入相变材料进行了对比分析。结果如图2所示[9]，加入相变材料试验样的混凝土最高温度明显有所下降，反应完后热量释放得少，从而减小因内部温度过高造成内部结构破坏。而不掺入相变材料的基准样内部温度高出好几度，这样会对混凝土内部造成一定的破坏。

图1普通房间与相变房间墙体内外热流对比

图2基准混凝土、实验混凝土中心温度-时间曲线比较

4.3不同墙体升降温情况

给出三种不同墙体，1#、2#和3#分别为普通墙体、相变材料直接混和、相变材料分层插入墙体[10]。从图3我们可以看到，式样进行相同条件加热200min，刚开始低温时候升温速率基本相同，随着时间延长，普通墙体的升温速度远超于加入相变材料的，而相比之下分层加入相变材的墙体对温度调控性能更好一些。从图4同样可以看出，停止加热后普通墙体温度快速下降，而加入相变材料的墙体温度下降缓慢，也表明了以上结论。所以我们可以清晰地看出加入相变材料后墙体温度稳定了许多，控温效果得以体现，能使室内温度相对稳定许多。

图3加热段温度变化

图4冷却段温度变化

5.存在的问题和进一步的工作

相变材料经过几次储存-释放循环后，储能性能可能会出现降解、降解的热物理性质、阶段的兼容性问题，改变材料和建筑材料基材，相变材料的泄漏基材，相变材料引起的基体腐蚀和应力损伤效应等等。还有就是将相变材料封装起来的工艺比较困难，此过程成本比较高且不容易达到很好的效果，导致热能储存成本高，因此相变储能建筑材料价格和成本下降对其推广及广泛应用很重要。

6.总结

真正能大规模应用的相变建筑材料仍处于试验阶段，并在此领域，未来研究问题包括以下几个方面：首先，相变材料的经济性进一步改进，开发出适合的相变温度和潜热，在长期使用过程中的性能和稳定性；然后，研究相变材料的包装技术和包装材料，提高相变储能建筑材料的力学性能，耐久性，耐火性和导热性；此外，建筑构件物理模型的分析阶段变化，建筑构件的大小和角度变化具有通用性和可比性的计算方法；此外，实用性研究，测量相变材料壁热参数，用于计算模拟环境中的相变壁存储/热释放率，为确定不同相变墙体保温性能的动态，结合经济分析揭示相变材料的含量和相位转变温度。最后，降低成本，实现产业化，这才是材料最为需要做到的最终目的。近年来相变热能储存技术能源使用的快速发展，可以提高其在建筑节能领域利用新能源和可再生能源。该能源储存恒温器建设新材料的开发和应用是相变蓄热技术在建筑节能领域的目标。

参考文献：

[1]段淼，吴磊.建筑节能相变材料储能效果计算机模拟研究[J].科学技术创新，2018（11）：132-133.

[2]ASynnefa，MSantamourisandKApostolakis：SolarEnergy（2007），p.488.

[3]TKarless，MSantamourisandASynnefa，etal：BuildingandEnvironment（2011），p.570.

[4]刘凤利，朱教群，马保国，周卫兵，李元元.相变石膏板制备及其在建筑墙体中应用的研究进展[J].硅酸盐学报，2016，44（08）：1178-1191.

[5]LiuCLandTangGJ：ShanghaiCoatingsVol.50（2012），p.27.

[6]武泽福.相变储能混凝土动态力学性能试验与分析[D].安徽理工学，2018.

[7]ZhouSX，RongMGandZuoS，etal：submittedtoJournalofEastChinaJiaotongUniversity

[8]冯国会，高甫生，付英会，吕石磊，李国建，曹广宇.复合相变储能墙体热特性实验及参数辨识方法[J].沈阳建筑工程学院学报（自然科学版），2004（03）：207-210.

[9]张永娟，张雄，郑雯，张耀忠.复合相变纳米元件用于大体积混凝土控温研究[J].同济大学学报（自然科学版），2010，38（09）：1335-1339.

[10]刘明炀，叶晓江，侯志坚，张春萍，史秋怡.石蜡相变墙体传热性能研究[J].洁净与空调技术，2018（03）：58-60.