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摘要：相變蓄熱材料是一種全新形式的化學(xué)材料，在一定溫度時(shí)借助放出與吸收能量來進(jìn)行相變化，完成熱量釋放與儲(chǔ)存。該種材料對(duì)比一般蓄熱材料來說有著明顯的優(yōu)勢(shì)，基于此，很多建筑行業(yè)管理人員選擇將該種材料合理應(yīng)用在節(jié)能建筑領(lǐng)域，以降低建筑的使用成本與維護(hù)成本，并滿足國(guó)家的環(huán)保要求。就相變蓄熱材料概述、相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展進(jìn)行了論述與分析。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱材料；節(jié)能建筑領(lǐng)域；應(yīng)用；研究進(jìn)展

實(shí)現(xiàn)相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，并探究其研究進(jìn)展，一定程度上提升了建筑本身的節(jié)能效果，除了發(fā)揮其本身蓄能量大的優(yōu)勢(shì)之外，還可利用其結(jié)晶溫度與融化溫度接近的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用在冷卻、加熱方面。且要求建筑企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員在應(yīng)用其進(jìn)程中對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)察與總結(jié)，以此來優(yōu)化其應(yīng)用方式，實(shí)現(xiàn)更高程度的節(jié)能效果。

1相變蓄熱材料概述

相變蓄熱材料（以下簡(jiǎn)稱PCMs）是一種可進(jìn)行熱能儲(chǔ)存的全新形式的化學(xué)材料，在指定溫度下放出或者吸收熱量進(jìn)行物相變化來進(jìn)行熱量的釋放與儲(chǔ)存。按照化學(xué)成分差異化，一般選擇將相變蓄熱材料分為復(fù)合類、有機(jī)類相變材料，對(duì)比一般蓄熱材料來說，其有著熱穩(wěn)定性好、存儲(chǔ)密度高、熱容大的優(yōu)勢(shì)。相變蓄熱材料的研發(fā)以及應(yīng)用，自純?nèi)芤浩?，至二元溶液→三元溶液→?fù)合PCMs，我國(guó)當(dāng)前研究的相變蓄熱材料主要集中在Na2SO4·10H2O領(lǐng)域，部分研究人員在針對(duì)基站機(jī)房房溫問題，選擇以Na2SO4·10H2O為基礎(chǔ)制作相變蓄熱材料，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、儲(chǔ)熱密度、相變溫度等實(shí)施優(yōu)質(zhì)改良，合理控制了機(jī)房溫度[1]。而按照相變溫度來進(jìn)行劃分，主要包括低溫、中溫、高溫相變蓄熱材料，在應(yīng)用到節(jié)能建筑領(lǐng)域時(shí)，一般以中溫與低溫相變蓄熱材料為主，常見的相變蓄熱材料包括脂肪酸、石蠟、熔融鹽等，其儲(chǔ)熱方式包括熱化學(xué)儲(chǔ)熱、潛熱蓄熱、顯熱蓄熱。顯熱蓄熱又稱相變蓄熱，是特定材料在固-液-氣之間互相轉(zhuǎn)換，散發(fā)或者吸取熱能。水自液態(tài)→固態(tài)，其相變焓值達(dá)到335J/kg。經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)踐證明，水處于固液態(tài)相變時(shí)釋放/吸收等焓值大概等同于1kg液態(tài)水自0℃升溫至80℃所需的能量，因此能夠得知，相變蓄熱材料不但能夠大量蓄能，而且能夠有效調(diào)節(jié)室內(nèi)居住舒適度[2]。

2相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1相變蓄熱地板

相變蓄熱地板屬于一種全新形式的節(jié)能地板，健康、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)比傳統(tǒng)形式的暖氣片優(yōu)勢(shì)明顯。建筑行業(yè)出現(xiàn)的一種超低能耗示范樓選擇的即是形狀固定的儲(chǔ)能原材料代替普通材料，填充至普通地板中，在白天溫度很高時(shí)，陽光會(huì)透過窗扇、玻璃幕墻，然后以輻射熱能的形式儲(chǔ)蓄在儲(chǔ)能原材料中，到了晚上，相變蓄熱材料會(huì)進(jìn)行相變，朝著室內(nèi)散發(fā)儲(chǔ)蓄的熱能，以此來降低室內(nèi)溫度波動(dòng)。根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，蓄熱地板可將建筑內(nèi)部溫度波動(dòng)限制在6℃以內(nèi)[3]。

2.2相變蓄熱屋頂

選擇膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變蓄熱復(fù)合材料，混合進(jìn)建筑砂漿中，用于建筑屋頂，綜合其應(yīng)用結(jié)果顯示，該種形式的建筑屋頂在降低建筑內(nèi)外導(dǎo)熱與傳熱效率的同時(shí)，對(duì)于維持建筑內(nèi)部溫度有著極好的效果。此外相變材料亦會(huì)廣泛應(yīng)用于天花板裝飾，比如華盛頓大樓建設(shè)時(shí)選擇相變蓄熱材料建設(shè)的分子工程大樓，天花板選擇的相變材料屬于無毒植物凝膠范疇，填充在塑料小方格，裝置在辦公室天花板中。該種形式的蓄熱天花板在大概23℃時(shí)會(huì)吸熱融化，并在同等溫度下凍結(jié)，這在抑制建筑內(nèi)部溫度波動(dòng)的同時(shí)，將被動(dòng)冷卻空間愈加舒適。

2.3相變蓄熱墻體

石膏是一種比較常見的建筑材料，其對(duì)整體工程建設(shè)具備相應(yīng)的指導(dǎo)作用，混合石膏與相變蓄熱材料，將其應(yīng)用于墻體建筑中，能夠使得建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)具備相應(yīng)的調(diào)溫特性與調(diào)濕性能。Becker等系統(tǒng)化研究了黏貼相變石膏板在外墻內(nèi)側(cè)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體建筑與地中海氣候區(qū)輕質(zhì)建筑，發(fā)現(xiàn)其在輕質(zhì)建筑中有著最佳的應(yīng)用效果，能夠達(dá)到57%的節(jié)能效果，且認(rèn)為選擇該種墻體時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮夜間通風(fēng)以及建筑類型。而就相變Trombe墻體來說，其具備自然通風(fēng)能力，標(biāo)準(zhǔn)工作原理如下所示：在夏天白天天氣熱時(shí)，將太陽集熱墻上面頂風(fēng)口打開，相變Trombe墻體會(huì)吸收圍護(hù)結(jié)構(gòu)位置的太陽能輻射，此時(shí)蓄熱材料會(huì)融化，并在熱壓驅(qū)動(dòng)下，背陽面會(huì)有冷風(fēng)流動(dòng)，并且室內(nèi)空氣會(huì)借助太陽能通風(fēng)管道朝著室外排出，室內(nèi)持續(xù)換氣，攜帶出維護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑內(nèi)的熱能，并儲(chǔ)存相變墻冷量。在冬季時(shí)將室外通風(fēng)口關(guān)閉，相變Trombe墻體會(huì)將照射進(jìn)來的太陽能吸收并儲(chǔ)存，墻體加熱空氣之后送入室內(nèi)，熱空氣在此進(jìn)程中形成建筑內(nèi)循環(huán)，并儲(chǔ)存熱量。在初冬溫度上升時(shí)，相變Trombe墻體通風(fēng)口開啟，熱墻在接受太陽能后加熱通道空氣，在熱壓作用下建筑內(nèi)部空氣流程重新構(gòu)成新風(fēng)循環(huán)[4]。

2.4相變蓄熱表面涂料

按照熱能傳熱基本方式，可將涂料分為輻射型、反射型、阻隔型，而在建筑節(jié)能領(lǐng)域選擇應(yīng)用的一般是反射型、隔斷型涂料。其中張璐丹等將研制的立邦涂料與相變微膠囊按照1∶1混合，并在兩個(gè)房間實(shí)施了比較實(shí)驗(yàn)，房間陽光朝向、強(qiáng)度、面積等完全相同，在一個(gè)房間粉刷立邦涂料與相變微膠囊混合涂料，另一個(gè)房間粉刷立邦涂料，厚度都控制在3mm左右。結(jié)果顯示，混合涂料房間整體最大空氣溫度對(duì)比另一個(gè)房間降低了6℃左右，最小溫度高了2.2℃，最大節(jié)能效率提升26%。楊保平等以四乙基戊胺與2,4-甲苯二異氰酸酯為壁材制造了相變焓、相變溫度分別為65.5kJ/kg、19.2℃的微膠囊，混入相應(yīng)防腐涂料，提升其防腐性能的同時(shí)，具備相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)能力。相變蓄熱微膠囊在當(dāng)前的涂料中具備相對(duì)有效的控溫效果，但是因制備復(fù)雜、耗資較多，嚴(yán)重限制了其在節(jié)能建筑領(lǐng)域的有效應(yīng)用。

3相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的研究進(jìn)展

3.1相變蓄熱地板研究進(jìn)展

Royon等在研究相變蓄熱地板時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前選用的輕型蓄熱地板容量不高，即便是在夏季高溫季節(jié)也很難得到最佳舒適情況。因此以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了長(zhǎng)寬高分別為28cm、28cm、3.75cm的混凝土的地板，并在水平地板側(cè)邊打出直徑、長(zhǎng)度分別為2.5cm、28cm的形狀為圓柱體的空腔，共計(jì)8個(gè)，再將相變蓄熱材料裝在這些空腔中，其后對(duì)蓄能地板實(shí)施加熱-冷卻試驗(yàn)，對(duì)比普通地板來說，該種相變蓄熱地板降低了2℃左右的室內(nèi)溫度，且熱舒適性有所提升[5]。

3.2相變蓄熱屋頂研究進(jìn)展

鄭雨蒙等通過二維數(shù)值模擬的方式分析了石蠟玻璃屋頂，對(duì)比傳統(tǒng)形式的空氣玻璃屋頂來說，該種蓄熱屋頂在東北冬季、過渡季、夏季節(jié)能率大致保持在26.64%、59.57%、26.64%左右，因此建議石蠟玻璃屋頂應(yīng)當(dāng)控制在9~12mm。此外，Kosny等為降低屋頂熱負(fù)荷與熱橋質(zhì)量，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了光伏-相變材料屋頂（PV-PCM），其涵蓋了隔熱材料、通風(fēng)空腔、相變材料散熱器，對(duì)比普通屋頂來說，PV-PCM屋頂在冬季時(shí)能夠降低建筑本身大約30%熱負(fù)荷，夏季則可降低大約50%冷負(fù)荷，其儲(chǔ)能效果良好，但是因通風(fēng)效果差、承壓能力低等問題導(dǎo)致其難以推廣使用。

3.3相變蓄熱與供暖結(jié)合

就相變熱泵系統(tǒng)來說，劉旭飛等針對(duì)我國(guó)很多的寒冷區(qū)域，提出了一種相對(duì)完善的溫度空氣源熱泵系統(tǒng)，全工況區(qū)域內(nèi)新型制熱性能系數(shù)COP，處于15℃環(huán)境溫度時(shí)，COP取值4.8；環(huán)境溫度取值-30℃時(shí)，COP取值1.8，該種環(huán)境下，空氣源熱泵具備較高的運(yùn)行能效，促進(jìn)了熱泵機(jī)組寒冷區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。而熱泵系統(tǒng)與PCMs集合，具備無污染、高效特點(diǎn)，然而初始投入成本高、體積大、維修難度高，使得相變熱泵系統(tǒng)難以得到廣泛應(yīng)用。就相變輻射采暖來說，呂石磊等提出全封閉式熱輻射地暖管，并在其內(nèi)管與電容外管間充填PCMs，在建筑內(nèi)溫度上升時(shí)，能夠持續(xù)吸收建筑內(nèi)熱量，而在溫度降低時(shí)，則會(huì)釋放先前儲(chǔ)存的熱量，較大程度實(shí)現(xiàn)了寒冷季節(jié)供熱進(jìn)程中移峰填谷、室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。Jin等提出具備供冷、供熱性能的地板輻射采暖系統(tǒng)，其裝設(shè)了雙層蓄能地板，并具備差異化的相變溫度，分別承擔(dān)著蓄熱、蓄冷功能，而在進(jìn)行系統(tǒng)的研究之后得出，對(duì)比一般材料的地板輻射系統(tǒng)，能夠多釋放冷量與熱量37.9%與41.1%[6]。

4結(jié)束語

文章對(duì)相變蓄熱材料在節(jié)能建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展進(jìn)行了論述與分析，強(qiáng)調(diào)了該種材料對(duì)于建筑節(jié)能的有效性。要求建筑企業(yè)在推進(jìn)節(jié)能建筑進(jìn)程中，優(yōu)先選擇相變蓄熱材料，并結(jié)合相應(yīng)的建筑技術(shù)以發(fā)揮其全部功效，此外要求對(duì)其研究現(xiàn)狀與研究進(jìn)展進(jìn)行細(xì)致分析與掌握，以此來保障相變蓄熱材料的應(yīng)用不會(huì)對(duì)建筑本身產(chǎn)生影響，使其力學(xué)性能、美學(xué)特征等滿足基本需求，如此才可促進(jìn)相變蓄熱材料廣泛應(yīng)用。

作者：周治州 龍清為 單位：中建二局第一建筑工程有限公司