淺談相變材料在建筑中的應用

陳　璨

[摘要]相變材料的應用是實現建筑節能的有效措施。闡述相變材料應用于建筑中的條件，介紹相變材料與普通建材結合的方法，剖析相變建材的應用研究現狀，并對相變材料在建筑中應用的前景進行分析。

[關鍵詞]相變材料 節能

中圖分類號：TU5文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420084－01

一、引言

目前，能源問題已經成為世界性的問題。建筑耗能是能源浪費的一個重要方面，全世界有30％的能源消耗在建筑物上。研究一種節能建筑材料成為必然。相變材料（Phase Change Materials，簡稱PCM）是近年來材料科學和節能技術中一個研究方向．在材料的相變期間，吸收環境的熱（冷）量，并在需要時向環境釋放出熱（冷）量，從

而可以控制材料周圍環境的溫度。[1]因此，將相變材料合理地應用與建筑領域，必將大大減少能源消耗。

二、相變材料應用于建筑的條件

目前，已發現的相變材料已有幾萬種，但并不是每一種PCM都可以應用在建筑中。PCM在建筑中的應用需要具有以下條件[2]：（1）具有良好的熱傳導系數；（2）相變過程可逆性好；（3）無毒、無腐蝕、無泄漏、防火、不污染環境；（4）相變過程可靠性好，使用壽命長，一般要求達到50年以上；（5）相變溫度合適，適合于該地域的氣候特征和接近人體的舒適溫度；（6）與建筑材料相容，不影響建筑材料的機械性能和強度。在實際應用中采取適當的措施克服各種相變材料的缺點，使之適合人類生活環境。

三、相變建筑材料的生成方法

相變材料與普通建材以一定的方式結合即可生成相變建筑材料。通常有一下幾種結合方式。

（一）直接混合法

將相變材料直接與建材基體混合。直接加入法便于控制PCM的加入量，用于固一固相變材料，工藝簡單，性質更均勻，更易于做成各種形狀建筑構件。FeldmanI把21％～22％的工業級硬脂酸丁酯直接加入到傳統的石膏板中制成了儲能石膏板。

（二）浸泡法

通過浸泡將相變材料滲入多孔的建材基體中。浸泡法工藝簡單，易于使傳統的建筑材料要求變成相變蓄能圍護結構材料，可對成品建筑材料進行處理。據Athienitis A．K[3]等報道，利用浸入了硬脂酸丁酯的相變墻板，可使房間的最高溫度下降4℃。

（三）封裝法

在直接加入前用不同材料、形狀和大小的膠囊封裝PCM。封裝包括大體積封裝和微體積封裝。大體積封裝是將相變材料裝入管件、球體、板狀容器或其他容器中；微觀封裝就是將小的球形或桿形的PCM顆粒封裝在薄的高分子聚乙烯膜中，然后再加入基材。目前，相變材料與建筑材料復合工藝中較為經濟可行的方法是采用多孔顆粒材料作相變材料載體制備“能量微球”，可以利用的多孔顆粒材料如膨脹珍珠巖、膨脹黏土材料和粉煤灰膨脹材料等。多孔顆粒將相變材料分隔開來，能夠較好地封裝儲存，且多孔顆粒的價格較低，可以降低整個“能量微球”的價格，從而降低單位熱能儲存費用。

四、相變建筑材料的應用現狀

（一）相變蓄能圍護結構

把相變材料與建筑圍護結構結合，即制成相變蓄能圍護結構（Phase Change Energy StorageBuilding Envelope，縮寫為PCESBE），用于建筑物室內溫度的調控。相變蓄能圍護結構可蓄熱能力強，在夏季可衰減建筑物室內和室外之間的熱流強度波動幅度，延遲室內氣溫峰值出現的時間，從而提高建筑物的溫度自調節能力和改善室內熱環境，達到降低空調耗電量和提高室內熱舒適的雙重目的。

Neeper[4]對含有脂肪酸和相變石蠟的石膏板的熱動力特點進行了研究，分別分析了儲能材料的相變溫度、相變溫度的變化范圍和相變潛熱大小對石膏板儲能量的影響，認為當相變材料的相變溫度接近于室內平均溫度時，儲能量有最大值，材料相變時的溫度變化范圍越大，則儲能量越小；對于實際的儲能墻體材料，其日最大儲能量為400k／m。[5]

（二）相變溫控混凝土

把相變材料與大體積混凝土結合，制成相變溫控混凝土（Phase Change andTemperature Selfcontrol Concrete，縮寫為PCTSC），用于調整反應過程的溫度。[6]相變溫控混凝土能有效降低混凝土內部溫升速率、延緩溫度峰值出現時間。目前，相變材料用于大體積混凝土僅僅是具有技術可行性。相變溫控混凝土尚處于理論研究階段。[7]

Hawes等人、Hawes和Feldman。[8]綜述了有機PCM（硬脂酸丁酯、十二醇、石蠟）在各種建筑水泥中的熱性能和吸收特性，分析了水泥的堿度、溫度、濕度、粘性、吸收面積和壓力等因素對相變材料吸收過程的影響，同時研究了吸收機理；得出了PCM在水泥中的吸收常數，從而可以通過改變PCM 的量制成所需的相變儲能混凝土。

五、應用前景

相變儲能建筑材料作為一種新型建筑功能材料，其應用，不但可以有效降低建筑能耗，同時也為太陽能等低成本清潔能源在供暖、空調系統中的應用創造了條件，在節能、儲能方面都有著良好的應用前景。隨著人們對建筑節能問題的日益重視，相變儲能建筑材料的應用前景必將越來越廣闊。

參考文獻：

[1]張東、周劍敏、吳科如等，顆粒型相變儲能復合材料[J]．復合材料學報，2004,215:101-109.

[2]黃險峰，相變材料在建筑節能中應用[J].廣西大學學報，2008,33:1-3.

[3]Athienitis A.K,Liu C,Banu D,et a1.Investigation of the thermal performance of a passive solar test-room withwall latent heat storage[J].Building and Environment,1997,32(5):405-410.

[4]Neeper D A.Thermal dynamics of wallboard with latent heat

storage[J].Solar Energy,2000,68:393-403．

[5]周恩澤、董華，相變儲熱在建筑節能中的應用[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版）,2003(2):1O0-103．

[6]宋德清、方利國、王聃，相變儲能材料的研究進展及在建筑中的應用[J].

節能，2008,331:4-7.

[7]王信剛、馬保國、王凱等，相變儲能建筑材料的研究進展[J]．節能，2005(12):11-14。

[8]Hawes D W.Feldman D.Absorption of phase change materials in concrete[J].Solar Energy Mater Solar Cells,1992,27:91-101.

作者簡介：

陳璨，女，漢族，河北省保定市淶水縣人，本科，中南大學土木建筑學院土木0604班。