相變材料應(yīng)用于建筑節(jié)能探討

梁杰婷

摘要：盡管我國能源資源較為豐富，但由于人口基數(shù)大，能源需求量高，使得人均能源擁有份額較低。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源消耗也在與日俱增，整體能源形勢并不樂觀。在這種背景下，建筑節(jié)能愈來愈受到各界關(guān)注。相變材料在建筑節(jié)能中發(fā)揮了重要作用，利用相變材料可存儲熱能，溫度較高時會熔化，吸收熱度，以降低室內(nèi)熱量值；溫度較低時，可釋放存儲熱能，提升室內(nèi)溫度，以保證能量合理存儲及釋放。基于此，本文對相變材料進(jìn)行了綜合性闡述，并對相變材料在節(jié)能建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：相變材料；建筑節(jié)能；蓄能

1.建筑節(jié)能概述

建筑使用過程中所產(chǎn)生的能耗要遠(yuǎn)高于建筑建造過程中產(chǎn)生的能耗，這使得建筑節(jié)能愈來愈受到關(guān)注。相對于歐美國家而言，我國建筑節(jié)能起步較晚，但近年來發(fā)展較為迅速，并且關(guān)注度愈來愈高。相關(guān)研究表明，對建筑能耗進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，能讓建筑物使用的能量降低50%以上，達(dá)到良好的節(jié)能效果。以相變材料為基礎(chǔ)構(gòu)建出具有高熱容的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可在保持建筑舒適度的前提下達(dá)到節(jié)能目的，而且大部分相變材料都屬于環(huán)保材料，對環(huán)境親和性較好。從宏觀角度來看，要保證我國經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持高速發(fā)展態(tài)勢，必須要克服能源短缺瓶頸，而采取相變材料構(gòu)建節(jié)能建筑不失為一種可行途徑，其可以同時滿足節(jié)能需求及環(huán)保需求。

2.相變材料節(jié)能原理分析

相變材料是一種能伴隨溫度變化而產(chǎn)生變化，且能提供潛熱的物質(zhì)。利用相變材料可將環(huán)境中的熱量充分利用起來，并在所需要的時間節(jié)點(diǎn)向外界釋放能量，以此讓周圍環(huán)境維持在一個對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，并可構(gòu)成一個寬幅度的溫度平臺。對于節(jié)能建筑而言，相變材料應(yīng)滿足以下要求：（1）具備理想的相變潛熱；（2）相變可逆性較為理想；（3）相變過程中，材料的“冷縮熱脹”程度較小；（4）對環(huán)境友好，具有良好的防腐蝕性、防火性能；（5）相變溫度正好處于室內(nèi)設(shè)計溫度或空調(diào)系統(tǒng)要求溫度范圍內(nèi)。在構(gòu)建建筑相變材料時，一般是向普通建筑材料中置入相變材料，從而得到具備高熱容的相變儲能建筑材料。相變儲能建筑材料可將周圍的能量以相變潛熱的方式進(jìn)行存儲，并在不同的時間與空間之間對能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對于整個建筑系統(tǒng)而言，這種轉(zhuǎn)換作用可降低建筑物空調(diào)負(fù)荷，起到輔助性節(jié)能作用。

早期的相變材料主要以無機(jī)類材料為主，但無機(jī)類材料一旦出現(xiàn)相分離，由于部分鹽類材料會出現(xiàn)結(jié)晶而沉入底部，會造成分層現(xiàn)象。而有機(jī)類相變材料并不會出現(xiàn)上述問題，固體成型較為理想，材料結(jié)構(gòu)也較為穩(wěn)定，腐蝕性較小。但部分有機(jī)類相變材料由于導(dǎo)熱系數(shù)較小、熔點(diǎn)不高，在高溫環(huán)境下會出現(xiàn)揮發(fā)現(xiàn)象。為克服此缺點(diǎn)，一般會將幾種不同類型的有機(jī)物按照一定比例混合，得到多元相變材料；或?qū)⒂袡C(jī)材料與無機(jī)材料混合，得到復(fù)合性材料，以此來改善相變材料的性能。近年來，高分子類相變材料研發(fā)愈來愈受到重視。高分子相變材料主要包括交聯(lián)聚烯烴類、交聯(lián)聚縮醛類和一些接枝共聚物。隨著高分子技術(shù)的不斷成熟，高分子類相變材料將會得

3.相變材料應(yīng)用分析

3.1蓄能墻體

將相變材料與建筑材料如混凝土、水泥等進(jìn)行混合，可構(gòu)建出相變蓄能墻體。通過相變材料可讓墻體熱慣性得到一定幅度提升，可限制室內(nèi)溫度波動，有利于改善室內(nèi)舒適度。例如，白天日光環(huán)境下，墻體可吸收多余熱量，起到降溫效果；夜間，墻體會釋放吸收的熱量，以維持室內(nèi)溫度。相關(guān)研究表明，對石膏板、纖維板、水、鹽及隔熱層所構(gòu)成的相變墻體進(jìn)行DSC測試，發(fā)現(xiàn)相變材料的實際狀態(tài)會直接影響到墻體的熱性能。在相變材料從部分熔化狀態(tài)逐漸冷卻的過程中，可迅速釋放潛熱；若相變材料完全熔化，再冷卻時，就會出現(xiàn)較為明顯的過冷現(xiàn)象。另外，相變材料在墻體中的位置對相變材料的功能狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，當(dāng)相變材料處于墻體厚度1/5處時，墻體熱性能最優(yōu)。

3.2蓄能屋頂

蓄能屋頂與蓄能墻體的原理基本一致。有研究將灰漿層、單層相變材料及混凝土按適當(dāng)比例混合，構(gòu)成了蓄能屋頂。實驗表明，蓄能屋頂可有效降低室內(nèi)溫度波動，特別是在天花板位置處效果十分顯著，天花板溫度幾乎接近恒溫。但單層結(jié)構(gòu)的蓄能屋頂，一旦到了溫度較高的夏季，其溫控效果會有所下降。因此，有學(xué)者對單層結(jié)構(gòu)蓄能屋頂進(jìn)行了改良，在原有基礎(chǔ)上置入了一層相變溫度更高的相變材料層，構(gòu)成了雙層結(jié)構(gòu)的蓄能屋頂，使其在全季節(jié)都具備了較優(yōu)的溫控性能，極大程度上改善了室內(nèi)環(huán)境的舒適度。

3.3蓄能地板

將相變材料置于地板加熱系統(tǒng)中，通過夜間谷電進(jìn)行加熱，由相變材料存儲熱量。白天峰電期間蓄能地板可放出存儲熱量，以提升室內(nèi)環(huán)境溫度，發(fā)揮節(jié)能作用。Yeetal等構(gòu)建了含被動加熱相變蓄能地板的測試間。實驗表明，在日照量充足時，蓄能地板最高可讓白天室內(nèi)溫度降低15℃左右：夜間溫度升高幅度接近10℃。同時，此蓄能地板可有效控制室溫波動，對溫度衰減具有限制作用。

結(jié)語：相變材料為節(jié)能建筑構(gòu)建提供了一條良好的途徑。將相變材料與傳統(tǒng)建筑材料融合所得到的相變儲能建筑材料具有良好的適用性，可適用于多種環(huán)境，并可有效控制室內(nèi)溫度，達(dá)到節(jié)能目的。未來，隨著相變材料的不斷成熟，它將具有更為廣泛的應(yīng)用空間，為節(jié)能建筑推廣提供基礎(chǔ)。