近零能耗建筑中相變建筑材料的研究進展

上海聯創設計集團股份有限公司 賈敬芝

0 引言

隨著人們對工作和居住環境舒適性要求的不斷提高，建筑能耗已經成為社會總能耗的主要構成之一。根據歐盟的統計，建筑能耗已經占到社會總能耗的40%，造成的CO2排放量占總排放量的40%以上[1-2]。與同等氣候條件的發達國家相比，我國住宅類建筑單位面積能耗要高出2～3倍[3]。根據住房和城鄉建設部的統計，我國95%的建筑屬于高能耗建筑，節能潛力巨大[4]。因此，人們對建筑能耗越來越重視，各種建筑節能措施不斷地被開發和應用。在此背景下，歐盟在其《建筑能效指令》(Energy performance of building directive，EPBD)中提出了近零能耗建筑(nearly zero energy building)的概念，并要求在2020年年底前所有歐盟的新建建筑達到近零能耗建筑標準。我國住房和城鄉建設部也在2019年1月頒布了GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》，提出要通過被動式建筑設計最大幅度地降低建筑供暖、空調、照明需求，通過主動技術措施最大幅度地提高能源設備與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內環境[5]。建筑被動式設計是指采用合適朝向、蓄熱材料、遮陽裝置、自然通風等策略，盡可能利用可再生能源[6]。其中，相變材料(phase change material，PCM)是利用自然條件下的溫差作為相變過程的驅動力以實現對熱量的吸收和釋放，可以對太陽能等可再生能源進行調控、分配和高效利用，從而降低建筑能耗，是一種極具潛力的被動式建筑節能材料[7]。

1 近零能耗建筑的熱力系統

每個建筑物都存在著能量的獲得、消耗與儲存，并通過圍護結構與外界進行換熱[8]。圖1為近零能耗建筑的熱力系統原理圖，圖中顯示了相變材料技術與建筑能耗的關系。建筑物的圍護結構存在熱阻與熱容，導致了室內外熱量傳遞的延時。而相變建筑材料的使用，可以改變圍護結構的熱阻與熱容，通過控制熱量傳遞的延時性，可以影響建筑內部的能量平衡，降低供暖與空調系統的能耗。Feng等人實驗研究了相變建筑材料對夏季建筑冷負荷的影響，結果如圖2所示[9]。保持室內溫度不變，采用相變建筑材料房間的夏季空調供冷量要顯著低于普通房間。可見，將相變材料技術應用于建筑節能，是一種可持續的方式[10]，可以幫助建筑更容易地實現凈零能耗建筑標準。因此，在設計近零能耗建筑時應盡可能地使用可再生能源和相變材料技術，而確定合適的相變材料類型和節能措施十分關鍵。

圖1 近零能耗建筑的熱力系統[8]

圖2 相變建筑材料房間與普通房間的空調供冷量對比[9]

相變建筑材料在近零能耗建筑中的應用可分為被動式和主動式2種。被動式應用是通過相變建筑材料去抵抗或者利用外界的干擾，從而降低室內冷熱負荷或提高室內舒適性，例如利用相變墻體延緩室內外傳熱量峰值。而主動式應用是指在建筑環境設備中使用相變材料去降低設備能耗，比如相變通風[11]、空調與熱泵[12-13]、太陽能輻射供暖[14]、熱回收裝置[15-16]等。本文主要介紹相變建筑材料在近零能耗建筑中的被動式應用。

2 相變材料的分類

相變材料按照不同的物理性質可以分為固-液、固-氣、液-氣、固-固材料，在近零能耗建筑領域主要使用固-液和固-固材料[17-21]，如圖3所示。相變材料按照化學性質又可分為有機物、無機物等。按照相變材料與建筑材料的結合方式不同可分為混合式、嵌入式等。雖然目前相變材料種類很多，但是常用的相變材料存在許多問題[8]，比如：

圖3 近零能耗建筑中的相變材料

1) 有機相變材料導熱系數較低，單位體積的相變潛熱也比較低，相變前后的體積變化大。

2) 水合無機鹽成核性比較差，需要的過冷度較大，并且容易發生相分離現象，腐蝕性強。

3) 共晶混合物的熱物性不明確，缺少必要的數據，一些脂類共晶混合物具有強烈的氣味。

不同類型的相變材料具有各自的優缺點，因此研究人員取長補短將有機和無機材料結合起來，并通過添加納米無機添加劑改善相變材料的熱物性，這是開發新型相變材料的熱點方向[22-23]。

將相變材料用于近零能耗建筑的圍護結構，是一種被動式的建筑節能技術，可以提高建筑圍護結構的熱惰性，減小室內溫度波動，從而改善居住的舒適性[24]。相變材料可使用在墻體、窗戶、屋頂、地板上[25]。表1給出了目前一些建材制造商推出的相變建筑材料。通過調整相變材料與普通建材的不同配比，獲得適用于不同圍護結構和氣候環境的建筑材料。從表1可以看出，丙烯酸和石蠟是2種最常用的相變材料，相變石膏板是最常見的建材類型。

表1 國內外不同制造商推出的相變建筑材料[26]

3 近零能耗建筑中的相變建筑材料

相變建筑材料使用在近零能耗建筑中，不僅能夠有效降低建筑能耗，而且還能提高建筑的熱舒適性。Ahangari等人將相變材料用于實驗房的墻體、地板、天花板等圍護結構，在氣候干燥和半干旱條件下的供暖能耗分別降低了17.5%和10.4%，而且室內熱舒適滿意度在半干旱氣候下由63%提高到75%，在干燥氣候下由73%提高到93%[27]。因此，相變材料不斷被提倡用在低能耗建筑或近零能耗建筑中，表2為近些年世界各地部分具有代表性的相變建筑材料研究成果。可以看出相變建筑材料正逐步從簡單的裝飾材料轉變為多樣的砌筑材料。下面從不同圍護結構部位來介紹相變建筑材料的研究進展。

表2 相變建筑材料在低能耗建筑應用的研究

3.1 墻體

按照相變材料與建筑材料的結合方式，相變建筑材料墻體可分為混合式相變墻體和嵌入式(定形)相變墻體等[41-42]，兩者的區別是相變材料與建筑材料是否均相分布。混合式相變墻體是將相變材料與普通建筑材料均勻混合，又可分為直接混合式和膠囊式[42]，目前的前沿應用是微膠囊式相變墻體，如將微膠囊化的石蠟加入混凝土中形成相變墻體[43]。而嵌入式相變墻體是將相變材料嵌入到建筑材料的內部或外部的空隙中。

3.1.1微膠囊式相變墻體

微膠囊式相變墻體是將相變材料微膠囊化，并與傳統的建筑材料均相混合，制成的混凝土或石膏板中包含了相變微粒，具備儲存熱量的功能。Cabeza等人研究了一種新型相變材料混凝土，通過聚氯聯苯將丙烯酸微膠囊化，添加到混凝土內實現墻體的能量儲存，并在萊達(西班牙)使用這種混凝土建造了小屋。研究結果表明，使用膠囊化相變材料的墻體結構穩定，使得夏季室內最高溫度降低1 ℃，最低溫度下降2 ℃，室內峰值溫度出現時間延遲了2 h[44]。Schossig等人研究了石膏板對辦公樓熱環境的影響，辦公樓墻體采用輕鋼龍骨結構，所用的石膏面板中混入了微膠囊相變材料，如圖4所示，微膠囊平均直徑為8 mm，均勻分散在石膏晶體中。研究結果顯示，在測試周期內，采用這種相變墻體使房間溫度高于28 ℃的時長從50 h下降至5 h，房間的熱環境明顯得到改善[45]。Sá等人在抹灰砂漿中加入25%的丙烯酸相變材料，得到的相變抹灰砂漿潛熱為25 kJ/kg，相變溫度為23～25 ℃，導熱系數為0.3 W/(m·℃)[46]。

圖4 帶微膠囊相變石膏板的輕鋼龍骨墻[45]

3.1.2嵌入式相變墻體

與膠囊式墻體的均相混合方式不同，嵌入式相變墻體中建筑材料與相變材料在宏觀上存在明顯的界限。Silva等人開發了一種嵌入式相變黏土磚，即將石蠟包裹后嵌入空心黏土磚中，使用這種相變黏土磚的測試房間的夏季室內溫度下降了5 ℃以上，溫度峰值延遲了3 h[47]。Bontemps等人以玻璃磚為外殼材料，填充相變材料后制成相變玻璃磚砌塊，并用相變砌塊建造了太陽能被動房，用實驗和數值模擬相結合的方法，比較了脂肪酸、石蠟和鹽水3種相變材料的蓄熱性能，提出了將相變砌塊與夜間通風相結合的設計方法，以進一步降低建筑能耗[48]。

3.1.3通風式相變材料墻體

除了在建筑墻體中直接使用相變砌塊來降低建筑能耗外，通風墻體與相變材料的融合使用也是相變墻體的一種形式，體現了近零能耗建筑的主動和被動措施的結合。這種形式通過在墻體中加入風道，利用自然通風或機械通風，增強室內空氣與墻體相變材料的自然對流或強制對流，從而改善室內熱舒適性。Ling等人采用相變材料研制了主動-被動通風墻體，如圖5所示，墻體從內到外由相變材料、空心磚、實心磚、聚苯乙烯板組成，并采用數值模擬結合實驗驗證的方法研究了不同相變溫度和潛熱對墻體換熱效率和最低室內空氣溫度的影響，結果顯示最優的相變溫度為27.7 ℃，冬季室內最低溫度為15 ℃，蓄熱效率達到了86.7%[49]。Stazi等人也設計了類似的通風相變墻，并在地中海住宅中實測了這種墻體對全年室內溫度的影響，結果表明通風相變墻能更好地延緩墻體溫度的峰值出現，有助于室內溫度的穩定[50]。

3.2 窗體

窗體也是建筑重要的圍護結構之一，且單位面積的傳熱量要顯著大于墻體，因此適用于窗體的相變材料和結構也不斷被開發。Kolacek將六水氯化鈣作為相變材料添加到窗戶玻璃夾層中，使窗戶的熱慣性顯著提高，能有效降低窗戶的傳熱量。實驗結果顯示，相變窗體可在室外氣溫-15 ℃時保持窗體內表面溫度為25 ℃，并使室內溫度保持在21 ℃[51]。Zhang等人建立了相變玻璃窗模型，將混合有Al2O3、TiO2和ZnO等納米顆粒的石蠟加入雙層玻璃中，如圖6所示，并研究了這種窗體的傳熱過程及納米顆粒對相變材料換熱性能的影響，研究結果表明，在石蠟中加入TiO2后，窗體內表面溫度在夏季降低了0.82 ℃，加入ZnO納米顆粒后，窗體內表面溫度在過渡季和冬季分別升高了0.84 ℃和0.89 ℃[52]。

Hu等人研發了一種通風式相變材料窗戶，并且通過窗戶出風口的轉換，實現了夜間通風、夜間制冷和日間預冷3種模式，如圖7所示。該窗體下部設置了由相變材料組成的換熱器，當裝置在夜間運行通風模式時，室外冷空氣帶走換熱器中相變材料的熱量，從而在白天相變換熱器可以降低送入房間的新風溫度。實驗研究結果表明，一塊10 mm厚的相變材料的換熱效率可達89.85%，在夜間可以放熱4～5 h，在白天可以吸熱3.9 h，吸熱量可達3.19 MJ[30]。

3.3 屋頂

屋面材料受日曬雨淋，容易發生老化和漏水的現象，因此需要考慮復合相變材料的防水性和光照穩定性。Fabiani等人研究了石蠟含量分別為15%、25%、35%時聚氨酯屋面的防水性、熱穩定性，研究結果表明，石蠟含量為25%的聚氨酯材料具備最優的綜合性能[53]。Yang等人研發了一種嵌入相變材料(石蠟)的木塑板屋面材料，用于緩解熱島效應，降低屋面溫度。研究結果顯示，當使用含相變材料的屋面材料時，各季節屋頂表面溫度都得到了降低，平均下降了4.9 ℃[29]。

3.4 地板

地板不直接接收太陽輻射，因此普通地板溫差和傳熱量較小，相變材料常常與電熱地板供暖和太陽能供暖相結合[54-56]。如圖8a所示，在太陽能供暖中，白天太陽輻射熱通過集熱器儲存在帶相變材料的地板中，當夜間室內溫度下降時相變材料開始放熱，達到供暖的目的，這屬于被動式的節能措施。張鑫等人設計了一套包含相變材料的太陽能供暖系統，實驗表明即使室外環境溫度低至-10 ℃以下，該系統仍能維持室內溫度在20 ℃以上[57]。

圖8 相變材料應用于地板供暖

與太陽能地板供暖不同，電熱地板供暖屬于主動式供暖，利用電網峰谷電價差的優勢進行熱能存儲。如圖8b所示，在夜間低谷電時段發熱電纜通電后，不僅向室內提供熱量，更主要的是加熱相變材料層，使相變材料熔化吸收熱量。在非低谷電時段，電纜停止加熱，相變材料凝固釋放熱量，利用夜間存儲的熱量來滿足白天房間內的供暖需要。邢靖辰等人研究了以脂肪酸共晶混合物為相變材料的地板，結果表明脂肪酸共晶混合物的相變溫度在20～30 ℃之間，可實現利用夜間8 h蓄熱、白天16 h放熱的穩定供暖模式[58]。目前針對相變材料地板的研究很多，相變材料地板的結構也有很大不同，圖9為幾種不同結構形式和相變材料類型的地板輻射供暖系統構造示意圖。

此外，相變材料地板還可以與熱泵供暖技術相結合，如Plytaria等人針對建筑面積為100 m2的建筑物，設計和模擬了3種不同的太陽能輔助熱泵地板供暖系統，將相變材料放置在地板和加熱系統之間，并通過改變地板的收集面積、收集器類型和絕緣層的厚度來檢驗不同的情況。結果證明，在地板供暖系統上使用相變材料層可減少約40%的熱負荷[13]。

4 結論

將相變建筑材料使用在近零能耗建筑中，一方面可以提高建筑圍護結構的熱惰性，降低圍護結構與室內空氣的溫差，從而降低夏季室內溫度并減小室內溫度的波動，減少建筑冷熱負荷，提高建筑的熱舒適性；另一方面能夠更好地利用太陽能、空氣能等可再生能源，降低建筑能耗。本文介紹了目前常見的相變建筑材料，并介紹了國內外在墻體、窗體、屋面、地板上相變建筑材料的研究進展。

1) 丙烯酸和石蠟是最常用的相變建筑材料，丙烯酸與水泥和石膏的融合性好，一般與建筑材料均相混合，形成微膠囊式相變建筑材料，而石蠟與普通建筑材料的融合性差，常作為嵌入式相變建材。

2) 在研發和使用相變建筑材料時要考慮相變材料的熱物性、相變動力學、化學性質、經濟和環保性能。除了關注相變溫度、潛熱值、導熱系數、過冷度等參數外，相變材料的穩定性、防水性也必須考慮。可以利用有機相變材料相變一致性好、無相分離的優點，結合無機相變材料導熱系數高、潛熱大、密度變化小的優點，研制復合型相變材料，并通過添加Al2O3、TiO2和ZnO等納米顆粒或添加劑改善相變材料的性能。

3) 相變材料應用于近零能耗建筑并不局限于被動式的節能技術，在地板供暖、熱泵供暖等主動設施中使用相變材料也能降低設備能耗、提高建筑環境的熱舒適性。另外，相變建筑材料與建筑通風相結合能夠提高蓄熱材料的熱效率，也能提高太陽能、空氣能的利用效率。