相變蓄能墻體在主/被動建筑中的應用現狀

巫洋茜 謝東* 王漢青

1 南華大學土木工程學院

2 中南林業科技大學土木工程學院

3 建筑環境控制技術湖南省工程實驗室

4 建筑節能與環境控制衡陽市重點實驗室

伴隨著全球工業的快速發展，以煤，石油和天然氣等為代表的不可再生能源的共給已呈現出了日益緊張的趨勢。節能減排成為擺在人類面前的一項艱巨而迫切的任務。其中，建筑能耗占社會總能耗的25%左右[1]，因此，提高建筑中的能源效率，最大限度地降低建筑能耗對節能減排有著巨大意義。優化建筑圍護結構，增強墻體熱性能是建筑節能的有效途徑之一。相變材料（PCM）有很大的潛熱值，蓄熱能力較強，可以在在自身溫度升高時熔化吸收熱量，而在溫度降低時凝結釋放出熱量[2]?；诖朔N特性，PCM 可利用自身相態變化將暫時不用的能量存儲起來，需要時再釋放，能量得到了較大限度的利用，從而達到節能的目的。本文概括闡述了國內外對建筑節能用相變墻體的研究現狀，對相變材料的分類、封裝方式、現有研究中相變墻體結構以及學者們對相變墻體的優化研究進行了歸納總結。

1 建筑用相變材料的研究進展

1.1 相變材料的分類及其改性

用于建筑的相變材料可以分為無機相變材料和有機相變材料。無機相變材料主要包括：結晶水合鹽，熔融鹽以及金屬合金等，這類材料的融化熱大，導熱系數較高，相變時體積小，但它們的結晶水數在相變時會發生變化，使得相變的可逆性能變差，有過冷現象和相分離現象，且具有腐蝕性[3]。有機相變材料主要包括脂肪酸、醇、酯以及二醇等[4]，有機相變材料性能比較穩定，潛熱較大，且腐蝕性較小，但是易燃、導熱性較差。不同有機相變材料的性質差異很大，有些具有比較合適的相變溫度和較高的潛熱，無毒、無腐蝕性，有些卻在高溫狀態時易燃、易分解，因此在選擇材料時一定要考慮到安全問題[5]。從目前的研究來看，石蠟是研究較多的適用于建筑圍護結構的有機相變材料，這主要是因為石蠟的過冷度很小甚至沒有過冷度，且無毒無腐蝕性。

現有的單一相變材料并不能滿足所有適用于建筑墻體的性能，或多或少會有一些缺點，如導熱系數小、存在過冷現象等。因此學者們就此點作了許多研究，將性能具有互補性的多種材料復合，對已有相變材料進行改性以滿足最佳性能。謝尚群等人[6]將石蠟與膨脹珍珠巖混和制備了復合相變顆粒，并測試了其導熱系數，結果表明，該復合相變顆粒既保持了原有的高潛熱，又提高了其熱穩定性。也有研究表明，可在相變材料中摻加高導熱材料，如微米尺度的金屬粉末、石墨和碳纖維等[7-10]，例如，Guo 等[11]將膨脹石墨與石蠟材料混合得到復合PCM，結果表明，該復合相變材料有較高的導熱率，且儲熱能力較好。還可以添加納米尺度的碳納米管，氮化鈦，碳化硅以及氧化硅等來增強相變材料的熱性能[12-14]。例如，楊賓等人[15]在石蠟材料中分別加入納米顆粒以及金屬肋片，結果表明，此種顆?？梢燥@著減小相變材料的過冷度，增強其傳熱性能。綜上所述，相變材料的種類多樣，可以根據具體的建筑需求選擇合適的相變材料，但目前的建筑用相變材料存在過冷度、導熱性能不佳等缺點，在今后的研究中，相變材料的改性、增強其導熱性能、過冷度等的研究應用空間較大。

1.2 相變材料的封裝

概括來說，相變材料的封裝方式可以分為微觀封裝與宏觀封裝兩種。微觀封裝是通過制備相變微膠囊、定型相變材料等，將相變材料包裹在較小的容腔、微空隙中，得到復合相變材料。宏觀封裝簡單來說就是將相變材料裝入宏觀體積的容器中進而使用[16]。宏觀封裝由于工藝限制容易泄漏，因此需要特別注意容器的密封。

微膠囊封裝是利用成膜材料將相變材料包裹成具有核殼結構的微粒[17]。由于相變材料與外界環境隔離使得其儲能性質相對穩定，因此微膠囊技術可以有效地解決相變材料泄漏問題，但制作工藝復雜、成本高、易磨損破裂且導熱性能差[18]。金翔宇[19]制備了以水與聚乙二醇400 為基液的相變微膠囊懸浮液，測定了其導熱系數、靜置后濁度等參數，結果表明水和聚乙二醇提高了懸浮液穩定性并保持較高的導熱系數，更加適用于綠色建筑。Olivieri[20]將微膠囊相變材料制作成預制輻射建筑構件的最內層，實驗研究了新型膠凝砂漿的熱性能，結果表明該構件具有顯著的高導熱系數、擴散系數和透水系數。

定型相變材料封裝是將支撐材料與相變材料復合，常用的支撐材料有多孔材料，層狀材料和高分子材料等[21]。整個復合相變材料能保持原來的形狀不變并具有一定的強度，降低了泄漏的可能性。Zhang[22]等人將聚乙二醇作為相變材料，膨脹石墨作為多孔吸附材料，采用物理吸附法制作了復合相變材料，經過實驗表明，該種材料密度輕、導熱系數高、蓄熱能力大、穩定性好，抗壓性能也能夠滿足普通砂漿建筑材料的要求。Kim[23]等人將定型相變材料（SSPCMs）布置在墻壁等地方，實驗表明SSPCMs 的添加有效改善了房間的熱工性能，并可以大規模用于建筑表面。

宏觀封裝是將相變材料封裝在宏觀尺度的管件、袋子、板狀容器等容器中[24]。例如，Bontemps 等[25]用玻璃容器封裝相變材料（圖1）。Zhou[26]等人將相變材料封裝在了PVC 板中（圖2）。Rathore[27]以及Sun[28]等人將PCM 放入鋁管中（圖3），然后將鋁管均勻布置在墻體中。Chang[29]等人將PCM 封裝在透明袋中（圖4）。

圖1 封裝在玻璃容器中

圖2 封裝在PVC 板中

圖3 封裝在空心鋁管中

圖4 封裝在透明袋中

相變材料的封裝方式多樣，但目前對相變材料的封裝還不夠完善。由于建筑中大多采用固-液相變材料，防止其泄漏是封裝相變材料時需要考慮的首要問題。目前的封裝方式要么造價昂貴，要么容易泄漏，要么傳熱效果不佳，因此從這些方面對相變材料的封裝進行優化也是目前的研究熱點之一。

2 相變墻體在建筑中的應用現狀

將相變材料應用于建筑墻體，可以增大墻體熱容，從而降低傳入室內的最大熱流，延遲最大熱流的到來時間。此外，相變墻體還可以結合可再生能源為房間提供免費冷量或熱量，從而降低建筑能耗[30-32]。近年來，國內外學者們對相變墻體的應用進行了一系列的實驗與模擬研究。為了更好地實現建筑節能，學者們研究了相變墻體的各種結構形式，根據其工作原理不同，本文主要從主動式建筑中相變墻體與被動式建筑中相變墻體兩個方面來進行總結討論。

2.1 被動式建筑中的相變墻體

被動式建筑即不需額外提供能量，僅依靠建筑本身的構造設計與自然熱量，就能夠使室內達到一個舒適的溫度條件。許多學者在已有普通墻體的基礎上添加相變板層，進而提高室內熱舒適。添加了相變材料的被動墻體可以明顯降低推遲室內溫度峰值時間，且有“削峰填谷”的效果。從目前的研究來看，PCM 在建筑磚中的應用可以成為一種有效的建筑被動熱控制技術，而多孔磚內部的孔洞正合適放置相變材料。例如，Dabiri[33]等人在一種特殊的空腔磚中放置相變材料，磚中含有PCM 與10 個空氣腔（圖5），并分析了室內溫度的波動。Kant[34]進行了含相變材料的建筑磚在太陽輻射和環境溫度等環境條件下的熱分析（圖6）。通過比較普通磚，圓柱腔內填充空氣磚以及圓柱腔內填充PCM 磚三種不同情況，評價了PCM 在建筑用磚中的有效性。

圖5 裝有相變材料的磚體結構

圖6 含相變材料建筑磚在環境條件下的熱分析

也有學者們將相變材料與普通建筑材料摻混在一起，既保證墻體結構的強度，又增強了墻體的熱惰性，例如Mushtaq[35]等人將PCM 作為保溫材料。結果表明，采用PCM 作為保溫材料后，該區域的室內溫度降低，冷負荷降低。Tian[36]等人將PCM 作為涂料敷在墻體表面，結果表明，相變儲能墻體的平均傳熱阻力是普通涂覆砂漿墻體平均傳熱系數的2.04 倍。Lee[37]等人將PCM 直接與纖維素絕緣材料混合，發現添加了相變材料的保溫板中，PCM 的熔化潛熱變化不大，且墻體的保溫性能更好。Errebai[38]等人更是提出了一種優化的相變石膏板，石膏板上有多個小孔，使得墻體與周圍空氣有更大的接觸面積，增強其換熱效果。結果表明，給定厚度的穿孔板吸收的熱量相當于標準板厚度的三到四倍。

目前學者們對被動式建筑中的相變墻體進行了一系列的優化研究，討論了如何優化相變墻體，使其節能效率更佳。目前研究得較多的是相變層的分布位置及其厚度等對室內熱環境調控的影響[39-42]。例如，孔祥飛[43]等人對比分析了夏季工況下，室內對流換熱系數、相變材料層位置對相變蓄能墻體熱特性的影響。結果發現在夏季時相變層適宜分布在靠近室內側，而且隨著室內空氣對流換熱系數的增大，相變材料的蓄熱量增大。Gounni[44]進一步通過研究發現當PCM 層放置在靠近熱源的一側時，會對峰值熱流產生巨大的影響。在此位置，峰值熱通量比參考墻體減少32.9%。相變材料的最佳位置等參數不能一概而論，它與特定的應用條件相關。Kyoung[45]等人就發現PCM 應用在南墻和西墻時的效果不同。如圖7[43]所示，南墻和西墻的PCM 層最佳位置分別為3 號和2 號位置?？偟膩碚f，PCM 的最佳位置受很多因素影響，如相變溫度、外加熱源溫度以及墻體結構等，這些都需要進行更深入的研究。

圖7 PCM 分布在墻體的不同位置

除了優化相變墻體的結構參數外，學者們也考慮使相變墻體在全年都能夠發揮較大的作用，但一種相變材料往往不能滿足全年工況下的建筑節能，將兩種不同熱特性的PCM 用于墻體中，能夠顯著改善熱環境[46]。為了更好地發揮相變材料對室內溫度“削峰填谷”的作用，學者們也將單一的相變墻體結構結合起來，Meng[47]等人提出了復合相變房間的概念，在一個房間內放置了兩種熔點不同的PCM。并對夏季和冬季室內相關參數進行了測試分析。結果表明，在夏季，復合相變房間可以顯著減少外界向房間釋放的熱量。在冬季，PCM 組合式房間可以顯著增加房間的排熱，減少房間的吸熱。復合PCM 房間在夏季和冬季均表現出較好的熱性能。

2.2 主動式建筑中的相變墻體

主動式建筑即事先安裝好能源設施來主動提供能量，以滿足室內熱舒適需求，通常將建筑墻體與太陽能、電能等結合起來，而這些人工能源則用來對相變材料進行輔助加熱或冷卻。例如，Zhu[48]等人將一種雙層相變墻體（SSPCM）用在空調房間中，通過實驗與數值模擬分析了該房間在武漢冬夏兩季的節能效果。結果表明，含有雙層PCMs 的房間在冬、夏季分別降低6.4%和17.8%的能耗，節能效果顯著。Zhou[49]等對一種用于夏熱冬冷地區的新型相變材料（PCMs-VTW）組合通風墻體的熱工性能與能耗進行了模擬研究。墻體結構包括：具有高吸收率/反射涂層的外部PCM 層和裝有熱/冷水管的內部PCM 層。結果表明該墻體可以有效緩解室內溫度過熱與過冷問題，且明顯降低了房間的電能消耗。Zhou[50]等人將定型相變材料板與熱/冷水管結合起來，用于墻壁冷卻和地板下供暖系統（HC-SSPCM）。研究表明，HC-SSPCM 存在一個最佳位置且最佳厚度為30-60 mm，該模型有較好的室內熱舒適且大大降低了住宅能耗。郭茶秀[51]等將相變材料與低溫熱水結合起來，基于低溫熱水墻體輻射供暖技術研究了一種新的復合相變墻體板并對其蓄放熱過程進行了模擬分析，為提高供暖系統的舒適度研究方面提供一定的理論依據。圖8 為部分主動式建筑墻體中的相變墻體示意圖。

圖8 部分文獻中的主動式墻體結構

Kong[52]等將主動式墻體與被動式墻體結合起來，利用石蠟和膨脹珍珠巖（EP）自制了一種復合PCM，進而制備相變材料墻板。學者們將太陽能加熱系統與充滿石蠟的板式蓄熱器（HAR）連接，還在墻壁表面貼滿了PCM，從而將PCM 的主動式利用與被動式利用結合起來。實驗結果表明，PCM 主動式和被動式組合進一步提高了建筑圍護結構的熱性能，室內熱舒適性以及建筑能效。

就目前來說，被動建筑中的相變墻體研究較多，主要是由于被動式建筑更加節約能耗，對外界能源的消耗更少。而相變材料應用在主動式墻體中的研究也有其發展的趨勢，主要在于將相變材料與可持續利用能源結合起來，目前這方面的研究還主要涉及墻體結構的設計，還可進一步研究其墻體結構參數的優化，進一步增大建筑中的潛熱利用率，更好地調節室內熱舒適。

3 結語

在建筑中應用相變蓄能墻體可以大大提高墻體的蓄熱能力，延遲室外熱量向室內的傳遞，達到“削峰填谷”的目的，進而實現建筑節能，但這方面的研究還存在不少問題，主要是其節能效率不高，初投資過大。在未來的研究中，還可針對以下幾個方面進行探討：

1）目前還沒有十分完美的相變材料，可以進一步對相變材料的熱物性進行研究，制備高導熱、高潛熱的相變材料，確定不同相變材料的最佳適用條件。

2）對現有相變墻體結構進行優化設計，增強相變材料的潛熱利用率，盡可能滿足在全年工況下均能有效緩解室內溫度變化。

3）目前關于相變墻體的節能分析多考慮電能消耗，可進一步細化各方面的能源與資金消耗，對相變墻體各方面進行節能性、經濟性分析，以指導通過優化各方面參數來降低初投資，又提升建筑節能效果。

4）室內熱環境與當地氣候息息相關，可以進一步研究用于不同氣候地區、不同建筑類型等的相變蓄能墻體的傳熱性能，探討實際情況下最適宜的相變墻體結構、最佳的封裝方式及安裝方式等。