相變材料與建筑圍護結構蓄能一體化設計和應用分析

曹文瑞，曹茂慶，李 宇，王 巍

(1.東北石油大學 建筑系，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江建筑職業(yè)技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025；3.黑龍江斯維爾科技發(fā)展有限公司，黑龍江 哈爾濱 150025；4.黑龍江建筑職業(yè)技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 前 言

在現(xiàn)代技術和建筑行業(yè)的深化發(fā)展下，越來越多的輕型、結構容量小的材料被引入到工程施工中，其中，相變材料就是其中的一種。相變材料在發(fā)生相變的時候會釋放出比較多的熱量，且相變溫度的變化范圍也會縮小，因而被人們廣泛地應用到建筑工程，特別是建筑圍護結構施工中，有效提高了建筑輕質圍護結構的熱容量，減少了房間內部的溫度波動，有效改善了房屋的熱性能，在真正意義上實現(xiàn)了建筑工程的低碳環(huán)保發(fā)展。為此，文章結合建筑圍護結構施工的實際要求，就相變材料在建筑圍護結構施工中的應用問題進行探討。

1 相變材料概述

1.1 內 涵

相變材料是指在某一種特定溫度環(huán)境下能夠隨意進行狀態(tài)轉變的物質。在材料相變的過程中，物質的分子會從有序的狀態(tài)變?yōu)橐环N無序的狀態(tài)，同時，在材料狀態(tài)轉變的過程中伴隨著吸熱和放熱的現(xiàn)象。

1.2 分 類

①無機相變材料。無機主要是指鹽溶液和一些水合物鹽類物質。從材料市場基本情況來看，無機相變材料具有密度大、溶解熱大、熔點范圍廣泛的特點，能夠在0℃～150℃的環(huán)境下自由轉變的。但是從實際應用情況來看，無機相變材料具有過冷、相分離、腐蝕性強的缺點。為了解決這個問題，可以選擇在無機材料中添加成核劑和膠凝劑，在這類輔助材料的使用下能夠改善無機材料過冷、腐蝕性強、容易分離的問題。②有機相變材料。有機材料一般由石蠟、脂肪酸、多元醇等共同組成，有機相變材料的溫度一般在0℃～150℃，這類材料的密度、溶解熱比要比無機相變材料小，因而購買價格比較高。但是從實際應用情況來看，有機相變材料和無機相比材料相比不會出現(xiàn)分離和過冷的問題，導熱性能良好，化學性能和物理性能穩(wěn)定。有機相變材料中的石蠟由直鏈烷烴組成，熔解變化、熔點數(shù)值會隨著碳鏈的變化而發(fā)生變化，在這個期間會獲得一系列相變溫度變化的貯熱材料。石蠟具有熔解熱高、相變蒸氣壓數(shù)值低、結晶無過冷、結晶無析出、化學和物理性能穩(wěn)定、無毒無害的特點。但是石蠟材料的導熱系數(shù)不高，為了提升導熱系數(shù)，可以在其中添加石墨粉、金屬粉末。脂肪酸類的材料包含棕櫚酸、硬脂酸等，這類材料在使用的時候會顯示出良好的循環(huán)熔融性能和較強的結晶穩(wěn)定性，在使用的時候不會出現(xiàn)過冷和析出的現(xiàn)象。

2 相變儲能材料基本情況介紹

2.1 相變儲能材料的使用原理

相變材料會在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境下出現(xiàn)狀態(tài)變化，是在這個期間利用潛熱儲存或者釋放一定熱量的材料。和一般的材料相比，相變材料能夠將環(huán)境中的能量予以存儲，根據(jù)需要選擇恰當?shù)臅r間釋放。

相變材料在周圍環(huán)境改變的情況下其物理性能、化學性能會發(fā)生變化，即會向環(huán)境中釋放熱量或者從環(huán)境中吸收熱量，在熱量轉移之后環(huán)境溫度不會變化，吸收或者釋放熱量的相變材料會轉移到環(huán)境中。將相變儲能材料引入到建筑圍護結構中能夠減少房屋建筑室內外熱流的波動幅度，減少室內溫度的波動，從而為人們提供一個適宜居住的環(huán)境。相變儲能材料溫度調節(jié)原理如圖1所示。

圖1 相變儲能材料溫度調節(jié)原理

2.2 相變儲能材料的性能

和一般性的建筑材料相比，相變儲能材料會很好地吸收熱量和釋放熱量，相變儲能材料中的相變焓能夠平衡物質相變反應中潛在的熱量儲能，比熱容能夠精準地顯示出物質的吸熱和放熱情況，從使用總體上來看，是一種對熱量平衡比較理想的物質形態(tài)。從其在整個建筑工程施工中的實際應用情況來看，這類材料的相變熱均值數(shù)量在100 kJ左右，顯熱蓄能效果是一般材料的40～50倍。水因為具備良好的顯熱儲能性能因而會被經常應用到建筑室內溫度調節(jié)中，是室內溫度調節(jié)的重要載體。1 kg水在固液態(tài)相變過程中吸收、釋放的相變潛熱是液態(tài)水溫提升80℃所需要的能量。在將相變儲能材料和一般性的綜合材料對比分析可以發(fā)現(xiàn)，相變儲能材料具備強大的儲能能力和室內溫度調節(jié)能力。相變儲能材料的物理屬性如表1所示。

表1 相變儲能材料的物理屬性

3 相變儲能材料在建筑圍護施工中的應用特點

從實際應用情況來看，在建筑圍護結構施工中可能應用到的相變儲能材料類型比較多，但并不是每一種相變材料都能夠被引入到建筑施工中。在建筑圍護結構施工中所使用的相變儲能材料具有以下特點：①相變儲能材料具備良好的熱傳導系數(shù)，單位質量上材料的熱變潛能比較大，材料的體積膨脹率較小，材料的使用密度較大；②相變過程會顯示出理想的可逆性，在材料相變的時候溫度是一個十分重要的影響因素，在發(fā)生相變的時候要求不會出現(xiàn)過冷的現(xiàn)象；③相變過程中不會產生毒害和腐蝕的現(xiàn)象，更不會污染周圍的環(huán)境。

4 相變儲能材料在建筑圍護施工中的具體應用

4.1 相變儲能材料在建筑蓄能圍護結構中的應用

在房屋建筑工程施工的過程中，為了提升整個建筑工程圍護結構的熱惰性，減少房屋建筑內部溫度延遲和衰減的現(xiàn)象，需要根據(jù)建筑結構類型的不同來選擇對應的相變儲能材料。比如對于現(xiàn)代建筑來說，一般會選擇輕質材料作為圍護結構的基本材料，但是在實際使用的時候受材料熱容小的影響，在使用材料的過程中很容易造成室內夏天溫度高、冬天溫度低的問題，無形中會加大建筑的采暖能耗。而將相變儲能材料引入到建筑蓄能圍護結構中，可以借助相變材料的相變潛力，在夏天溫度較高的時候實施蓄熱操作；在冬天溫度較低的時候實施蓄冷操作，從而實現(xiàn)對建筑室內溫度的合理把控，克服傳統(tǒng)輕質圍護結構熱惰性較小的問題。相變儲能材料在建筑蓄能圍護結構中的應用形式具體表現(xiàn)如下。

①相變墻體。在夏天的時候，房屋建筑墻體會釋放比較多的熱量，這個時候引入了相變墻體后能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化來調節(jié)建筑墻體的溫度，比如德國某建筑工程就在墻體的外部涂抹了顆粒石膏材料，在溫度升高的時候，蠟粒會熔化，產生的熱量會被存儲起來，在不使用空調的情況下也能夠降低建筑室內的溫度。②相變地板。冬天太陽高度角較低，熱量來自于地板吸收的太陽輻射。在此情況下，為了更好地儲藏太陽輻射能，可以將相變底板引入到房屋中。比如某建筑樓將定型相變材料埋入到常規(guī)活動底板中，將白天進入到室內的太陽輻射熱存儲在相變材料內，當晚上溫度較低時，相變材料會出現(xiàn)相變反應，這個時候會向室內釋放白天存儲的熱量。③相變特朗勃墻。這類墻體在加工的時候會使用高熱熔的重質墻體，施工存在缺陷。在使用高儲熱能相變材料打造出的輕質相變墻能夠克服這個問題。在夏天溫度較高的環(huán)境下，基于這類材料的基本屬性，如果周遭的溫度比較高，其能夠吸收圍護結構上的太陽輻射，同時，在熱壓作用的影響下會驅動背陽面冷風的流動，在這個過程中會帶走室內圍護結構的熱量。不僅如此，相變墻還能夠存儲冷量，在冬天關閉房屋外面通風口的時候，相變特朗勃墻會吸收太陽輻射，在這個期間形成的熱壓會促進熱空氣在室內循環(huán)流通。而在冬天氣溫較高的時候可以開啟室外通風口，由此順利將室外的新風引入到室內，打造出一個新風循環(huán)。

4.2 主動相變供暖蓄熱系統(tǒng)

和傳統(tǒng)意義上的取暖方式相比，地板輻射采暖滿足人體舒適需求，在這個期間室內的地表溫度會十分均勻，室內溫度隨著建筑高度的增加從下到上不斷降低，從而給人帶來一種居住的舒適感受。與此同時，在這個期間會提升資源和能源的綜合利用率，在保證工程順利施工的同時減少能源的浪費。

①電加熱相變地板輻射采暖系統(tǒng)。借助夜間低峰段的電能驅動電加熱裝置，在這個期間產生的熱量會通過潛在熱的形式存儲在相變材料中，裝置在白天釋放熱量會為人們提供適宜的溫度，提高人們的居住滿意度。在技術的支持下有學者研究出了定型相變貯能電加熱底板輻射采暖系統(tǒng)。從實際應用情況來看，定型相變貯能電加熱底板輻射采暖系統(tǒng)會在水泥板材之間鋪設形變材料，并將高密度的聚乙烯作為重要載體包裹石蠟相變主體。和一般情況下地板輻射采暖系統(tǒng)相比，谷電輔助加熱形成的定型相變貯能地板輻射采暖系統(tǒng)的運行費用會減少50%，且在該裝置的作用下還能夠將室內溫度控制在18℃～22℃。②太陽能相變地板輻射采暖系統(tǒng)。太陽能的使用對天氣變化有著較高的要求，將這類材料和建筑施工常用材料配合使用的時候會提升資源利用率。比如在實際實施操作的時候，整合了太陽能資源的相變地板輻射采暖系統(tǒng)能夠有效提高各個資源的利用率，根據(jù)外界環(huán)境的變化來調節(jié)材料的使用，將光熱系統(tǒng)中產生的中低溫熱融入到蓄能地板中由相變材料組合形成的盤管，在這個期間通過對流換熱或者熱輻射的方式來完成供暖。

5 結束語

工程實例證明，相變蓄能圍護結構材料的儲能效果理想，在提升房屋建筑圍護結構熱惰性的同時還可以降低設備的使用損耗。從實際應用情況來看，相變材料在建筑工程中的應用形式十分多樣，既能夠和建筑墻體、地板、吊頂主體結構結合在一起使用，又能夠以熱構件的形式存在，為了發(fā)揮出相變材料的作用，需要相關人員根據(jù)房屋建筑的設計需求來選擇適合的結合方式，從而更好地發(fā)揮出相變材料在降低建筑能耗和提升房屋建筑舒適度中的作用。

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