相變材料在建筑節能工程中的應用分析

張化龍

文章簡述了相變儲能材料，并從圍護結構、新型砂漿以及其他方向的應用角度對其在建筑節能工程中的實際應用要點進行了深入分析，闡述了建筑節能工程中應用相變材料的實際問題，并對未來相變材料的發展方向進行了展望。

一、相變儲能材料簡述

作為一類具有在一定溫度范圍內對自身物理狀態予以改變的材料，相變儲能材料在內外部溫度高于相變點的情況下，材料由于吸收了大量熱量將會有相變表現，而若溫度低于相變點則有逆相變表現，相變潛熱則是兩類相變過程中所吸收或釋放出的熱量。儲能密度相對較高且相變潛熱較大是相變材料最為突出的應用特征，相變過程中材料溫度并不會有較大改變，具有一定的應用穩定性。從其實際應用情況來看，不僅起到了對周邊環境溫度予以調節的作用，同時也是避免出現能源供求過程中速度與時間不同步等情況產生的關鍵因素，保證了建筑中室溫的控制效果，在建筑節能工程中的保溫領域較為常見，例如河南省裝配式農房體系集成技術，就是主要應用相變材料的一種建筑節能工程建設方法。

依據相變材料在產生相變時的變化方式可將材料分為固氣、固液、固固、液氣四類相變材料。從實際應用情況來看，其中的液氣與固氣相變材料在轉化環節所出現的相變潛熱，相較固固與固液材料所產生的潛熱要大得多。但同樣需要注意的是，固氣與液氣若有轉化情況產生，則由于會釋放出大量氣體的原因使得材料整體體積有較大的變化表現，這也是在實際的建筑節能工程建設環節經常應用固固與固液兩種類型相變材料的主要原因。總結來看，相變其實就是不同物質系統之間相的互相轉變，相變材料在相變過程中的變化如圖1所示。

圖1 相變材料在相變過程中的變化簡圖

若從相變材料的自身性質進行分析，則可將相變材料分為有機物材料與無機物材料兩種類型。其中無機物相變材料無論是在蓄熱密度、導熱性、溶解熱，還是在經濟性方面，相較有機相變材料均較大，整體pH酸堿度呈現中性，但在應用過程中表現出了易受腐蝕的特點，且伴隨相變過冷、易相分離的情況，使得其整體儲熱能力相對較差。多數的有機物相變材料的導熱性與儲能利用能力均較差，這也使得基于有機物相變材料的節能建筑系統能效較低，但其優勢在于具有較強結構穩定性與固體成型效果，需根據建筑建設的實際要求選擇合適類型的相變材料。

二、建筑節能工程中相變材料的實際應用

伴隨人們生活質量的逐漸提升，人們對室內環境舒適感的要求日益提高。在節能減排與低碳經濟成為世界發展主要方向的背景下，為將社會能耗中建筑能耗進一步降低，并縮減供暖或空調系統的運行維護費用，選擇使用新式的建筑節能材料極為關鍵。

1. 圍護結構中相變材料的實際應用

相變材料融入建筑墻板中能夠起到保證室內溫度穩定性的重要作用，進而將體感舒適度整體提升，將建筑能耗整體降低進而充分發揮建筑節能工程優勢，這也是當下針對具有相變潛熱較高、熱密度較大以及性能穩定特點的相變儲能材料予以深入研究的主要原因。Kedl等專家在將墻板與十八烷石蠟結合后，建造了具有被動特點的太陽房，此類墻板也成了第一類具有顯著相變性質的墻板類型；Helmut等專家所制作的新型外墻，將相變材料與透明外保溫材料結合，從其實際的應用情況來看，相較傳統普通不透明的保溫外墻，在太陽輻射的利用方面有著顯著優勢，進而從根本上發揮了相變材料蓄放熱優勢；M.Hadjieva等專家在基于傅里葉紅外光譜對無機水合鹽混凝土體結構進行了掃描，結果證明該結構具有較強穩定性，并使用DSC對其蓄熱能力進行了測試，發現其表現出了較強的蓄熱能力；圖2為相變儲能材料的蓄熱示意圖；加拿大某大學建筑研究中心制作出了包含丁基硬脂酸鹽（49%）與丁基棕櫚酸鹽（48%）的相變材料，通過使用直接混合法在其中加入一定比例的水泥砂漿，所制作出的相變墻邊，從其實際應用功能來看，相較普通墻板其貯熱能力增加了近10倍，同時測試了此類墻板材料的導熱系數、凝固點、熔點等數值，發現其具有優異的建筑材料性質；國內由清華大學牽頭所進行的對相變儲能材料的研究，覆蓋了相變材料墻體物理與化學性能、研制等領域；馮國會等專家所研制出的相變墻板在保證室內環境溫度差異不大的情況下，分析了以相變材料為主體的墻體材料在使用過程中所表現出的節能優勢，從而確定了相變墻體的節能效果；馬芳梅與周建敏在針對復合相變儲能材料進行了深入研究，重點放在復合相變儲能材料的使用壽命、熱物性方面。從實驗結果來看，室內若供暖或制冷系統停止運行，在一段時間內依舊能夠保證將室溫控制在適宜溫度。其他國家同樣對相變儲能材料進行了深入研究與試驗，奠定了相變儲能材料大規模應用在建筑節能工程中的堅實基礎。

圖2 相變儲能材料的蓄熱示意圖

2. 新型砂漿中的相變儲能材料應用

膨脹珍珠巖、水泥等具有輕質多孔特點的無機材料可作為聚合物保溫砂漿的制作骨架，在添加合適聚合物作為改性劑后即可形成新型砂漿，從其使用情況來看不僅具有環保性，且消除了一定的使用安全隱患。劉成樓等專家所制作出的保溫抹面砂漿，加入十八烷這一相變儲能材料，配合膨脹珍珠巖定性材料，使得所制作出的砂漿表現出的物理性能在滿足國家相關建筑建設標準的同時，表現出了調溫節能特點，具有形成建筑圍護結構外表抹面保護層的批量應用特點；王智宇等專家融合了膨脹珍珠巖與相變石蠟材料，分別將材料用于定型與相變，在使用乳化法后制作出了保溫干粉砂漿，所使用的制作方法相較傳統的直接吸附法提高了約3.5倍的吸附率。膨脹珍珠巖與相變石蠟結合后，由于材料體積較大且具有穩定性特征的優勢，使得所制作的干粉砂漿不僅蓄熱系數相對較大，且表現出了防滲出、導熱系數小以及穩定性等應用特點。

3. 建筑節能工程中相變儲能材料其他方向的應用

從當下國內外的儲熱建筑材料研究情況來看，其重點多為有機相變儲能材料。有專家基于能量微球法將相變材料與交聯聚乙烯相結合，所形成的相變儲能材料微球可與石膏板進行結合，從而使得所制作出的石膏板具有一定的儲熱能力；肖春香等專家則是將液相插層與超聲振動等技術綜合應用，制作出了膨潤土復合相變儲能材料。從其實際應用情況來看，相較普通石膏板在保溫隔熱方面表現出的性能相對較高，且具有應用穩定性，能夠將室內的溫度波動情況予以減緩，進而將能耗整體降低；Peippo等專家打造了融合相變儲能材料的石膏板試驗房間，就含量不同的相變材料墻體結構熱力學行為進行了深入研究，發現每年能夠節約的熱消耗量達到了15%；李玉蓉等專家所制作出的復合定形相變復合材料使用了機械攪拌替代了傳統的蜜煉法，對材料進行熱力學性能研究分析后，從實際結果中發現新的制備方法不僅工藝流程相對較為簡單，且具有有效降低制作成本的優勢。制作出的相變儲能材料在保證其儲熱值的同時，滲漏性相較普通相變材料同樣有所降低。由于這一材料特殊的應用性質與優勢，更為適合應用于北方冬季采暖系統中，具有廣闊的應用前景；Ismail等專家結合現有的相變儲能材料制備技術，設計出了融合相變儲能材料的玻璃窗，從實際應用情況來看，此類玻璃窗相較普通的填充空氣的雙層玻璃窗，在保溫性方面的效果要好得多；若能夠基于封裝技術將載體基質變更為三維網狀或多孔泡沫塑料等結構，并將相變儲能材料注入其中，則從宏觀角度來看依舊能夠在發生相變的情況下維持自身的固體形狀。此種結構的優勢在于可直接加工成型且無需使用容器，使用較為安全，現被經常應用于建筑節能工程中的地暖系統中。

三、當下在建筑節能工程中應用相變儲能材料的關鍵問題

近些年來針對相變儲能材料的研究成果較多，使得在保證建筑節能效果的同時，提高了建筑結構的使用穩定性，充分發揮了其減少建筑能耗的優勢，匹配當下低碳經濟的發展需求。但從整體情況來看，我國針對相變儲能材料的理論研究起步相對較晚，因此在材料的儲能效益、節能效果以及制備方法方面的認識仍然存在著諸多不足之處，此類材料在節能建筑中的實際應用依舊在持續研究與完善階段，想要在短期內完成大規模推廣仍然較為困難。

1. 相變儲能材料制備方法仍存在著不足之處

直接滲入法、微膠囊法、直接混入法等經常被應用于相變儲能材料的制備過程中，但均有著相應的應用缺陷。直接滲入法在應用后將增大相變材料相變過程中漏液滲流情況的產生風險；微膠囊法應用成本相對較高，且若將此方法所制備出的材料實際應用在建筑建設過程中，則其力學性質可能有所改變；直接混入法則需要強調其配合比設定的科學性，以免對材料之間的相容性與耐久性造成較大影響。

2. 針對相變儲能材料所設定的評價標準尚不完善

相變儲能材料如何保證其運用的合理性，當下并沒有一套完善的評價標準支持，且缺失了對相變儲能材料實際應用在室內動態導熱過程的模擬仿真程序，仍需要進一步對相變材料的特性進行實驗，探討其導熱性、耐久性等。

3. 相變儲能材料使用整體成本偏高

相較普通建筑材料，由于相變儲能材料制備流程較為復雜，因此材料使用成本相對較高。再加上生產技術尚不成熟，因此想要達到完全覆蓋到建筑節能領域的材料應用目的仍有較大困難。此外，針對相變儲能材料應用在建筑結構建設過程中后的耐久性分析同樣處于缺失狀態，想要確定相變材料應用后所產生的節能效果，以及得出準確經濟評價缺乏必要的參考與實驗條件。

四、未來相變儲能材料在建筑節能工程中的應用發展方向

作為能源大國，我國正面臨著能源供求關系緊張的實際問題。由于建筑行業耗費材料、人力、物力等相對較多，其占據了社會總能源消耗量的40%左右，使得在當下建筑節能技術研究與開發應用成為熱點話題。相變儲能材料優秀的使用特性，使得若將其應用在建筑領域將有效改善建筑行業的發展現狀，因此從節能角度來看深入研究相變材料的工作較為緊迫，主要從以下兩個方向對相變材料進行研究：

第一是開發新的相變材料種類，制備出匹配環保與經濟需求的相變材料，并要求其具有可循環利用與結構穩定等特性，從而保證相變材料的應用效果。

第二是從多個角度對當下所使用的相變儲能材料封裝與基材復合方法予以改進，從而保證所制備出的相變材料經常有性能穩定與生態友好的特點。

五、結束語

綜上所述，相變材料在建筑節能工程中的應用仍需進行持續研究，從多個角度對相變儲能材料制備方法、應用特性等展開實驗分析，從而充分發揮出建筑節能工程中相變材料的應用優勢，為我國建筑行業的未來可持續性發展奠定堅實基礎。