相變儲能材料在節能建筑設計中的應用

牛 紅 培

（濮陽職業技術學院，河南 濮陽 457000）

隨著現代建筑產業的不斷發展，建筑耗能也在不斷增多。于是相關產業研究的重點自然轉移到高效節能相關技術上。相變儲能材料(PCMs)可以根據周圍環境溫度改變自身物理狀態，吸放大量熱能用于能量材料儲存，不僅可以有效提高能量儲存密度，還可以降低建筑溫度波動。從實際應用上來說，將相變儲能材料應用到現代建筑設計中，可以有效提高建筑物的溫度舒適性，同時可以降低電力峰值負荷，提高用電效率，實現建筑節能，符合當前建筑行業高效節能的發展趨勢。

本文對當前國內外相變儲能材料及其在建筑節能設計中的應用情況進行綜述討論，著重分析了常用相變儲能材料的類別與制備應用情況，以期對相關產業發展與研究提供一定幫助。

1 常規相變儲能材料的類別

基于實際的相變特征，現代相變儲能材料可以劃分為以下四大類：固-液、固-氣、固-固與液-氣。其中由于固-氣和液-氣兩種相變儲能材料會產生大量的氣體，對其體積的控制難度較高，所以很少用于工業。而固-液相變材料則可以進一步劃分為以結晶水合鹽、金屬合金為核心的無機材料與其他有機材料。具體類別如表1所示。

表1 相變材料類別Table 1 Types of phase change materials

2 相變儲能材料的選擇與改性

2.1 材料選擇

為了滿足當前市場節能建筑設計與能源需求，最佳相變儲能材料必須優先考慮溫度性能、物化性能以及最終的成本經濟性。首先，節能建筑設計用相變儲能材料需要具備適宜的相變溫度空間，這就要求相變材料擁有合適的相變儲熱和導熱性能(過大、過小都不合規)；其次，相變儲能材料需要具備良好的熱循環，和相變可逆性，不會腐蝕建筑結構的核心構件，且無毒無害；再次，相變過程中，材料自身的體積變化需要易于掌控，最好不要出現過冷相分離等情況，最后就是材料自身不能造價過高。

然而通過市場研究可以肯定，完全符合上述所有要求的相變儲能材料較少，所以現階段大多數節能建筑在選擇材料時會優先考慮溫度和相變儲熱情況。表2為部分常用的建筑相變儲能材料。

表2 復合相變儲能材料參數Table 2 Parameters of composite phase change energy storage materials

2.2 儲能材料改性

上述研究表明，當前建筑節能領域正在廣泛引入相變儲能材料，但是單一的儲能材料不能完全滿足所有市場需求，其常規問題包括但不限于：相變溫度不符合要求，導熱性能較差；較低溫度下容易泄漏、相變潛熱低等。所以近年來國內外不少研究機構，通過各類數值模擬，不斷研究制備新的相變儲能材料。目前，常規的研究方法就是改變單位配比情況，研制復合型相變儲能材料，最大程度彌補傳統單一材料的缺陷。例如，通過添加成核劑，解決部分相變材料漏液的情況，或者以添加導熱劑的形式，解決相變儲能材料導熱率問題。這些都是近年來較為成功的研究案例，此外還有其他的一些改性操作例如：國內研究員王若鈺等[1]以高密度聚乙烯為基體，添加膨脹石墨的石蠟作為相變材料，制備的復合相變儲能材料，其相變出熱可以通過調整石蠟質量控制。通過大量的實驗可以肯定，該復合材料的熱儲能力與導熱率較好，且該方法可以有效降低其機械性能，可以在建筑節能領域直接使用。

孫凱等[2]制備了以聚乙二醇和膨脹石墨為核心的復合材料，該材料的相變溫度區間為18.25～27.62℃，潛熱性能為95.55～99.25 J/g，可以用于建筑室內的裝修。此外，國外已有學者研究了一種形狀穩定的基于聚乙二醇PEG@NPC-Al 的新型復合相變儲能材料。通過實驗可以得出結論，該材料比單一的聚乙烯二醇有更好的熱儲能力和滲透性，其相對較高的穩定性也能保證其應用安全，可以用于建筑儲能。

3 節能建筑設計中相變儲能材料的應用

一般情況下，在現代節能建筑領域，相變儲能材料的應用，可以用于被動式儲能系統和主動式儲能系統。其中，被動式儲能系統一般會應用傳統的自然能量加熱和冷卻相變儲能材料，實現建筑物的溫度控制。而主動式儲能系統，則需要人工冷熱源與相變儲能材料結合，通過人工熱源輔助相變儲能材料加熱或者制冷。當前國內外均有大量研究機構依靠仿真數據測試模擬等方法，對相變儲能材料的實際應用性能進行分析研究，評估其真實的經濟效益。

3.1 被動式相變儲能系統

在建筑被動式相變儲能系統的應用與設計中，相變儲能材料大多會被應用到建筑外部保護結構，例如墻體、天花板、護欄等。在這種情況下，相變儲能材料會作為一種獨立結構與建筑材料結合，直接放入石膏、混凝土或者砂漿中。這樣的設計可以最大限度調節建筑外部溫度，在建筑沒有安裝其他冷卻系統的前提下，增加熱量控制范圍，提高居民生活熱舒適感。通過實驗室數據模擬可以確定，被動式相變儲能系統與相變儲能材料的應用可以有效控制建筑溫度波動，轉移冷卻負荷，且對自然環境沒有任何負面影響。美國已有學者將相變儲能材料與膨脹珍珠巖融合，構建了一種新的EP/EV 石膏板。該石膏板符合主流建筑需要，并在韓國、日本等地應用范圍較廣。通過水循環測試，數據表明該石膏板的最佳質量配比為7∶3，此時相變儲能材料在溫度調節方面性能最佳。

3.2 主動式相變儲能系統

現代節能建筑中，主動式相變系統與相變材料大多與建筑空調系統、地板采暖、通風系統結合。可以用于氣候較為極端的地區。實驗數據證明，與傳統的保暖制冷或者通風系統相比，添加相變儲能材料可以進一步降低室內環境的溫度波動區間，提高環境舒適度。同時由于該材料自身有一定能源需求特性，可以有效降低工作溫度控制負荷，從而進一步降低建筑能耗，節省電力資源。例如張建武等[3]以膨脹石墨、高密度聚乙烯和石蠟為核心材料根據一定配比制備了新的SSPCM雙層石板，該石板在我國南方地區應用效果較好，通過實驗證明可以直接降低辦公樓超過15%夏季冬季能耗，尤其冬季使用效果更好。

4 結 論

在現代建筑領域和儲能領域，相變儲能材料的應用不僅可以有效節約能源，降低建筑能耗，同時也為后續的環保儲能發展提供了一定基礎。因此基于相變儲能材料的建筑材料設計應用，必定有著較為廣闊的市場應用前景。本研究從儲能與建筑兩個角度分析了相變儲能材料在建筑設計中的應用，除了文中提到的問題，還有其他方面需要未來進一步探討。

（1）相變儲能材料的長期保存。當前大多數相變儲能材料嘗試使用中都出現了或多或少的泄漏情況，同時自身也有一定腐蝕性。未來需要找到更合理的相變溫度和具有一定耐腐蝕性的建筑材料。

（2）相變儲能材料的導熱性。目前許多相變儲能材料的導熱性一般，如何有效提高其導熱性能是未來研究的又一項重要課題。

此外還有相變儲能材料的生產工藝，也是相變儲能材料成本控制和商業化的一項重要內容。