相變材料在建筑領域的節能減碳作用分析

摘 要：相變材料具有高儲能密度和近似恒溫儲釋熱的優勢，和傳統建筑材料結合可實現建筑結構的節能減碳和溫度調節，相變供暖系統可有效利用低谷電價和太陽能，優化能源結構，提高能源利用效率；建筑調溫用相變材料一般耦合夜間通風技術使用，通過儲存夜間冷量實現日間溫度的調節，提高建筑舒適度，降低空調能耗。因此，相變材料對建筑領域的溫度調節有著重要意義。

關鍵詞：相變材料；建筑供暖；建筑調溫；節能減碳

能源問題是人類社會發展面臨的挑戰之一，隨著能源需求量的增長和傳統能源資源的日益減少，煤炭、石油和天然氣等化石能源的供應短缺和價格上漲可能導致生產成本上升，進而引發物價上漲，降低消費者的購買力。進入21世紀以來，我國能源消費總量逐年上升（如圖1（a）所示），2022年能源消費量相比2000年的14.70億噸標準煤增加了168.03%。熱能作為人類直接利用的能源，主要來自煤炭和石油的轉化；盡管煤炭、石油等傳統化石能源占據我國能源消費總量的主導地位，但天然氣、水能、核能、風能、太陽能等清潔能源消費的比重正在逐年增加（如圖1（b）所示）。工業生產是我國能源消耗的主要領域，占據總能耗的七成以上，在工業生產過程中，尤其是在鋼鐵、水泥、玻璃、化工等產業中，一半以上的能耗以余廢熱形式直接排放到空氣中，降低了能源利用率。余熱回收利用不僅可以減少能源浪費，而且可以減少環境污染。事實上，50%左右的工業能耗可通過不同的余熱收集形式進行回收再利用，且余熱資源的回收利用率可達60%。然而，我國余熱資源的回收利用率僅為30%，這表明我國的余廢熱回收領域仍有很大發展空間，可以進一步開拓并加大投入，以提高回收利用率，為可持續發展作出更大貢獻。

習近平總書記2023年在江蘇考察時指出，能源保障和安全事關國計民生，是須臾不可忽視的“國之大者”。能源關系著國民生計和國家安全，開發可再生能源和高效利用現有化石能源是緩解能源危機的有效措施，也是減少環境污染的重大舉措。相變材料具有高效的儲熱潛力和近似恒溫儲釋熱的能力，相變儲能技術以相變材料為核心，輔以相應的傳熱技術，可有效回收利用多余熱能，解決太陽能、風能等新能源和可再生能源在時間和空間上不匹配的問題，提高能源利用率，減少溫室氣體的產生和排放。

一、相變材料概述

相變材料是一類具有近似恒溫發生固—液—氣物態變化并吸收或釋放大量熱量的物質，它作為潛熱儲熱技術的核心，具有高儲能密度、溫和的相變過程和低應用成本的優點。相變材料種類繁多，目前已經發現超過500種有應用價值的相變材料，其中，固—液相變材料因其較高的相變潛熱和較小的體積變化率，常作為潛熱儲熱系統的儲熱介質。圖2給出了100℃—800℃范圍內不同種類相變材料的相變溫度和相變潛熱，發現不同種類相變材料的單位體積相變焓呈現隨相變溫度增加而增大的趨勢，因此不同的應用環境中存在著最優的相變材料。溫度相同時應選用潛熱大、導熱良好和過冷度較小的相變材料，同時封裝材料應選用傳熱性好、耐腐蝕和承壓性較好的材料，以延長潛熱儲熱系統的服役壽命。研究表明，建筑能耗占社會總能耗的30%—40%，主要來自供暖和空調能耗。將相變材料和建筑結構相結合，可以通過調控室內溫度變化提高熱舒適度，從而降低建筑能耗。因此，目前主要研究80℃以下的低溫相變材料可廣泛應用于新型節能建材、供暖與空調節能以及電力的“移峰填谷”等領域，從而使建筑能耗控制在合理范圍內。

相變材料的發展得到各國政府的高度重視，通過設立科研項目，為相變材料領域的科學家和企業提供資金和技術支持，推動成果轉化，并舉辦相關會議，促進學術交流與合作。《中國能源科學2035發展戰略》中明確指出，要進行高能量密度、緊湊化、微型化的潛熱儲熱單元設計與優化和開發潛熱儲能—可再生能源耦合集成系統，實現可再生能源的提質增效與就地消納。國家發展改革委發布的《產業結構調整指導目錄（2024年本）》中將低成本相變儲能墻體材料及墻體部件納入鼓勵類項目。此外，歐盟委員會在《能源2020戰略》等文件中，明確提出加大對相變材料研究與應用的投入，推動其在節能減排、能源轉換和儲存方面的應用；美國國家科學院、工程院和醫學科學院公布的《材料研究前沿：十年調查》同樣指出，2020—2030年材料研究的機遇包括開發具有較大熔化熱變化的新型相變材料，以提高太陽能熱存儲效率。政府的大力支持將大大縮短相變材料的產業化應用進程，有望在節能減排中發揮優勢作用。

二、相變材料在建筑供暖中的效果分析

現行供暖標準規定住宅室內設計溫度為18℃—24℃，在北方寒冷地區，冬季居住建筑供暖是增加室內溫度、提高人體舒適度的有效措施。峰谷電價政策的推行對于優化能源結構，降低發電成本，發揮有限電力的最大經濟效益有著重要意義。隨著清潔能源的應用，國家大力推廣電供暖，但白天峰電價格較高，且夜晚谷電得不到有效利用，造成發電成本和用電成本增加。選擇將谷電轉換的熱能在用電高峰期釋放，可實現電網削峰填谷。相變材料具有高儲能密度，在用電低谷時儲存大量熱能，并在用電高峰期釋放，以熱代電，可優化資源配置，減少用電高峰期的用電量，保障電網安全運行。此外，充分利用太陽能集熱技術搭建相變供暖系統可提高供暖效果，為了滿足陰天的采暖需求，一般還需要配置輔助加熱器。

相變材料較低的導熱系數嚴重影響整個儲熱系統的換熱效率，造成材料內部高潛熱無法及時釋放，因此高效的換熱技術與相變儲能技術相結合對于實現相變供暖有著重要意義。對水平及豎直放置套管式相變蓄熱單元進行傳熱仿真，發現熔化過程中自然對流占主導，凝固時導熱占主導，且水平放置時蓄熱速率最大，但垂直放置頂部入射時放熱速率最大。相比于光管、環形翅片套管相變儲熱系統，縱向翅片套管相變儲熱系統的充放熱效果最佳。此外，多管式換熱器通過增加傳熱面積加快相變材料熔化和凝固的速度。螺旋管式換熱器具有結構緊湊、傳熱面積較大等優點，換熱強度在一定范圍內隨單螺旋管式相變蓄熱系統中螺旋直徑的增大而變強。雙管螺旋管換熱器中相變材料的熔化時間比水平雙管和垂直雙管式換熱器分別節省25.7%和60%。由于自然對流的影響，非等距螺旋管換熱器（底部螺距較小）相對于等距螺旋管換熱器，儲熱容量至少提高12%，并且相變材料的溫度分布更加均勻，增加了蓄熱能力。許多學者對相變供暖系統進行研究并有所創新。張亞磊等搭建的基于低谷電驅動的太陽能—地源熱泵相變蓄熱供暖系統在整個供暖季的低谷電利用率可達98%以上。蔣綠林等建立的溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統可提高環境溫度3℃—8℃。常健等提出的高溫復合相變儲熱材料電熱裝置可充分利用夜間低谷電進行儲熱，供暖費用較直熱式供暖系統降低了57.76%。

三、相變材料對建筑調溫的效果分析

隨著全球氣候變暖，夏季高溫天氣越來越頻繁，迅速增加的空調使用頻率使得建筑能耗急劇增加，據統計，空調能耗占整個建筑總能耗的40%—60%，并且很多企業的空調面積能耗在80kW·h/㎡—200kW·h/㎡，是普通住宅單位耗能的5—10倍。因此，如何在保證舒適度的前提下降低空調能耗，是值得社會高度重視的一項課題。

相變建材是指具備相變特性，能夠通過主動或被動調節室內熱環境降低建筑能耗的建筑材料，包括墻板、地板、吊頂、百葉窗等，利用相變材料的特性耦合夜間通風技術可實現調節室內溫度的作用，可以在高溫時段吸收和儲存室內熱量，在低溫時段釋放熱量，從而平衡室內溫度，降低空調系統的運行時間，減少能耗。5G基站是一種對溫度濕度要求較高的公共建筑，可以基站為例探討相變材料對建筑調溫的效果。根據2023年10月工業和信息化部新聞發言人介紹的情況，截至2023年9月底，我國累計建成5G基站數量約318.9萬個。國家電網能源研究院指出，2023年通信基站耗電量占社會用電量的1.3%，到2060年，通信基站耗電量將上升至社會用電量的2.1%，其中空調能耗占基站能耗的30%—50%，平均每個基站的空調電費支出約占整個基站電費支出的54%，5G基站節能減碳已迫在眉睫。2005年魏巍等在基站內部安裝一定數量的相變調溫模塊，利用夜間冷量對流換熱降低室內溫度，試驗發現可節能30%以上。2008年饒中浩等通過分析基站空調能耗結構及其節能潛力，設計出了結合基站專用空調使用的包含自適應控制、相變材料和新風系統的智能型“3+1”綜合節能方案，其可節省用電成本40%以上。2013年張泉等在磚混建筑基站中試驗安裝與自然冷源耦合的相變儲能單元，并對沈陽、鄭州、長沙、昆明和廣州五個典型城市進行模擬，發現節能率最低可達52.62%。2014年程利雙充分利用室外的自然冷源與政府的峰谷電價策略設計了新風相變蓄冷空調系統，這項技術既可利用夜間電價低谷空調對相變材料進行蓄冷，待白天電價尖峰時通過相變材料放冷或與制冷機聯合制冷，也可利用新風冷卻技術對基站進行降溫和蓄冷，從而實現建筑結構的節能減碳，基站平均節能率為35%以上。

四、相關建議

雖然對于相變材料已有了初步應用，但仍然存在成本高、穩定性較差以及傳熱難等問題，相變儲能材料以及相變儲能系統的研發仍需要政府、企業和科研機構通力合作。

第一，政府的支持可推動相變材料的研發和產業化；企業和科研機構應加大相變材料的研發投入，不斷創新，推動相變材料發展應用；研發人員應抓住機遇，積極參與國際合作，加強技術交流，借鑒他國有益經驗。

第二，針對相變儲能材料，應對不同類型的相變材料進行篩選和性能測試，確定不同應用環境下的最優相變材料，分析其相變溫度、相變潛熱等關鍵性能參數。

第三，針對相變儲能系統，開展相變儲能系統的節能效果仿真與驗證，通過數據分析和實測結果，不斷優化相變儲能系統的設計和應用，以提高經濟效益；開發智能化的溫度控制系統，實現對相變儲能系統的實時監測和控制。

【本文系綠色建筑材料國家重點實驗室預研項目（ZA-69）研究成果】

（作者為馬超、解帥、王永超、冀志江、王靜。馬超系中國建筑材料科學研究總院博士；解帥系中國建筑材料科學研究總院環境材料科學與環境保護研究所副所長；冀志江系中國建筑材料科學研究總院教授級高級工程師；王永超系中國建筑材料科學研究總院工程師；王靜系中國建筑材料科學研究總院教授級高級工程師）