王 拓

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)備所，北京 102600）

1 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)居民生活水平的提高，對(duì)居住、辦公環(huán)境的舒適度要求也逐步提高，使得建筑能耗增長(zhǎng)較快，約占社會(huì)能耗總量的30-40%[1]。然而，能耗的提高又與當(dāng)前能源危機(jī)產(chǎn)生了巨大沖突。因此，在降低能耗、提高能源利用率的同時(shí)滿足人們對(duì)生活環(huán)境舒適性的要求，已成為當(dāng)前建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[2]。

自20世紀(jì)70年代末爆發(fā)能源危機(jī)以來(lái)，相變材料開始進(jìn)入大眾視野，并被廣泛研究、應(yīng)用于各種場(chǎng)合。研究表明，相變材料依靠潛熱，在蓄放熱過(guò)程中溫度可保持在一穩(wěn)定范圍[3-4]；并且，在儲(chǔ)存相同熱量條件下，所需蓄熱材料體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯熱蓄熱材料；此外，相變材料通常具有較大熱阻，而且具有無(wú)毒無(wú)害、成分穩(wěn)定、易于制備等特點(diǎn)。綜上所述，相變材料在建筑節(jié)能及提高舒適性的領(lǐng)域仍具有很大研究空間與價(jià)值。本文擬從相變材料的分類、使用、存在問(wèn)題與解決方案等入手，分析闡述這種材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 相變材料的分類

相變材料也稱潛熱蓄熱材料，顧名思義，此材料可利用相變潛熱，通過(guò)一種物態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物態(tài)，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，儲(chǔ)存或釋放熱量[5]。相較于顯熱蓄熱，相同質(zhì)量的相變材料蓄放熱可提高5-10倍，并且所需材料體積也遠(yuǎn)小于顯熱蓄熱材料[6]。

依據(jù)物態(tài)變化，相變材料可分為三大類：氣—液相變、液—固相變、固—固相變。其中，氣—液相變材料的相變潛熱最大，但由于相變過(guò)程中體積變化很大，很難在節(jié)能、蓄熱方面發(fā)揮作用，故較多地應(yīng)用于制冷、傳熱領(lǐng)域。液—固相變材料的蓄熱量雖不及上述氣—液相變材料，但其在相變過(guò)程中體積變化很?。ㄐ∮?0%）[6]；更為重要的是，液—固相變材料在反復(fù)的蓄放熱過(guò)程中，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[7,8]，因此成為目前較為主流的相變蓄熱材料。

與前兩種材料有所不同，固—固相變材料則是利用潛熱蓄放熱，其宏觀物態(tài)并沒(méi)有發(fā)生改變，但在微觀上，它卻由一種晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體。相對(duì)于液—固相變材料，其相變潛熱量更小，并且相變溫度高[9]。由于導(dǎo)熱能力較低，故固—固相變材料難以在熔化過(guò)程中通過(guò)自身對(duì)流提高其導(dǎo)熱、蓄熱能力[10]。盡管如此，這種材料因蓄放熱時(shí)體積變化小、無(wú)相分離，物理化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定，無(wú)腐蝕、泄露等安全隱患[11]，因此在建筑節(jié)能領(lǐng)域仍有較大的研究潛力。

3 相變材料的應(yīng)用

3.1 蓄熱元件及蓄熱的強(qiáng)化

由于固—液相變材料吸熱后熔化為液體，因此需封裝以制成蓄熱元件后方可使用。當(dāng)前主流的封裝容器為圖1所示的球形膠囊、管殼式換（蓄）熱器、柱形、箱型容器等[12]。

圖1 相變蓄熱元件的不同形式[12]

Archibold等人[13]對(duì)內(nèi)充硝酸鈉的球形膠囊進(jìn)行熱學(xué)分析，并利用努謝爾數(shù)對(duì)硝酸鈉的熔化過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在熔化初期，石蠟的傳熱由導(dǎo)熱主導(dǎo)；隨著液相的增多，液態(tài)硝酸鈉會(huì)在膠囊上部形成環(huán)流，對(duì)流換熱趨于主導(dǎo)，膠囊上部熔化速率大于下部，等溫線成心形。Sattari等人[14]使用不同尺寸的球型膠囊封裝正十八烷石蠟，并加熱至不同溫度。通過(guò)對(duì)比不同尺寸膠囊的熔化情況，發(fā)現(xiàn)膠囊尺寸增大，石蠟的比表面積減小，熔化速率降低。其中，直徑為101.66mm的膠囊內(nèi)石蠟熔化時(shí)間相較于直徑80 mm膠囊的延長(zhǎng)了80%；提高加熱溫度同樣可提高熔化效率，當(dāng)膠囊表面溫度為45℃時(shí)，熔化時(shí)間僅為35℃時(shí)的一半。

Seddegh等人[15,16]將石蠟封裝于外徑0.128m、內(nèi)徑0.035m的管殼式換熱器內(nèi)，以水作為熱媒，研究其熱交換狀況。對(duì)于蓄熱過(guò)程，換熱器水平放置與垂直放置對(duì)蓄熱總時(shí)長(zhǎng)影響不大，但在蓄熱初期，水平放置換熱器內(nèi)部的石蠟熔化速度更快，全部熔化后其內(nèi)部溫度也更高，因此作為放熱熱源品質(zhì)更高。與蓄熱過(guò)程不同的是，放熱時(shí)對(duì)流較弱，導(dǎo)熱較強(qiáng)，因此過(guò)程持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。對(duì)于此種尺寸的換熱器，其內(nèi)部的液態(tài)石蠟完全凝固需11h。對(duì)于放熱過(guò)程，水平與垂直放置的換熱器內(nèi)相變材料溫度與液相組分變化趨勢(shì)幾乎重合，故提升熱媒溫度是增大其需熱量的最有效方法。

龍偉月等人[17]利用月桂酸作為相變蓄熱材料，分析對(duì)比了外、內(nèi)徑比(N)分別為1.5、1.8、2.0、2.2、2.5五種尺寸管殼式換熱器的蓄熱情況。發(fā)現(xiàn)蓄熱元件的平均蓄熱速率隨N值的減小而增大，當(dāng)N≤2.0，蓄熱速率增加幅度大。這是由于N值越小，相變材料的比表面積越大，傳熱由導(dǎo)熱向?qū)α鞯霓D(zhuǎn)變?cè)皆?。?dāng)邊界溫度為85℃時(shí)，N=1.5元件的蓄熱速率相較于N=2.5提升了15%。程友良等人[18]將管殼式換熱器中熱媒管道替換為波節(jié)管，在增大換熱面積的同時(shí)，由于提高了熱媒的擾動(dòng)，使蓄熱效率最大提升了39%。而且還發(fā)現(xiàn)熱媒與相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)均存在最佳值，熱媒的導(dǎo)熱系數(shù)提高使得放熱效率先增后減，而當(dāng)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于熱媒時(shí)，元件的放熱效率會(huì)急劇下降，致使放熱效果變差。此外，相變材料的熔點(diǎn)在略高于臨界溫度時(shí)放熱效果最佳。陳華等人[19]提出了一種制冷劑管路與水管路以交錯(cuò)螺旋的方式排列而成的管殼式換熱器（圖2），他們以石蠟作為蓄熱組分，發(fā)現(xiàn)：受熔化時(shí)石蠟內(nèi)部溫度分層明顯，且以上部溫度較高。因此，應(yīng)當(dāng)將盤管置于蓄熱裝置底部，以達(dá)到最佳的熱效果。

圖2 相變蓄熱裝置示意圖[19]

Bouadila等[20-22]使用一種相變球形膠囊填充床集放熱裝置（圖3）對(duì)入射進(jìn)溫室內(nèi)的太陽(yáng)能進(jìn)行直接收集，并在夜間通過(guò)空氣循環(huán)強(qiáng)制對(duì)流釋放熱量加熱溫室。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)夜間回用熱量達(dá)到供暖總要求的30%，并且當(dāng)室外氣溫降至8℃時(shí)，加熱系統(tǒng)可使室內(nèi)氣溫保持在15℃。Arfaoui等[23]改進(jìn)了上述裝置，將原有的單層填充床改為雙層，結(jié)果表明：該裝置蓄熱量提高了47%，夜間有效放熱量可達(dá)0.3 kW，出口空氣溫度可保持在27℃。說(shuō)明該裝置可直接吸收太陽(yáng)輻射從而降低溫室內(nèi)峰值溫度，無(wú)需安裝額外集熱裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，集熱高效等優(yōu)點(diǎn)。Elfeky等人[24]將填充床中蓄熱材料由同一種改為三種不同熔點(diǎn)的相變材料，其排列方式為蓄熱工況下順熱媒流動(dòng)方向熔點(diǎn)依次降低。熱媒與蓄熱膠囊換熱過(guò)程中溫度會(huì)逐漸減低，但通過(guò)此種排列方式，熱媒也可與填充床中后段熔點(diǎn)較低的相變材料繼續(xù)換熱，從而提高了熱媒的利用率，故使得裝置的蓄熱效率大幅提高。Li等人[25]研發(fā)了一種相變材料耦合太陽(yáng)能集熱管的蓄熱裝置，此裝置日間利用太陽(yáng)能將熱量蓄積在裝有相變材料的外部套管中，夜間再通過(guò)內(nèi)部套管中的熱媒釋放熱量。測(cè)量結(jié)果表明：日間相變材料最高溫度可達(dá)171℃。當(dāng)日間輻射照度大于15.23MJ/m2時(shí)，此裝置蓄熱可達(dá)34.3%。

圖3 相變球形膠囊填充床集放熱裝置示意圖[20]

對(duì)于球形膠囊，除前文提及的縮小尺寸增大相變材料的比表面積外，還可在相變材料內(nèi)引入添加劑以提高其導(dǎo)熱能力。閆全英等人[26]將納米銅、鎳、鎢、石墨以及硅粉以5%、15%、30%、50%的比例分別與硬脂酸、石蠟、石蠟硬脂酸混合，制備出多種復(fù)合蓄熱材料。結(jié)果表明，上述添加劑對(duì)不同相變材料的導(dǎo)熱能力均有提升，其中石墨使相變材料的導(dǎo)熱能力最高提升3倍以上，并且它與相變材料還具有好的相容性，且價(jià)格低廉，為以上幾種添加劑中的最優(yōu)選擇。但應(yīng)注意的是，石墨的添加量并非越高越好，當(dāng)其含量過(guò)高時(shí)，相變材料受熱時(shí)溫升速率難以控制而提升過(guò)快，大量相變材料到達(dá)熔點(diǎn)進(jìn)入液相區(qū)，致使過(guò)熱現(xiàn)象發(fā)生，降低了導(dǎo)熱率。研究表明：30%為石墨的較優(yōu)添加濃度。

對(duì)于管殼式換熱器，添加肋片不失為一種行之有效的強(qiáng)化傳熱方法。Mahdi等人[27]在內(nèi)、外徑分別為50mm、150mm的管殼式換熱器（水平放置）中添加肋片，且肋片添加在內(nèi)管相變材料側(cè)，其長(zhǎng)度分別為12.7mm、25.3mm、38mm。研究分析發(fā)現(xiàn)：換熱器上部石蠟在熔化過(guò)程中對(duì)流占主導(dǎo)，肋片添加過(guò)多、過(guò)長(zhǎng)會(huì)阻礙液相的流動(dòng)影響換熱；而下部的導(dǎo)熱更為強(qiáng)烈，因此需要較長(zhǎng)、較多的肋片以增強(qiáng)換熱。換熱器上半部分添加2組肋片（長(zhǎng)度為25.3mm，與垂直方向夾角為45°），下半部分添加4組肋片（長(zhǎng)度為38mm，與垂直方向夾角分別為30°、60°）的結(jié)構(gòu)形式（圖4）對(duì)蓄熱的強(qiáng)化效果最佳，其內(nèi)部石蠟完全熔化僅需60min，相較于無(wú)肋片換熱器，蓄熱周期縮短了54%。

圖4 新型肋片形式示意圖 (L1=L2=L5=25.3 mm，L3=38 mm，W=1 mm)[27]

除肋片外，泡沫金屬同樣為強(qiáng)化傳熱的有效途徑。如在孔隙率為94.76%的泡沫鋁中充注水，其等效導(dǎo)熱系數(shù)為水的8倍[28]。不僅如此，高孔隙率的泡沫金屬在提高材料導(dǎo)熱能力的同時(shí)，對(duì)材料密度、比熱等性質(zhì)影響很小，因此十分適合與相變材料結(jié)合，在保證巨大潛熱的情況下提升其傳熱能力。Wang等人[29]將石蠟充注于不同孔隙率的銅、鋁、鎳等多種規(guī)格的泡沫金屬中，發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨泡沫金屬的孔隙率降低以及導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大。與傳統(tǒng)相變材料熔化過(guò)程不同的是，泡沫金屬雖阻礙了液相的流動(dòng)，但由于導(dǎo)熱能力較強(qiáng)的“立體金屬網(wǎng)”遍布容器的各個(gè)角落，因此泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料的熔化可視為純導(dǎo)熱過(guò)程。Esapour等人[30]將孔隙率為70%與90%的泡沫銅分別置于管殼式換熱器內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與純相變材料相比，添加泡沫銅的相變材料熔化周期由27min分別縮短至12min、14min。Mahdi等人[31]對(duì)此種強(qiáng)化傳熱方式進(jìn)行了優(yōu)化，在管殼式換熱器內(nèi)設(shè)置多級(jí)泡沫銅，由內(nèi)壁（熱媒管管壁）至外壁孔隙率分別為92%、94%、95%、96%、98%，以增強(qiáng)靠近熱媒處相變材料的導(dǎo)熱能力，避免過(guò)熱現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了相變材料的潛熱利用率。與單級(jí)泡沫銅工況對(duì)比可知，其熔化周期縮短了10min，放熱周期延長(zhǎng)了6min，并且相變材料的溫度分布更為均勻。Liu等人[32]將石蠟封裝于尺寸為160mm×80mm×600mm的箱體內(nèi)，其中設(shè)有孔隙率為93%的泡沫銅，熱媒管使用直徑為20mm的U型管，以此為一個(gè)蓄熱單元，實(shí)驗(yàn)臺(tái)將6個(gè)單元并聯(lián)設(shè)置，如圖5所示。蓄熱時(shí)在U型管內(nèi)通入85℃的熱水，放熱則利用蓄熱單元間空氣的自然對(duì)流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置的蓄熱量與蓄熱效率可達(dá)1907.1kJ以及198.7W，在環(huán)境溫度為23℃時(shí)可持續(xù)放熱41.5h。由此可知，泡沫金屬在相變材料比表面積較小的工況下，依舊具有良好的強(qiáng)化傳熱能力。

圖5 泡沫金屬-相變蓄熱裝置原理圖[32]

3.2 被動(dòng)相變蓄熱在建筑中的應(yīng)用

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是影響建筑節(jié)能的重要因素，將相變材料作為建材組分以降低空調(diào)、采暖能耗已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[33]。Dabiri[34]將RT35（相變區(qū)間32-35℃）封裝于空心磚夾層中，以德黑蘭一月末與七月末室外氣象參數(shù)作為邊界條件，分析相變墻體在冬夏極端天氣下的熱工性能。發(fā)現(xiàn)夏季氣溫較高，相變材料熔化充分，七成熱量以潛熱形式儲(chǔ)存在墻體中，從而使得室內(nèi)氣溫更加穩(wěn)定，波動(dòng)幅度相對(duì)于普通墻體縮小了48%；冬天雖僅有三成熱量以潛熱蓄積于墻體，但由于相變材料具有較大的熱容與熱阻，室內(nèi)溫度波幅依舊減小了42%。不僅如此，此墻體使得室內(nèi)氣溫在冬夏分別保持在19-26℃以及23-32℃，均處于舒適區(qū)或略高于舒適區(qū)，從而降低了空調(diào)和采暖的能耗。Souayfane等人[35]使用玻璃磚砌筑墻體，并在其內(nèi)部充注相變材料（共晶脂肪酸）。結(jié)果表明，在冬日連續(xù)晴好天氣，實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)氣溫始終保持在18.4℃，并且由于使用的玻璃磚與相變材料都具有一定的透明度，日間無(wú)需使用照明設(shè)備。但此種墻體在夏日溫度較高、太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的氣象條件下易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，對(duì)室內(nèi)氣溫的調(diào)節(jié)能力遠(yuǎn)不及冬日，需使用遮光百葉以削弱日光輻射。Mankibi等人[36]通過(guò)數(shù)值方法分析相變材料層在墻體中位置對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明相變材料設(shè)置在墻體中靠近室內(nèi)一側(cè)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的改善能力較強(qiáng)；相變墻體設(shè)置于南墻上對(duì)室內(nèi)環(huán)境的改善效果優(yōu)于東西墻。此外，該研究還確定了墻體內(nèi)充注相變材料的最佳相變溫度為22±0.1℃。

3.3 主動(dòng)相變蓄熱在建筑中的應(yīng)用

由于相變材料熱阻較大，僅采用被動(dòng)傳熱方式難以獲得最有效的利用，因此許多研究采用主動(dòng)的方式增強(qiáng)其蓄放熱能力。Diarce等人[37,38]提出一種主動(dòng)通風(fēng)相變墻體，該墻體由外至內(nèi)依次為相變材料層、風(fēng)道層、聚苯乙烯保溫層、承重磚層（圖6）。在風(fēng)機(jī)作用下，相變材料受太陽(yáng)輻射蓄積的熱量在夜間通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流釋放至室內(nèi)，以此保持夜間室內(nèi)溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該墻體使得室內(nèi)氣溫提高1.1℃，在晴好天氣可提高至2℃。Kong等人[39,40]將石蠟與膨脹珍珠巖以6:4的質(zhì)量比混合后制成板狀置于房間內(nèi)墻表面，通過(guò)毛細(xì)管與太陽(yáng)能集熱器耦合，形成太陽(yáng)能相變墻體蓄熱系統(tǒng)。日間利用水循環(huán)將集熱器收集的熱量注入墻體內(nèi)部，夜間再通過(guò)墻體與室內(nèi)自然對(duì)流換熱釋放熱量，以達(dá)到提升室內(nèi)氣溫改善熱環(huán)境的目的。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)使得室內(nèi)氣溫平均提升5℃，降低采暖能耗44%。Evola等人[41]為降低辦公樓等大型建筑的夏季能耗，將房間內(nèi)墻替換為微膠囊相變材料砌筑的墻體，并在墻體靠近走廊一側(cè)設(shè)置空腔，以便在夜間引入清涼室外空氣以強(qiáng)制對(duì)流的方式排除相變墻體內(nèi)蓄積的熱量。研究發(fā)現(xiàn)，受強(qiáng)制對(duì)流影響，空腔側(cè)當(dāng)量傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于房間側(cè)，夜間室內(nèi)熱量始終由室內(nèi)流向相變墻體及空腔，因此該系統(tǒng)使得夜間室內(nèi)氣溫平均降低0.7℃。

圖6 主動(dòng)式相變蓄熱墻示意圖[38]

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前時(shí)代背景下，兼顧舒適性與節(jié)能需求已成為建筑領(lǐng)域的主流研究方向，相變材料因自身具有強(qiáng)大的蓄熱能力以及恒溫蓄放熱的特點(diǎn)可在此領(lǐng)域大顯身手，通過(guò)對(duì)其傳熱能力以及在建筑結(jié)構(gòu)引入形式等方面的優(yōu)化，均可起到穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境、提升使用者舒適度的作用。不僅如此，由于相變材料還可通過(guò)太陽(yáng)能蓄熱，在改善室內(nèi)熱環(huán)境的同時(shí)，一定程度上降低了空調(diào)及供暖的能耗，順應(yīng)了當(dāng)前我國(guó)綠色發(fā)展的方向，為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。