張化龍

文章簡述了相變儲(chǔ)能材料，并從圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新型砂漿以及其他方向的應(yīng)用角度對(duì)其在建筑節(jié)能工程中的實(shí)際應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，闡述了建筑節(jié)能工程中應(yīng)用相變材料的實(shí)際問題，并對(duì)未來相變材料的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

一、相變儲(chǔ)能材料簡述

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

依據(jù)相變材料在產(chǎn)生相變時(shí)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(shí)際應(yīng)用情況來看，其中的液氣與固氣相變材料在轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的相變潛熱，相較固固與固液材料所產(chǎn)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(zhuǎn)化情況產(chǎn)生，則由于會(huì)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(xiàn)，這也是在實(shí)際的建筑節(jié)能工程建設(shè)環(huán)節(jié)經(jīng)常應(yīng)用固固與固液兩種類型相變材料的主要原因?？偨Y(jié)來看，相變其實(shí)就是不同物質(zhì)系統(tǒng)之間相的互相轉(zhuǎn)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(zhì)進(jìn)行分析，則可將相變材料分為有機(jī)物材料與無機(jī)物材料兩種類型。其中無機(jī)物相變材料無論是在蓄熱密度、導(dǎo)熱性、溶解熱，還是在經(jīng)濟(jì)性方面，相較有機(jī)相變材料均較大，整體pH酸堿度呈現(xiàn)中性，但在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出了易受腐蝕的特點(diǎn)，且伴隨相變過冷、易相分離的情況，使得其整體儲(chǔ)熱能力相對(duì)較差。多數(shù)的有機(jī)物相變材料的導(dǎo)熱性與儲(chǔ)能利用能力均較差，這也使得基于有機(jī)物相變材料的節(jié)能建筑系統(tǒng)能效較低，但其優(yōu)勢(shì)在于具有較強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與固體成型效果，需根據(jù)建筑建設(shè)的實(shí)際要求選擇合適類型的相變材料。

二、建筑節(jié)能工程中相變材料的實(shí)際應(yīng)用

伴隨人們生活質(zhì)量的逐漸提升，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適感的要求日益提高。在節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟(jì)成為世界發(fā)展主要方向的背景下，為將社會(huì)能耗中建筑能耗進(jìn)一步降低，并縮減供暖或空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，選擇使用新式的建筑節(jié)能材料極為關(guān)鍵。

1. 圍護(hù)結(jié)構(gòu)中相變材料的實(shí)際應(yīng)用

相變材料融入建筑墻板中能夠起到保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定性的重要作用，進(jìn)而將體感舒適度整體提升，將建筑能耗整體降低進(jìn)而充分發(fā)揮建筑節(jié)能工程優(yōu)勢(shì)，這也是當(dāng)下針對(duì)具有相變潛熱較高、熱密度較大以及性能穩(wěn)定特點(diǎn)的相變儲(chǔ)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(jié)合后，建造了具有被動(dòng)特點(diǎn)的太陽房，此類墻板也成了第一類具有顯著相變性質(zhì)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(jié)合，從其實(shí)際的應(yīng)用情況來看，相較傳統(tǒng)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(yōu)勢(shì)，進(jìn)而從根本上發(fā)揮了相變材料蓄放熱優(yōu)勢(shì)；M.Hadjieva等專家在基于傅里葉紅外光譜對(duì)無機(jī)水合鹽混凝土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描，結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)穩(wěn)定性，并使用DSC對(duì)其蓄熱能力進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出了較強(qiáng)的蓄熱能力；圖2為相變儲(chǔ)能材料的蓄熱示意圖；加拿大某大學(xué)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(shí)際應(yīng)用功能來看，相較普通墻板其貯熱能力增加了近10倍，同時(shí)測(cè)試了此類墻板材料的導(dǎo)熱系數(shù)、凝固點(diǎn)、熔點(diǎn)等數(shù)值，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的建筑材料性質(zhì)；國內(nèi)由清華大學(xué)牽頭所進(jìn)行的對(duì)相變儲(chǔ)能材料的研究，覆蓋了相變材料墻體物理與化學(xué)性能、研制等領(lǐng)域；馮國會(huì)等專家所研制出的相變墻板在保證室內(nèi)環(huán)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(xiàn)出的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，從而確定了相變墻體的節(jié)能效果；馬芳梅與周建敏在針對(duì)復(fù)合相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)放在復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的使用壽命、熱物性方面。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，室內(nèi)若供暖或制冷系統(tǒng)停止運(yùn)行，在一段時(shí)間內(nèi)依舊能夠保證將室溫控制在適宜溫度。其他國家同樣對(duì)相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行了深入研究與試驗(yàn)，奠定了相變儲(chǔ)能材料大規(guī)模應(yīng)用在建筑節(jié)能工程中的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2 相變儲(chǔ)能材料的蓄熱示意圖

2. 新型砂漿中的相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用

膨脹珍珠巖、水泥等具有輕質(zhì)多孔特點(diǎn)的無機(jī)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(huán)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(chǔ)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(xiàn)出的物理性能在滿足國家相關(guān)建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，表現(xiàn)出了調(diào)溫節(jié)能特點(diǎn)，具有形成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表抹面保護(hù)層的批量應(yīng)用特點(diǎn)；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(tǒng)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(jié)合后，由于材料體積較大且具有穩(wěn)定性特征的優(yōu)勢(shì)，使得所制作的干粉砂漿不僅蓄熱系數(shù)相對(duì)較大，且表現(xiàn)出了防滲出、導(dǎo)熱系數(shù)小以及穩(wěn)定性等應(yīng)用特點(diǎn)。

3. 建筑節(jié)能工程中相變儲(chǔ)能材料其他方向的應(yīng)用

從當(dāng)下國內(nèi)外的儲(chǔ)熱建筑材料研究情況來看，其重點(diǎn)多為有機(jī)相變儲(chǔ)能材料。有專家基于能量微球法將相變材料與交聯(lián)聚乙烯相結(jié)合，所形成的相變儲(chǔ)能材料微球可與石膏板進(jìn)行結(jié)合，從而使得所制作出的石膏板具有一定的儲(chǔ)熱能力；肖春香等專家則是將液相插層與超聲振動(dòng)等技術(shù)綜合應(yīng)用，制作出了膨潤土復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。從其實(shí)際應(yīng)用情況來看，相較普通石膏板在保溫隔熱方面表現(xiàn)出的性能相對(duì)較高，且具有應(yīng)用穩(wěn)定性，能夠?qū)⑹覂?nèi)的溫度波動(dòng)情況予以減緩，進(jìn)而將能耗整體降低；Peippo等專家打造了融合相變儲(chǔ)能材料的石膏板試驗(yàn)房間，就含量不同的相變材料墻體結(jié)構(gòu)熱力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)每年能夠節(jié)約的熱消耗量達(dá)到了15%；李玉蓉等專家所制作出的復(fù)合定形相變復(fù)合材料使用了機(jī)械攪拌替代了傳統(tǒng)的蜜煉法，對(duì)材料進(jìn)行熱力學(xué)性能研究分析后，從實(shí)際結(jié)果中發(fā)現(xiàn)新的制備方法不僅工藝流程相對(duì)較為簡單，且具有有效降低制作成本的優(yōu)勢(shì)。制作出的相變儲(chǔ)能材料在保證其儲(chǔ)熱值的同時(shí)，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(yīng)用性質(zhì)與優(yōu)勢(shì)，更為適合應(yīng)用于北方冬季采暖系統(tǒng)中，具有廣闊的應(yīng)用前景；Ismail等專家結(jié)合現(xiàn)有的相變儲(chǔ)能材料制備技術(shù)，設(shè)計(jì)出了融合相變儲(chǔ)能材料的玻璃窗，從實(shí)際應(yīng)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(shù)將載體基質(zhì)變更為三維網(wǎng)狀或多孔泡沫塑料等結(jié)構(gòu)，并將相變儲(chǔ)能材料注入其中，則從宏觀角度來看依舊能夠在發(fā)生相變的情況下維持自身的固體形狀。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于可直接加工成型且無需使用容器，使用較為安全，現(xiàn)被經(jīng)常應(yīng)用于建筑節(jié)能工程中的地暖系統(tǒng)中。

三、當(dāng)下在建筑節(jié)能工程中應(yīng)用相變儲(chǔ)能材料的關(guān)鍵問題

近些年來針對(duì)相變儲(chǔ)能材料的研究成果較多，使得在保證建筑節(jié)能效果的同時(shí)，提高了建筑結(jié)構(gòu)的使用穩(wěn)定性，充分發(fā)揮了其減少建筑能耗的優(yōu)勢(shì)，匹配當(dāng)下低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求。但從整體情況來看，我國針對(duì)相變儲(chǔ)能材料的理論研究起步相對(duì)較晚，因此在材料的儲(chǔ)能效益、節(jié)能效果以及制備方法方面的認(rèn)識(shí)仍然存在著諸多不足之處，此類材料在節(jié)能建筑中的實(shí)際應(yīng)用依舊在持續(xù)研究與完善階段，想要在短期內(nèi)完成大規(guī)模推廣仍然較為困難。

1. 相變儲(chǔ)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(jīng)常被應(yīng)用于相變儲(chǔ)能材料的制備過程中，但均有著相應(yīng)的應(yīng)用缺陷。直接滲入法在應(yīng)用后將增大相變材料相變過程中漏液滲流情況的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)；微膠囊法應(yīng)用成本相對(duì)較高，且若將此方法所制備出的材料實(shí)際應(yīng)用在建筑建設(shè)過程中，則其力學(xué)性質(zhì)可能有所改變；直接混入法則需要強(qiáng)調(diào)其配合比設(shè)定的科學(xué)性，以免對(duì)材料之間的相容性與耐久性造成較大影響。

2. 針對(duì)相變儲(chǔ)能材料所設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善

相變儲(chǔ)能材料如何保證其運(yùn)用的合理性，當(dāng)下并沒有一套完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)支持，且缺失了對(duì)相變儲(chǔ)能材料實(shí)際應(yīng)用在室內(nèi)動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱過程的模擬仿真程序，仍需要進(jìn)一步對(duì)相變材料的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討其導(dǎo)熱性、耐久性等。

3. 相變儲(chǔ)能材料使用整體成本偏高

相較普通建筑材料，由于相變儲(chǔ)能材料制備流程較為復(fù)雜，因此材料使用成本相對(duì)較高。再加上生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，因此想要達(dá)到完全覆蓋到建筑節(jié)能領(lǐng)域的材料應(yīng)用目的仍有較大困難。此外，針對(duì)相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中后的耐久性分析同樣處于缺失狀態(tài)，想要確定相變材料應(yīng)用后所產(chǎn)生的節(jié)能效果，以及得出準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)缺乏必要的參考與實(shí)驗(yàn)條件。

四、未來相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用發(fā)展方向

作為能源大國，我國正面臨著能源供求關(guān)系緊張的實(shí)際問題。由于建筑行業(yè)耗費(fèi)材料、人力、物力等相對(duì)較多，其占據(jù)了社會(huì)總能源消耗量的40%左右，使得在當(dāng)下建筑節(jié)能技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用成為熱點(diǎn)話題。相變儲(chǔ)能材料優(yōu)秀的使用特性，使得若將其應(yīng)用在建筑領(lǐng)域?qū)⒂行Ц纳平ㄖ袠I(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，因此從節(jié)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(gè)方向?qū)ο嘧儾牧线M(jìn)行研究：

第一是開發(fā)新的相變材料種類，制備出匹配環(huán)保與經(jīng)濟(jì)需求的相變材料，并要求其具有可循環(huán)利用與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性，從而保證相變材料的應(yīng)用效果。

第二是從多個(gè)角度對(duì)當(dāng)下所使用的相變儲(chǔ)能材料封裝與基材復(fù)合方法予以改進(jìn)，從而保證所制備出的相變材料經(jīng)常有性能穩(wěn)定與生態(tài)友好的特點(diǎn)。

五、結(jié)束語

綜上所述，相變材料在建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用仍需進(jìn)行持續(xù)研究，從多個(gè)角度對(duì)相變儲(chǔ)能材料制備方法、應(yīng)用特性等展開實(shí)驗(yàn)分析，從而充分發(fā)揮出建筑節(jié)能工程中相變材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為我國建筑行業(yè)的未來可持續(xù)性發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。