孫繼志

（山東海逸恒安項目管理有限公司，山東 煙臺 264000）

1 前言

建筑采暖能耗在很大程度上與建筑圍護結(jié)構(gòu)和氣象條件有關(guān)，改進建筑圍護結(jié)構(gòu)可改善建筑熱性能，是建筑節(jié)能的重要途徑。相變材料具有很高的蓄熱密度，應(yīng)用于圍護結(jié)構(gòu)可有效增大房間熱容，同時相變發(fā)生在較小的溫度范圍內(nèi)，有助于提高熱舒適性。

對相變材料在建筑領(lǐng)域的研究主要分為以下幾個方面:1)新型相變建筑材料及其構(gòu)件的研制和性能研究;2)蓄能建材應(yīng)用方式和效果研究;3)墻體蓄熱和傳熱特性研究。

2 相變建筑材料的研制和性能研究

從20世紀(jì)90年代以來，對相變材料的開發(fā)已逐步進入實用性階段。相變材料的制備和熱物理特性研究很多，包括新材料配方、相變溫度和潛熱等熱物性測量、熱壽命實驗、多組分材料熱物性研究等。其中，可用于建筑節(jié)能的相變材料研制和封裝研究是相變蓄能領(lǐng)域一個重要發(fā)展方向。

相變材料用作建筑構(gòu)件可將其密封在建筑材料中或直接與建筑材料摻混。前者應(yīng)用過程中相變材料容易泄漏，通常要使用一些封接劑，目前國內(nèi)外一般借助于微膠囊技術(shù)和納米復(fù)合技術(shù)將相變材料封裝成微球，以此解決因相變材料與建筑材料不相容引起的材料長期使用后變質(zhì)問題。

德國BASF公司將相變材料封裝在微膠囊中，制成石蠟砂漿，砂漿內(nèi)含10%～25%(質(zhì)量分數(shù))的石蠟微膠囊，即每平方米的墻面就含有750～1500g的石蠟微膠囊。厚度為2cm的此種砂漿其蓄熱能力相當(dāng)于厚度為20cm的磚木結(jié)構(gòu)。納米復(fù)合技術(shù)使膠囊尺寸進一步降低，膠囊表面積與體積的比率增大，有利于提高相變材料的傳熱速率。

將相變材料與建筑材料摻混后性質(zhì)較均勻，易于做成各種形狀和大小的建筑構(gòu)件，目前該種方式已成為相變材料用作建筑構(gòu)件的主要應(yīng)用方式。加拿大康克迪亞大學(xué)建筑研究中心研究了相變材料在水泥中的穩(wěn)定性，分析了溫度、液態(tài)相變材料的粘度、水泥密度和氫鍵對相變材料在水泥中穿透狀況的影響。

國內(nèi)外文獻對定形相變材料的制備方法和熱物性及穩(wěn)定性有較多的研究。給出了定形相變材料的三種制備方法，熔融共混法、混合成型燒結(jié)法和封裝法。丁建紅等人研制了20-600C范圍石蠟-聚乙烯體系定形相變材料，用DSC和T-history法對其熱性能進行測量，改進了定形相變材料熱性能和阻燃性，將它與混凝土摻混，測量了其承壓特性，通過添加劑增大了其導(dǎo)熱系數(shù)，并對其穩(wěn)定性進行了研究。定形相變材料具有無需封裝、制備工藝較為成熟和成本較為低廉的特點，使得相變材料較多的以此種方式應(yīng)用于建筑維護結(jié)構(gòu)中。

3 相變材料在被動式建筑中應(yīng)用效果研究

相變材料在建筑中的應(yīng)用效果研究是當(dāng)前研究熱點，采用相變材料可以在很大程度上改善圍護結(jié)構(gòu)的熱性能和室內(nèi)舒適性。國外的研究者們在利用相變蓄能技術(shù)降低建筑能耗方面做了較多的工作。很多學(xué)者對相變材料的蓄能調(diào)溫特性和應(yīng)用可行性、經(jīng)濟性進行了研究。按照蓄能方式可分為被動式蓄能和主動式蓄能。被動式太陽能采暖技術(shù)的三大要素為:集熱、蓄熱和保溫，可通過在圍護結(jié)構(gòu)表面添加相變材料提高其熱容，同時充分吸收太陽能，降低冬季采暖能耗。

在直接受益式被動式太陽房的內(nèi)墻表面添加單層相變材料，通過實驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，相變材料應(yīng)用在被動式太陽房中，減小了室溫波動，可將白天室溫降低4℃，同時提高夜間室溫，有效減小了夜間采暖負荷。他認為采用相變材料不僅節(jié)能節(jié)資，還可有效提高熱舒適水平。

在被動式太陽房中使用脂肪烴類相變材料制成墻板，將相變墻板作為測試房的內(nèi)部墻，其中硬脂酸丁酷的體積百分比為25%，相變材料的相變范圍為16.0-20.8℃，同時采用隱式差分模型模擬分析了相變墻體的瞬態(tài)熱傳遞過程。實驗研究和數(shù)值模擬分析均表明，相變墻體應(yīng)用于被動太陽房，白天室溫比常規(guī)墻板的低4℃，而夜間其放熱可以延續(xù)7小時以上，夜間相變墻體的表面溫度可比普通墻板高3.2℃，使得室溫維持在相變范圍附近，在很大程度上改善了熱舒適性。

采用軟件ESP-分析了相變墻板在被動式太陽房中應(yīng)用，選取相變范圍為13.7-33.3℃,潛熱為11.1-82.4kJ/kg的相變材料，采用有效熱容法計算相變材料的熱傳遞過程，計算結(jié)果表明在全年中的春秋季節(jié)，相變材料可有效吸收太陽能，降低室內(nèi)溫度波動。在采暖期的開始和結(jié)束時間段，選用熔點比設(shè)定室溫高2℃的相變材料較為理想，采用相變墻板可有效降低采暖期能耗。相變材料熔點的選擇與物理模型和室外氣候環(huán)境有關(guān)，當(dāng)室溫接近相變材料熔點時，相變材料可充分發(fā)揮作用。

4 相變材料在主動式建筑中效果研究

主動式太陽能采暖技術(shù)注重太陽能集熱技術(shù)和其他采暖技術(shù)的結(jié)合，太陽能熱水地板采暖系統(tǒng)就是一種有效的解決方案。太陽能熱水系統(tǒng)將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能作為采暖的熱源，在地板層中添加相變材料作為蓄熱體，利用水箱提供的40℃左右的熱水即可獲得較好的采暖效果，可在很小的溫度變化范圍內(nèi)儲存大量熱量，有效減小室內(nèi)日夜間溫度波動，提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適度。

提出了一種與太陽能空氣集熱器結(jié)合的定形相變蓄能地板采暖系統(tǒng)。太陽能空氣集熱器輸出的熱空氣通過保溫管道輸送到相變地板夾層，利用相變材料蓄熱;冷空氣進入相變地板夾層，被加熱后進入房間供暖。搭建了應(yīng)用此系統(tǒng)的實驗房間，測量了集熱器進出口空氣的溫度和房間空氣、地板表面溫度。結(jié)果表明，此系統(tǒng)明顯提高了夜間室溫，可以作為常規(guī)供暖的補充，減小采暖能耗。通常的太陽能采暖裝置均需配置輔助加熱器以滿足陰天的采暖需要，對于冬季太陽口照時間較短的地區(qū)，需考慮系統(tǒng)的太陽能利用率，綜合太陽能采暖系統(tǒng)的初投資和收益進行可行性分析。

構(gòu)建了單個內(nèi)墻為相變材料和普通材料的實驗測試房間，采用戶式空調(diào)蓄冷，以溫度、熱流巡檢裝置對房間的溫度場和熱流變化進行測試。給出了普通墻房間和相變墻房間室內(nèi)熱性能參數(shù)的實測分析，發(fā)現(xiàn)在夏季空調(diào)工況下相變墻房間的室內(nèi)空氣溫度要比普通墻房間的低1-2℃，同時相變墻可以削減墻體向室內(nèi)的熱流傳遞。國內(nèi)外對于相變材料在夏季空調(diào)工況下的研究較少，在晝夜溫差較小的地區(qū)可考慮用空調(diào)對相變材料蓄冷，但需采用合理的空調(diào)運行控制模式才能獲得較好的節(jié)能效果。

5 相變材料傳熱計算方法研究

建筑能耗計算軟件Dest應(yīng)用狀態(tài)空間法處理建筑構(gòu)件的傳熱計算。這些方法都是建立在對象是線性方程的基礎(chǔ)上。相變材料的傳熱方程為非線性，計算結(jié)果不能疊加，因此無法用上述方法求解。而且一般的相變傳熱過程無法得到解析解，只能通過數(shù)值方法進行計算。相變傳熱問題的特點在于求解域中存在一個位置隨時間變化的固液界面，相變材料熔融(凝固)現(xiàn)象發(fā)生在一個溫度范圍，移動"界面"是模糊的兩相區(qū)。利用焓法和有效熱容法對定形相變材料熔解過程給出了比較分析，發(fā)現(xiàn)只要在焓法中相變半徑根據(jù)DSC實測的結(jié)果取值，兩種算法的結(jié)果一致。

6 結(jié)語

針對建筑中應(yīng)用相變材料的兩種方式，相變墻體(墻體全部采用相變材料)和相變構(gòu)件(添加在墻體表面的單層相變材料板)，分析了兩種材料在建筑中的應(yīng)用效果，可知相變材料具有很高的蓄熱密度，應(yīng)用于圍護結(jié)構(gòu)可有效增大房間熱容，同時相變發(fā)生在較小的溫度范圍內(nèi)，有助于提高熱舒適性，同時起到了保溫節(jié)能的效果。

[1]中國工程院咨詢項目，清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心，中國建筑節(jié)能2008年度發(fā)展研究報告[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]林坤平，張寅平，江億.我國不同氣候地區(qū)夏季相變墻房問熱性能模擬和評價 [J].太陽能學(xué)報2003,24.