蒲玉蓉 李歡 唐小漫 王鮮

摘 要：隨著人們生活水平的大大提高，工作和生活環(huán)境的舒適度也越來(lái)越高，能源消耗量大幅度增加，導(dǎo)致能源消耗過(guò)多，環(huán)境污染嚴(yán)重。其中，建筑能耗比例進(jìn)一步提高，相變材料的應(yīng)用是降低建筑能耗的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文簡(jiǎn)述相變材料的應(yīng)用和應(yīng)用機(jī)制。

關(guān)鍵詞：相變材料;儲(chǔ)能;建筑節(jié)能

在當(dāng)今社會(huì)，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題已成為世界性的問(wèn)題，節(jié)能環(huán)保已成為我們生活中的共同用語(yǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗幾乎占全國(guó)總能耗的三分之一，所以發(fā)展綠色建筑已是大勢(shì)所趨，如何降低建筑業(yè)的能耗也逐漸引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。而相變儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于提高建筑的能源利用效率以及環(huán)境保護(hù)有重要意義。

一、相變材料的簡(jiǎn)要介紹

（一）起始及發(fā)展

1982年，在美國(guó)能源部太陽(yáng)能項(xiàng)目的支持下，相變建筑材料開(kāi)始用于建筑材料工業(yè)。在20世紀(jì)90年代，相變儲(chǔ)能技術(shù)用于建筑材料，如石膏板、墻板和混凝土構(gòu)件開(kāi)始發(fā)展。之后，相變材料在混凝土砌塊和石膏墻板等建筑材料的研究和應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。1999年，俄亥俄州戴頓大學(xué)研究所開(kāi)發(fā)了一種新型建筑材料——固液共晶相變材料，澆筑了這種相變材料的輕型混凝土預(yù)制板或墻板可以適當(dāng)?shù)鼐S持室內(nèi)溫度。 此外，為了在冬季和夏季保持合適的工作溫度，歐美許多公司使用 PCM 生產(chǎn)和銷售戶外通信布線設(shè)備和電力變壓器設(shè)備棚。同時(shí)，由于冬季非常寒冷，夜間瀝青路面或含有 PCM 的水泥路面可以防止道路、橋梁、跑道等結(jié)冰。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)儲(chǔ)熱材料的研究起步較晚，相變材料的理論和應(yīng)用還很薄弱。盡管相變材料有很多，但是適用于建筑的卻不多，對(duì)此，研究復(fù)合相變材料是很有必要的。所以， 自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的研究重點(diǎn)發(fā)生了變化，復(fù)合材料和有機(jī)相變材料的研究和開(kāi)發(fā)有所增加。

（二）相變材料的分類

相變材料的分類：相變材料從不同的角度有不同的分類。根據(jù)相變形式，相變儲(chǔ)能材料可分為四種類型：固—固相變，固—液相變、固—汽相變與液—汽相變。其中，以固—液相變材料最為常見(jiàn)，且就目前來(lái)說(shuō)，更有實(shí)用價(jià)值。按照相變的溫度范圍，相變材料可分為三種類型：低溫儲(chǔ)能材料（100℃以下）、中溫儲(chǔ)能材料（100—250℃）和高溫儲(chǔ)能材料（250℃以上）。低溫相變材料主要采用無(wú)機(jī)水合鹽類、石蠟及脂肪酸等有機(jī)物，此外，冰也比較常用。高溫相變材料主要采用高溫融化鹽類、混合鹽類和金屬及合金等。根據(jù)相變材料的性質(zhì)和組成，相變材料可分為共晶混合物、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料。

（三）相變材料的應(yīng)用機(jī)理

當(dāng)相變材料從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，要經(jīng)歷物理狀態(tài)的變化。材料在這兩種相變過(guò)程中從環(huán)境中從環(huán)境中吸熱，反之，向環(huán)境放熱。當(dāng)物理狀態(tài)改變時(shí)，可以儲(chǔ)存或釋放的能量稱為相變熱。相變時(shí)，材料自身的溫度在物理狀態(tài)發(fā)生變化完成前幾乎維持不變，溫度范圍很窄。大量的相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，形成了一個(gè)非常寬的溫度網(wǎng)絡(luò)。 溫度平臺(tái)的出現(xiàn)意味著保溫時(shí)間的延遲，在此期間，感熱和絕緣體以及相變材料可以用來(lái)儲(chǔ)存或釋放感熱。

二、相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用形式

（一）太陽(yáng)能相變蓄熱應(yīng)用

太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，但是它并不穩(wěn)定。直接累積，與收集器的吸熱或組合相結(jié)合，可以大大提高能量效率。例如，相變材料在白天吸收太陽(yáng)能儲(chǔ)存熱量，晚上釋放熱量，使室內(nèi)溫度提高，大大降低冬季室內(nèi)熱負(fù)荷的能耗。

（二）相變儲(chǔ)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)

在相變材料中加入常規(guī)建筑材料，可以大大減小相變熱包絡(luò)的波動(dòng)。房屋結(jié)構(gòu)，包括相變墻和地板。

（1）相變墻體

由于相變材料的蓄熱能力，在夏季室外溫度較高時(shí)會(huì)發(fā)生相變。部分太陽(yáng)能儲(chǔ)存在相變材料中，相變材料不引入室內(nèi)，降低了墻體溫度。即使在沒(méi)有太陽(yáng)輻射的情況下，只要其溫度超過(guò)相變溫度，熱量就會(huì)通過(guò)外殼傳輸?shù)角皇?，從而降低了相變蓄熱材料的外部?jī)?yōu)勢(shì)。當(dāng)夜間室外溫度下降時(shí)，相變材料變熱。例如，在與夜間通風(fēng)組合，空調(diào)負(fù)荷可大大減小。結(jié)合夜間通風(fēng)相變蓄熱系統(tǒng)的頂墻和相變，相變材料可在夏季夜間通風(fēng)，然后在寒冷的白天釋放，達(dá)到室內(nèi)降溫的效果，從而夜間室內(nèi)的熱負(fù)荷大大降低。相變材料還可以用來(lái)在室內(nèi)儲(chǔ)存熱量，在夜間加熱和釋放外殼，然后在夜間加熱。

（2）相變地板

將相變材料添加到地板上，形成相變..在夜間，低成本能量加熱白天相變材料，熱儲(chǔ)藏室的相變。例如，在峰谷電價(jià)地區(qū)，夜間低成本運(yùn)行可以節(jié)省電費(fèi)。同時(shí)，與混凝土板相比，相變儲(chǔ)能大于地面，熱穩(wěn)定性較好。

前兩個(gè)應(yīng)用程序是被動(dòng)累加器，其中累加器應(yīng)用程序是主動(dòng)的。

三、工程中的應(yīng)用實(shí)例及發(fā)展前景

（一）應(yīng)用實(shí)例

柏林熱帶植物溫室通風(fēng)系統(tǒng)采用雙塔，保持室內(nèi)溫度恒定。通風(fēng)裝置采用相變儲(chǔ)能模塊。其熔點(diǎn)為25℃，溫室頂部通風(fēng)塔入口處白天氣溫30℃，夜間氣溫22℃。白天相變蓄熱模塊吸收，這種調(diào)節(jié)在夜間釋放熱量，基本上牽伸塔出口溫度保持在26-27°C，室內(nèi)溫度保持不變。

在國(guó)內(nèi)，相變材料也已應(yīng)用于武漢市宜都花園、南灣君閣、紫竹花園等節(jié)能建筑示范區(qū)。

混凝土在水化過(guò)程中，釋放出大量的反應(yīng)熱，導(dǎo)致混凝土溫度升高、開(kāi)裂、強(qiáng)度降低，特別是大體積混凝土，特別是大體積混凝土甚至?xí)饑?yán)重的工程事故，如結(jié)構(gòu)破壞。然而，通過(guò)添加適當(dāng)?shù)南嘧儾牧峡梢燥@著提高混凝土的溫度。當(dāng)相變材料吸收混凝土水化釋放的熱量時(shí)，混凝土在一定的內(nèi)部溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，熱量逐漸轉(zhuǎn)移到外部以阻止反應(yīng)?；炷恋膬?nèi)部溫度不會(huì)太高，減少水化混凝土的表面裂縫可以更好地控制反應(yīng)溫度。也有利于保溫，增加房屋有效面積。

（二）發(fā)展前景

目前，相變儲(chǔ)能材料的發(fā)展已逐漸進(jìn)入實(shí)踐階段。由于相變溫度穩(wěn)定性，高潛熱具有良好的可逆性，許多區(qū)域開(kāi)始添加所述相變材料以改變通常使用的構(gòu)建材料的特性，生產(chǎn)的新混凝土，油漆，板材等等。提高殼體的隔熱能力，減少與外界環(huán)境的熱流，提高能源利用效率。此外，在軍隊(duì)中，美國(guó)海軍生產(chǎn)具有良好隔熱或降溫效果的干式潛水服、空軍冷浸服、防紅外線服、士兵保溫靴。目前，它已經(jīng)在我們的新飛行服和通風(fēng)服上進(jìn)行了測(cè)試，且比俄羅斯同類的產(chǎn)品具有更好的隔熱性能和溫度調(diào)節(jié)性能。由此可見(jiàn)，相變材料除了被應(yīng)用于建筑行業(yè)，還可在其他行業(yè)有所應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平越來(lái)越高，對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的追求越來(lái)越受到人們的重視。同時(shí)，建筑在總能耗中的比重也在不斷提高。為了提高建筑的室內(nèi)舒適性和節(jié)能性，相變材料的出現(xiàn)提供了一條新的可靠途徑——通過(guò)相變材料吸收或放出大量熱量以達(dá)到儲(chǔ)能的目的。它通常用于緩解能源供需在時(shí)間、強(qiáng)度和地點(diǎn)上的不匹配。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，它已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能“脫峰”用電、燃?xì)饣厥蘸陀酂崂谩⒐I(yè)與民用建筑、節(jié)能空調(diào)等領(lǐng)域，成為世界各國(guó)的熱門話題。因此，進(jìn)一步研究和應(yīng)用相變儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李松波，常中權(quán)，李中培，相變儲(chǔ)熱技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用，住宅與房地產(chǎn)，2019年31期.

[2]王磊，熊軍，相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究，建材世界，2010年03期.

[3]孔凡鑫，相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于供熱管道保溫的可行性綜述，能源與環(huán)境，2019年02期.

[4]謝芳，相變建筑材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究，2010年.

作者簡(jiǎn)介：

蒲玉蓉（1999—），女，漢族，四川南充，本科，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用。

李歡（1997—），女，漢族，四川眉山，本科，研究方向：給排水科學(xué)與工程。

唐小漫（1998—），女，漢族，四川南充，本科，研究方向：法學(xué)。

王鮮（1998—），女，漢族，四川內(nèi)江，本科，研究方向：法學(xué)。