孫婉純，馮錦新，張正國(guó)，2，方曉明，2

（1 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，教育部強(qiáng)化傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640；2 華南理工大學(xué)，廣東省高效蓄熱與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510640）

隨著城鎮(zhèn)人口的增加、全球氣候變化以及人們對(duì)居住環(huán)境要求的不斷提高，建筑能耗占總能耗的比例正在不斷上升。建筑能耗占全球總能耗的比例約31%，是除工業(yè)能耗和交通運(yùn)輸能耗之外的能耗大戶(hù)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們?cè)谑覂?nèi)度過(guò)約90%的時(shí)間[2]，大部分的建筑能耗用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備的運(yùn)行，以滿(mǎn)足人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的要求。

大力發(fā)展可再生能源來(lái)減少建筑物中的一次能源的消耗是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的主要途徑。人們通過(guò)優(yōu)化建筑物的采光、通風(fēng)和朝向設(shè)計(jì)，使其能夠充分利用太陽(yáng)光照、自然通風(fēng)以及太陽(yáng)能被動(dòng)儲(chǔ)熱，以降低照明和暖通空調(diào)等設(shè)備的運(yùn)行成本。近年來(lái)，可再生能源技術(shù)在建筑物中的集成應(yīng)用正在高速發(fā)展，主要包括太陽(yáng)能集熱器[3]、光伏發(fā)電系統(tǒng)[4]、太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)[5]和地源熱泵系統(tǒng)[6]等。

然而，可再生能源的間歇性嚴(yán)重限制了能源的全天候連續(xù)供應(yīng)，其波動(dòng)性與人類(lèi)起居習(xí)慣之間的不匹配是制約其發(fā)展的重要因素。因此，解決能源在時(shí)間上和空間上供應(yīng)的持續(xù)性問(wèn)題，成為了發(fā)展可再生能源的關(guān)鍵。近年來(lái)，研究者們致力于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)和可靠性高的熱能儲(chǔ)存技術(shù)，希望能夠利用儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)可再生能源進(jìn)行調(diào)控、分配和高效利用。根據(jù)儲(chǔ)能原理的不同，熱能儲(chǔ)存技術(shù)可分為化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能技術(shù)、顯熱儲(chǔ)能技術(shù)和潛熱儲(chǔ)能技術(shù)[7]。其中，以相變材料為工作介質(zhì)的潛熱儲(chǔ)能技術(shù)具有工藝流程簡(jiǎn)單、儲(chǔ)熱密度較高、兼容性強(qiáng)、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域中可再生能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中均展現(xiàn)出優(yōu)秀的應(yīng)用潛力。建筑物中相變材料的儲(chǔ)能方式可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。在被動(dòng)式儲(chǔ)能單元中，相變材料利用自然條件下的溫差作為相變過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的吸收和釋放。與主動(dòng)式儲(chǔ)能單元相比，被動(dòng)式儲(chǔ)能單元具有安裝簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單和無(wú)需借助其他電氣輔助設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。本文基于適用于建筑物的相變儲(chǔ)熱單元中相變材料的分類(lèi)與制備，針對(duì)相變潛熱儲(chǔ)能技術(shù)在建筑物中的被動(dòng)式節(jié)能應(yīng)用進(jìn)行了回顧與總結(jié)，并對(duì)相變材料在建筑物中的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)與相變材料

1.1 固-液相變材料

在潛熱儲(chǔ)能體系中，相變材料的相變過(guò)程存在多種形式，主要有固-固、固-液、液-氣相變和固-氣相變[8]。如圖1 所示，根據(jù)化學(xué)性質(zhì)的不同，固-液相變材料可分為有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料以及共熔混合物。有機(jī)相變材料包括石蠟類(lèi)和非石蠟類(lèi)有機(jī)物，具有性能穩(wěn)定、熱可靠性強(qiáng)、無(wú)腐蝕性、過(guò)冷度低和無(wú)相分離等優(yōu)點(diǎn)，而制約其廣泛應(yīng)用的因素包括可燃性、與塑料的不兼容、低熱導(dǎo)率以及相變過(guò)程中較大的體積變化率。無(wú)機(jī)相變材料可進(jìn)一步分為水合無(wú)機(jī)鹽、熔融鹽、金屬和合金[9]。水合無(wú)機(jī)鹽具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括較高的儲(chǔ)能密度、低廉的成本、不可燃性、較高的熱導(dǎo)率以及相變過(guò)程中較小的體積變化率等。然而，大多數(shù)的水合無(wú)機(jī)鹽在相變過(guò)程中表現(xiàn)出較大的過(guò)冷度和嚴(yán)重的相分離現(xiàn)象，造成其在應(yīng)用過(guò)程中的性能衰減[10]。共熔混合物體系是指由兩種以上相變材料組成的具有一致熔化和凝固行為的混合物體系，包括有機(jī)-有機(jī)共熔、有機(jī)-無(wú)機(jī)共熔以及無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)共熔混合物體系[11]。

圖1 固-液相變材料的分類(lèi)

表1 列舉了一些適用于建筑領(lǐng)域的固-液相變材料。

1.2 復(fù)合相變材料

在應(yīng)用過(guò)程中，熔融成液態(tài)的相變材料存在一定的流動(dòng)性，容易引發(fā)相變材料的液漏問(wèn)題并影響設(shè)備的運(yùn)行性能。制備復(fù)合相變材料已經(jīng)被證明能夠有效地抑制液態(tài)相變材料的泄漏問(wèn)題，其制備方法包括溶膠-凝膠法、微膠囊法、多孔載體吸附法、熔融浸漬法以及插層復(fù)合法[13]。其中，微膠囊法和多孔載體吸附法的應(yīng)用最為廣泛。微膠囊法是指將相變材料作為芯材，并選用其他材料作為殼材對(duì)其進(jìn)行包覆而成的具有核殼結(jié)構(gòu)的微膠囊相變材料。多孔載體吸附法是指使用具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的多孔載體對(duì)液態(tài)的相變材料進(jìn)行吸附而制備出復(fù)合相變材料。常見(jiàn)的多孔載體包括無(wú)機(jī)非金屬礦物[14]和多孔碳材料[15]。在制備復(fù)合相變材料的過(guò)程中，根據(jù)不同的應(yīng)用需求可以選擇具有不同導(dǎo)熱性能的多孔載體。例如，在制備圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層材料時(shí)，選用熱導(dǎo)率較低的無(wú)機(jī)非金屬礦物作為相變材料的載體，如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石和硅藻土等[16]；需要提高熱能儲(chǔ)存單元的儲(chǔ)能速率時(shí)，選用高熱導(dǎo)率的多孔碳材料，如膨脹石墨作為相變材料的載體或添加劑[17]。為了解決傳統(tǒng)屋頂?shù)母魺岷蛢?chǔ)熱性能差的缺點(diǎn)，F(xiàn)u等[18]選取了熱導(dǎo)率較低的膨脹珍珠巖（EP）作為多孔載體，制備了兼具隔熱與儲(chǔ)熱性能的CaCl2·6H2O/EP 復(fù)合相變材料。如圖2(a)所示，基于低導(dǎo)熱的多孔載體，CaCl2·6H2O/EP復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率僅為0.178W/(m·K)。根據(jù)空間加熱和制冷的不同應(yīng)用需求，San[19]選取了膨潤(rùn)土作為多孔載體，制備了膨潤(rùn)土/癸酸、膨潤(rùn)土/聚乙二醇、膨潤(rùn)土/十二烷醇和膨潤(rùn)土/十七烷4 種定型復(fù)合相變建筑材料，并在其中添加了5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹石墨（EG），樣品的熱導(dǎo)率測(cè)量值如圖2(b)所示。測(cè)量結(jié)果表明，添加了膨脹石墨后，上述4 種復(fù)合材料的熱導(dǎo)率分別提高了約65%、63%、39%和47%。在后續(xù)的加熱測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的熱導(dǎo)率能夠有效地縮短相變材料的熔化時(shí)長(zhǎng)，這將有助于提高暖通空調(diào)系統(tǒng)中儲(chǔ)熱單元的儲(chǔ)能速率。

表1 一些適用于建筑領(lǐng)域的固-液相變材料[12]

2 被動(dòng)式潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

圖2 復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率［18-19］

目前大部分既有建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在儲(chǔ)熱容量小、熱慣性小、室內(nèi)溫度波動(dòng)大等問(wèn)題，從而增加了建筑物的供熱和制冷需求。建筑物中涉及的傳熱方式包括熱輻射、熱傳導(dǎo)以及熱對(duì)流，如圖3(a)所示。其中熱輻射主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射，而室外環(huán)境以及地表面的氣溫變化主要以熱傳導(dǎo)的方式影響建筑物的室內(nèi)溫度。如圖3(b)所示，較大的室內(nèi)溫度波動(dòng)使得室內(nèi)溫度超出了人體的熱舒適范圍，造成室內(nèi)的熱舒適性降低，I冬和I夏分別代表了冬季和夏季因溫度波動(dòng)而造成的不舒適度。建筑物中的相變材料可以利用其儲(chǔ)熱/放熱的特性，對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。在夏季，熱量經(jīng)由圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入建筑物內(nèi)部的過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的相變材料吸熱熔化，減緩了室內(nèi)溫度的上升速率；在冬季，相變材料能夠在白天吸收太陽(yáng)輻射而儲(chǔ)存熱量，并在夜間溫度下降時(shí)發(fā)生相變，將熱量釋放，用于提高室內(nèi)的溫度，從而減少空間加熱設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在被動(dòng)式潛熱儲(chǔ)能技術(shù)中，相變材料主要通過(guò)與建筑材料直接混合[21]或作為單獨(dú)的儲(chǔ)熱單元與原有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合[22]這兩種形式實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。目前，關(guān)于被動(dòng)式儲(chǔ)能技術(shù)用于建筑節(jié)能的報(bào)道主要集中在墻體[23]、屋頂[24]、地板[25]、窗戶(hù)[26]以及多方面結(jié)合相變材料的應(yīng)用研究。

圖3 建筑物傳熱過(guò)程以及室內(nèi)熱舒適度［20］

2.1 墻體

為了改善傳統(tǒng)建筑物的室內(nèi)熱環(huán)境，Telkes[27]提出了將相變儲(chǔ)熱單元與墻體相結(jié)合以提高墻體的儲(chǔ)熱能力的理念。隨后，F(xiàn)eldman 及其團(tuán)隊(duì)[28-30]對(duì)適用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多種脂肪酸及其混合物（癸酸、月桂酸、棕櫚酸和硬脂酸）的熱物性進(jìn)行分析，并研究了多種吸附載體如膨脹珍珠巖、火山巖、活性炭和石膏等對(duì)相變材料的吸附比例。研究發(fā)現(xiàn)，摻入了硬脂酸丁酯的儲(chǔ)熱墻板不僅具有與標(biāo)準(zhǔn)石膏板相當(dāng)?shù)奈锢頇C(jī)械性能，還具有比普通石膏板大10倍的儲(chǔ)熱容量。Lü等[31]將石膏板與相變材料（癸酸和月桂酸的共熔物）通過(guò)浸漬法相結(jié)合，并將復(fù)合相變墻板安裝于實(shí)驗(yàn)房中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變墻板可以減少寒冷氣候下室內(nèi)向室外的熱量流失，這將減少供暖季節(jié)中加熱設(shè)備的運(yùn)行成本。Manz等[32]提出了一種由透明絕緣材料和半透明相變材料（CaCl2·6H2O）組成的適用于太陽(yáng)能空間加熱和采光的外墻系統(tǒng)?；趯?shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn)，墻體中的相變儲(chǔ)熱單元不僅可以增強(qiáng)墻體對(duì)太陽(yáng)能的儲(chǔ)能效果，還能夠使進(jìn)入建筑物的熱量分布更加均勻。為了測(cè)試相變材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，石超[33]將相變材料石蠟RT28 引入到混凝土中，并對(duì)其循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。如圖4所示，在1000次的冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，石蠟RT28 相變溫度的最大變化值為2℃，而相變潛熱的最大變化值為1.5kJ/kg，說(shuō)明石蠟RT28 具有較好的重復(fù)使用性和耐久性。與普通的混凝土墻體對(duì)比，含有石蠟RT28 的相變墻體的最高溫度降低了約2℃，節(jié)能率達(dá)到約9%。任海洋等[34]將脂肪酸混合物和粉煤灰的混合物與混凝土板結(jié)合，運(yùn)用Fluent模擬軟件對(duì)該相變混凝土板和普通混凝土板的傳熱特性進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，相變混凝土板表現(xiàn)出更小的表面溫度波動(dòng)，當(dāng)相變層的厚度為6mm 且放置于墻體內(nèi)側(cè)時(shí)，相變材料具有更好的控溫效果。

圖4 石蠟RT28的循環(huán)測(cè)試結(jié)果［33］

近年來(lái)，復(fù)合相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合已經(jīng)引起了學(xué)者們的高度關(guān)注，其中復(fù)合相變材料的制備方式以微膠囊法封裝和多孔載體吸附的形式為主。

經(jīng)過(guò)微膠囊法封裝后的相變材料能夠更好地集成到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐材料中，包括石膏板[35]、聚合物[36]、混凝土[37]、砂漿[38]、銅管框架[39]和夾層板[17,40]等。Schossig 等[41]將熔化溫度范圍為24～27℃的微膠囊石蠟與石膏板相結(jié)合，并對(duì)比了該相變石膏板和普通石膏板對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。結(jié)果表明，15mm厚的相變石膏板能夠?qū)⒎块g的最高溫度降低4℃，同時(shí)縮短了室內(nèi)溫度高于28℃的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。Cao 等[42]將微膠囊石蠟分別集成到波特蘭水泥混凝土（PCC）和地質(zhì)聚合物混凝土（GPC）中。如圖5(a)所示，在100 次的熱循環(huán)前后，相變混凝土室內(nèi)側(cè)的熱通量幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明該微膠囊石蠟在混凝土中仍然能保持較好的循環(huán)穩(wěn)定性。從圖5(b)的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知，由于微膠囊相變材料較低的機(jī)械強(qiáng)度以及添加后混凝土中孔隙率的增大，相變材料的添加降低了相變混凝土的抗壓強(qiáng)度，但仍能符合建筑用混凝土的法規(guī)（EN 206-1，抗壓強(qiáng)度等級(jí)C20/25）中的力學(xué)性能要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有3.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）微膠囊相變材料的PCC 可以將維持23℃的室溫所需的功耗降低11%，而具有2.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）微膠囊相變材料的GPC可以將功耗降低15%。

圖5 相變混凝土的熱穩(wěn)定性以及抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果［42］

由于對(duì)相變材料具有較高的吸附率，多孔基復(fù)合相變材料[43]在建筑中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。Zhang 等[44-45]使用多孔載體膨脹石墨對(duì)相變材料正十八烷進(jìn)行吸附，發(fā)現(xiàn)其吸附率高達(dá)90%，且SEM圖像顯示相變材料均勻地分散在膨脹石墨的多孔結(jié)構(gòu)中。他們將正十八烷/膨脹石墨復(fù)合相變材料與水泥砂漿混合以制備新型熱能儲(chǔ)存水泥砂漿。對(duì)比普通的水泥砂漿，該熱能儲(chǔ)存水泥砂漿能夠縮小室內(nèi)的溫度波動(dòng)，有助于減少建筑能耗。類(lèi)似地，Xu 和Li[46]將石蠟/硅藻土復(fù)合相變材料與水泥混合以制備熱能儲(chǔ)存水泥基復(fù)合材料。新型的熱能儲(chǔ)存水泥基復(fù)合相變材料表現(xiàn)出比普通水泥更好的儲(chǔ)熱性能，但其力學(xué)性能、干燥收縮約束應(yīng)變以及導(dǎo)熱性能有所降低。為了提高水泥基復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能，Xu 和Li[47]在原有的石蠟/硅藻土復(fù)合相變材料體系中添加了多壁碳納米管作為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑。結(jié)果表明，0.26%多壁碳納米管的添加不僅不會(huì)對(duì)其熱性能、化學(xué)相容性和熱穩(wěn)定性造成影響，還能有效地增強(qiáng)復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能以及體系的儲(chǔ)/放熱速率。此外，石墨烯納米片[48]、石墨[49]、TiO2粒子[50]和膨脹石墨[51]等也被廣泛用于增強(qiáng)復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率。為了進(jìn)一步優(yōu)化相變墻體的節(jié)能效果，Ye 等[17]選用相變溫度分別為14.2℃和21.2℃的兩種CaCl2·6H2O-Mg(NO3)2·6H2O共熔混合物作為相變材料與膨脹石墨復(fù)合，并將其制備成雙層相變板后安裝于模擬房中。結(jié)果表明，具有不同熔點(diǎn)的雙層相變板將室內(nèi)的峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間延遲了1.8h，并將室內(nèi)的熱舒適頻率提高至49.7%，表現(xiàn)出比單層相變板更優(yōu)的空間熱調(diào)控性能。

隨著相變儲(chǔ)熱技術(shù)相關(guān)研究的不斷完善，相變材料的商業(yè)化應(yīng)用也逐步發(fā)展。圖6(a)為杜邦（Dupont）公司所生產(chǎn)的含相變材料的聚合物板[52]，該相變板含有60%的微囊化石蠟，其相變溫度約為22℃，相變材料的密度為1019kg/m3。圖6(b)為National Gypsum 生產(chǎn)的相變石膏板[53]，所采用的相變材料來(lái)自于巴斯夫（BASF）的Mirconal 相變材料產(chǎn)品，其相變溫度為23～26℃，其粒徑大小約5μm。圖6(c)為Rubitherm 公司所生產(chǎn)的CSM 相變面板[54]，其外殼采用鋁制品作為相變材料的宏觀(guān)封裝材料，有助于提高相變材料的導(dǎo)熱性能。Castell等[54]搭建了3個(gè)實(shí)驗(yàn)房，其中參考房的墻體中不含隔熱材料；隔熱房的墻體中含有5cm厚的聚氨酯隔熱層；相變房的墻體結(jié)構(gòu)層中含有聚氨酯隔熱層以及CSM相變面板。夏季氣候下3個(gè)實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫度曲線(xiàn)如圖7所示。由于參考房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺乏隔熱層的保護(hù)，其室內(nèi)溫度波動(dòng)最大；在隔熱房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加了隔熱材料后，室內(nèi)的溫度波動(dòng)得到抑制，但仍然超出了人體的熱舒適范圍；而相變房表現(xiàn)出最低的室內(nèi)峰值溫度，說(shuō)明商用相變板能夠有效地抑制室內(nèi)的溫度波動(dòng)，有利于減小暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

圖6 可用于建筑物的相變材料商業(yè)產(chǎn)品

圖7 實(shí)驗(yàn)期間3個(gè)實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫度曲線(xiàn)［54］

2.2 屋頂

建筑物的屋頂接收了大量的太陽(yáng)輻射，由此產(chǎn)生的熱通量對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)的影響不容小覷。Chou等[55]利用商用的梯形金屬板屋頂部件設(shè)計(jì)了一種新型的相變屋頂，其中相變材料被安插在絕緣層和金屬板層之間。將該相變屋頂安裝于模擬房，并用鹵素?zé)裟M太陽(yáng)光照以測(cè)試相變材料的熱性能。結(jié)果表明，當(dāng)相變材料在屋頂表面的覆蓋率為48%時(shí)，其節(jié)能率達(dá)到52.7%。Ramakrishnan 等[56]制備了石蠟/膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料，并將其與波特蘭水泥相結(jié)合制備儲(chǔ)熱水泥基復(fù)合材料（TESC）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中制備了TESC-20、TESC-40、TESC-60和TESC-80 4 種樣品，其中石蠟/膨脹珍珠巖相變材料置換沙子的體積分?jǐn)?shù)分別為20%、40%、60%和80%。由圖8(a)可知，隨著相變材料含量的增加，儲(chǔ)能水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度逐步下降。其中，樣品TESC-60 在放置28 天時(shí)仍具有25MPa 的抗壓強(qiáng)度。如圖8(b)所示，Ramakrishnan 等[56]將儲(chǔ)熱水泥基復(fù)合材料制備成儲(chǔ)熱水泥面板，用于構(gòu)建模擬房的屋頂結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在滿(mǎn)足力學(xué)性能要求的前提下，儲(chǔ)熱水泥面板表現(xiàn)出比普通水泥面板更大的熱慣性。

圖8 相變混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度以及熱性能測(cè)試［56］

圍繞著屋頂節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)，近年來(lái)冷屋頂技術(shù)與相變材料的結(jié)合應(yīng)用已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)。Chung和Park[57]分別在夏季和冬季環(huán)境下對(duì)摻雜了相變材料的相變瓷磚的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并將其室內(nèi)控溫效果與不同種類(lèi)的屋頂材料的控溫效果相比較，包括綠色聚氨酯、防水砂漿、冷漆以及普通瓷磚。相變冷屋頂對(duì)建筑物室內(nèi)溫度的調(diào)控機(jī)理如圖9所示，當(dāng)溫度達(dá)到相變層的熔化溫度時(shí)，相變材料吸收熱量從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，此時(shí)熱量以潛熱的形式儲(chǔ)存在相變屋頂中，使屋頂溫度保持穩(wěn)定。另一方面，屋頂表面涂覆的反射材料能夠反射部分太陽(yáng)輻射。因此，在夏季期間，相變冷屋頂系統(tǒng)可以有效地減少經(jīng)由屋頂結(jié)構(gòu)進(jìn)入到室內(nèi)的熱通量，緩解建筑物的過(guò)熱現(xiàn)象；而在冬季期間，相變冷屋頂明顯增強(qiáng)了屋頂結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，從而減少了室內(nèi)的熱量損失。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中安裝了不同屋頂材料的實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫度曲線(xiàn)如圖10 所示。結(jié)果表明，相變瓷磚在炎熱的天氣條件下將晝夜溫差縮小至7.2℃；而在寒冷的冬季條件下，相比于冷漆屋頂，安裝了相變瓷磚屋頂?shù)膶?shí)驗(yàn)房表現(xiàn)出更高的室內(nèi)溫度，這說(shuō)明相變瓷磚能夠有效地控制夏季氣候下的城市熱島效應(yīng)，同時(shí)減少冬季氣候下的室內(nèi)加熱能耗。

2.3 地板

Zhang 及其研究團(tuán)隊(duì)[58-60]將定型相變材料集成到實(shí)驗(yàn)房的地板結(jié)構(gòu)中[58]，并通過(guò)數(shù)值模擬方法探究相變材料熱物性、厚度以及地板表面層的材料對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。結(jié)果表明，相變材料的適宜熔化溫度應(yīng)接近于冬季晴天氣候下的平均室溫；相變材料的相變潛熱應(yīng)大于120kJ/kg，而熱導(dǎo)率應(yīng)大于0.5W/(m·K)；相變層的厚度應(yīng)小于20mm。Ceron等[61]將含有石蠟混合物的相變瓷磚鋪設(shè)于實(shí)驗(yàn)房的地板，形成能夠被動(dòng)吸收太陽(yáng)能輻射的儲(chǔ)熱層。結(jié)果表明，地板上的相變瓷磚有助于直接接收和存儲(chǔ)太陽(yáng)輻射的能量，可以在冬季用作房屋中的被動(dòng)熱調(diào)節(jié)器，用于保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性并在夜間降低加熱設(shè)備所需的能耗。類(lèi)似地，Entrop 等[62]將微膠囊化的石蠟混合物顆粒與混凝土相結(jié)合，并將其應(yīng)用于模擬房的地板，在冬季氣候下對(duì)其熱增益效果進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相變混凝土地板將室內(nèi)的最高溫度降低了16%±2%，將最低溫度提高了7%±3%；根據(jù)實(shí)驗(yàn)房所在地區(qū)的氣候條件，使用相變溫度為20.5℃的相變材料能夠進(jìn)一步減少寒冷季節(jié)中建筑物的夜間加熱能耗。

圖9 相變冷屋頂?shù)淖饔脵C(jī)理示意圖［57］

圖10 安裝了不同屋頂材料的實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫度曲線(xiàn)［57］

2.4 窗戶(hù)

在冬季氣候中，經(jīng)由窗戶(hù)從室內(nèi)到外部環(huán)境的熱量損失達(dá)10%～25%，而在夏季氣候中，通過(guò)窗戶(hù)進(jìn)入室內(nèi)的額外太陽(yáng)輻射導(dǎo)致了制冷系統(tǒng)的冷卻負(fù)荷增加。將相變儲(chǔ)熱單元與窗戶(hù)結(jié)合，能夠有效地減少經(jīng)由窗戶(hù)進(jìn)出室內(nèi)的熱通量。Ismail和Henriquez[63]將乙二醇混合物相變材料填充于具有雙層結(jié)構(gòu)的玻璃窗系統(tǒng)中，并對(duì)該相變玻璃窗的熱性能和應(yīng)用潛力進(jìn)行評(píng)估。透射率和反射率測(cè)試結(jié)果表明，該相變玻璃窗能夠大幅度減少紅外和紫外輻射，同時(shí)保持良好的可見(jiàn)度。Alawadhi[64]采用相變材料代替了百葉窗中的泡沫，利用相變材料的熔化過(guò)程來(lái)吸收熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相變材料的最佳熔點(diǎn)應(yīng)接近日間窗戶(hù)溫度的上限值，而相變材料的用量應(yīng)足以在白天吸收大量的熱量，避免其完全熔化而失去熱防護(hù)的效果。Li的研究團(tuán)隊(duì)[65]針對(duì)相變玻璃窗和中空玻璃窗的動(dòng)態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，所采用的相變材料為Na2SO4·10H2O 無(wú)機(jī)水合鹽。在夏季氣候條件下，與中空玻璃窗相比，相變玻璃窗內(nèi)表面的峰值溫度降低了10.2℃，通過(guò)窗戶(hù)進(jìn)入建筑物的熱量減少了39.5%；使用相變玻璃窗時(shí)，室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的年度能耗減少了40.6%?；谙嘧儾ＡТ?，Li 的研究團(tuán)隊(duì)[66]提出了具有3 層結(jié)構(gòu)的新型3 層相變玻璃窗（TW+PCM），并將其與雙層相變玻璃窗（DW+PCM）和普通的3 層玻璃窗（DW）的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，TW+PCM 在降低室內(nèi)溫度波動(dòng)和節(jié)約能耗方面顯示出良好的效果。在炎熱氣候下，TW+PCM 玻璃窗的內(nèi)表面溫度分別比DW+PCM 玻璃窗和TW 玻璃窗的內(nèi)表面溫度低2.7℃和5.5℃，說(shuō)明新型3層相變玻璃窗的使用能夠有效地避免了窗戶(hù)過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。

Silva 的研究團(tuán)隊(duì)[67-69]將含有相變材料的百葉窗安裝于實(shí)驗(yàn)房中，并對(duì)其室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。在冬季氣候下（環(huán)境溫度4.5～14℃），相比于未安裝相變百葉窗的參考房，相變百葉窗明顯縮小了實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫度振幅，表現(xiàn)出優(yōu)異的空間熱調(diào)節(jié)能力。而在夏季氣候下（環(huán)境溫度13～25℃），相比于參考房，安裝了相變百葉窗的實(shí)驗(yàn)房的最高溫度和最低溫度分別下降6%和11%，其最低溫度和最高溫度的出現(xiàn)分別滯后了45min 和60min。此外，為了克服石蠟類(lèi)有機(jī)相變材料的低熱導(dǎo)率對(duì)相變玻璃窗帶來(lái)的局限性，Li 的研究團(tuán)隊(duì)[70-71]將納米粒子添加到相變材料石蠟中以提高相變玻璃窗的熱性能。結(jié)果表明，相變玻璃窗內(nèi)表面的溫度隨著納米顆粒尺寸的增加而升高，并隨著納米顆粒濃度的增加而降低。通過(guò)適當(dāng)選擇納米顆粒體積分?jǐn)?shù)和納米顆粒尺寸，相變玻璃窗在夏季、秋季和冬季氣候條件下的能量消耗分別可降低1.5%、2.0%和4.0%。

2.5 多方面結(jié)合應(yīng)用

為了優(yōu)化相變儲(chǔ)熱技術(shù)的節(jié)能效果，相變材料在建筑圍護(hù)中的多方面結(jié)合應(yīng)用也逐漸引起了學(xué)者們的關(guān)注。Fu 等[16,18]在探索了CaCl2·6H2O/EP 復(fù)合相變材料在屋頂結(jié)構(gòu)中的節(jié)能效果之后，將熱物性?xún)?yōu)異的CaCl2·6H2O/EP 復(fù)合相變材料與商用的鋁扣板相結(jié)合，同時(shí)應(yīng)用于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的天花板及墻體中。結(jié)果表明，由于嵌入在屋頂和墻體的鋁扣板中CaCl2·6H2O/EP 復(fù)合相變材料對(duì)熱流的吸收，與參考房相比，相變房的室內(nèi)最高溫度降低了4℃，溫度振幅減小了7.6℃。Kong 等[72]構(gòu)建了3 個(gè)實(shí)驗(yàn)房，其中參考房不安裝任何相變材料，在PCMOW房的外墻體和屋頂外表面安裝癸酸相變板（30.2℃），而在PCMIW 房的內(nèi)墻體和天花板安裝癸酸-十二烷醇相變板（26.5℃）。結(jié)果表明，在PCMIW 房中，安裝于內(nèi)墻體和天花板的相變材料能夠吸收由壁面、門(mén)和窗戶(hù)傳遞到室內(nèi)的熱量，而在PCMOW房的外墻體和屋頂?shù)南嘧儾牧蟽H能吸收由壁面?zhèn)鬟f到室內(nèi)的熱量。因此，將相變材料應(yīng)用于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面能夠更好地調(diào)控室內(nèi)的熱環(huán)境。如圖11 所示，Ahangari 和Maerefat[73]設(shè)計(jì)了一種新型的雙層相變儲(chǔ)熱單元，并將其引入到實(shí)驗(yàn)房的天花板、墻壁和地板中，在不同的氣候條件下對(duì)該實(shí)驗(yàn)房的熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，雙層相變儲(chǔ)熱單元的第一層和第二層相變材料的最佳熔點(diǎn)應(yīng)接近于平均室內(nèi)空氣溫度；冬季氣候下第一層相變材料的最佳熔點(diǎn)為21℃，而夏季氣候下第二層相變材料的最佳熔點(diǎn)分別為26～27℃。

3 結(jié)語(yǔ)

在建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)中引入相變潛熱儲(chǔ)能單元能夠增強(qiáng)建筑物的儲(chǔ)熱能力，從而提高建筑物中可再生能源的利用率，推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展。本文圍繞相變潛熱儲(chǔ)能技術(shù)在建筑物中的被動(dòng)式節(jié)能應(yīng)用，分別從墻體、屋頂、地板、窗戶(hù)和多方面結(jié)合應(yīng)用5個(gè)分類(lèi)對(duì)相變材料的應(yīng)用進(jìn)行綜合分析，得出以下主要結(jié)論。

圖11 模擬房間的示意圖[73]

（1）相變材料的性能直接影響了熱能儲(chǔ)存單元的效率、應(yīng)用效果以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。應(yīng)用于建筑物的相變材料應(yīng)具有安全無(wú)害、對(duì)環(huán)境友好、與建筑物兼容性好、熱物理性質(zhì)優(yōu)異、穩(wěn)定性好、防火性強(qiáng)以及價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

（2）復(fù)合相變材料能夠有效地改善相變材料的液體泄漏問(wèn)題，提高相變材料與建筑材料的相容性，同時(shí)賦予相變材料更高的機(jī)械強(qiáng)度。但載體的添加和復(fù)合材料的制備工藝會(huì)增加相變材料的生產(chǎn)成本，且相變材料的含有率隨載體類(lèi)型的改變而變化。另一方面，復(fù)合相變材料與建筑材料直接混合往往會(huì)降低建筑材料原有的抗壓強(qiáng)度以及耐久性。在后續(xù)的研究中，應(yīng)不斷優(yōu)化載體對(duì)相變材料的吸收或包覆效果，簡(jiǎn)化復(fù)合材料的制備流程，以合理控制其經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)注重相變建筑材料的抗壓強(qiáng)度和耐久性的強(qiáng)化。

（3）目前商業(yè)化的微膠囊相變材料以石蠟為主，其可燃性仍存在一定的安全隱患。無(wú)機(jī)相變材料的相變潛熱較大、成本低廉和不可燃的特性更有利于相變材料在建筑領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。在未來(lái)的研究中，不僅要提高石蠟類(lèi)微膠囊的安全性，更要注重?zé)嵝阅軆?yōu)異且穩(wěn)定性良好的無(wú)機(jī)微膠囊相變材料的開(kāi)發(fā)，推動(dòng)相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的發(fā)展。

（4）安裝于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的潛熱儲(chǔ)熱單元能夠有效地削弱室外溫度波動(dòng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，通過(guò)利用相變材料對(duì)熱量的吸收和釋放實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移。評(píng)價(jià)相變材料在建筑物中的節(jié)能效果時(shí)，應(yīng)注重室內(nèi)熱環(huán)境的綜合評(píng)估，包括室內(nèi)溫度或表面溫度振幅的縮減程度、峰值溫度的滯后性以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度等。

（5）建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)中相變材料的最佳熔點(diǎn)與建筑物所在地區(qū)的氣候、應(yīng)用的季節(jié)時(shí)段以及應(yīng)用目的有關(guān)。其中，應(yīng)用于墻體的相變材料的適宜熔點(diǎn)范圍為20～30℃，用于屋頂?shù)南嘧儾牧蠎?yīng)具有較高的熔點(diǎn)，以避免室內(nèi)空氣過(guò)熱的現(xiàn)象。

（6）針對(duì)不同的應(yīng)用目的，所需要的相變材料的傳熱性能不同。在建筑物的隔熱應(yīng)用上，選用低導(dǎo)熱的載體制備復(fù)合相變材料，使其兼具隔熱和儲(chǔ)熱的功能；而需要高效地吸收或釋放所儲(chǔ)存的能量時(shí)，相變材料的傳熱性能可以通過(guò)結(jié)合高導(dǎo)熱載體、添加高導(dǎo)熱納米粒子以及與金屬器件相耦合等方式實(shí)現(xiàn)提升。