顧洪平 GU Hong-ping

（江蘇省建筑工程集團(tuán)有限公司，南京 210019）

0 引言

作為一種新型建筑材料，相變材料在建筑節(jié)能中有較為廣泛的應(yīng)用，相變材料是一種可以在溫度發(fā)生變化時吸收或釋放大量熱能的材料。在建筑節(jié)能工程中，相變材料被廣泛應(yīng)用于隔熱、調(diào)溫和儲能等方面，可以提高建筑物的能源利用效率[1]。由于相變材料的研發(fā)和應(yīng)用在當(dāng)前仍然是較為前沿的內(nèi)容，學(xué)術(shù)界對相關(guān)內(nèi)容的研究相對較少，尤其是關(guān)于相變材料的應(yīng)用效果的評估研究。論文以相變材料的蓄熱性能評估應(yīng)用實(shí)例展開研究，探討相變材料在建筑實(shí)踐中的應(yīng)用效果，并提出以相變材料為代表的新型建筑材料未來發(fā)展的方向。

1 案例分析

以某小區(qū)1 號戶型建筑地暖管道鋪設(shè)安裝為例，該小區(qū)原地暖管道無新能源儲能材料鋪設(shè)。通過引入相變儲能材料，在該小區(qū)地暖管道鋪設(shè)中進(jìn)行填充應(yīng)用，提出了兩種相變材料填充結(jié)構(gòu)——相變材料全填充式與相變材料1/2 填充結(jié)構(gòu)，與無相變材料填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬比較分析。

2 相變材料概述

相變材料（Phase Change Material，PCM）是一種具有特定相變溫度的材料，能夠在溫度變化時吸收或釋放大量的熱量，通常被用作熱能儲存和調(diào)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分[2]。因此相變材料也屬于新型建筑材料的其中一種類型，而相變材料通常具有以下特點(diǎn)：具有相變特性、具有明確的相變溫度、可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)在固態(tài)和液態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化，常見的相變溫度包括冰點(diǎn)（攝氏度）和沸點(diǎn)（100 攝氏度）等，相變儲能材料原理圖如圖1 所示。

圖1 相變儲能材料原理圖

首先，相變材料具有高比熱容性，相變過程中，PCM材料可以吸收或釋放大量熱量而保持溫度穩(wěn)定，具有較高的比熱容。這種特性使得PCM 相變材料在熱能儲存和調(diào)控方面具有很大優(yōu)勢。

其次，相變材料具有熱能儲存性，PCM 相變材料可以將多余的熱量以相變的方式儲存在材料中，當(dāng)需要釋放熱能時再次吸收環(huán)境或其他熱源的熱量。這種特性使得PCM 相變材料在太陽能熱水器、空調(diào)系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。

另外，相變材料具有溫度調(diào)節(jié)性，由于PCM 相變材料具有明確的相變溫度，可以通過選擇不同相變溫度的材料來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。在節(jié)能建筑和溫控設(shè)備中，PCM 相變材料可以吸收或釋放熱量，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，提高舒適性和節(jié)能效果。同時PCM 相變材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，可以循環(huán)使用多次而不發(fā)生質(zhì)量損失。這種特性使得PCM 相變材料具有長壽命、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

3 相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用效果實(shí)例

由于相變材料（PCM）在相變過程中具有高儲能密度和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此在建筑領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。相變PCM 材料的高能量儲存能力使其適合應(yīng)用于頂面的采暖和制冷。當(dāng)溫度升高時，相變PCM 材料會吸收熱量并轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在此過程中能儲存大量的能量。當(dāng)室溫下降時，相變PCM 材料會以相同的速率釋放熱量，將之前儲存的能量傳遞給周圍環(huán)境。這種等溫的特性使得相變PCM 材料能夠在長時間內(nèi)保持較穩(wěn)定的溫度，從而實(shí)現(xiàn)良好的采暖和制冷效果[4]。

本文通過進(jìn)行對該小區(qū)1 號戶型地暖鋪設(shè)模擬比較分析，可以評估相變材料填充結(jié)構(gòu)在蓄熱性能和熱響應(yīng)時間方面的效果，從而選擇最優(yōu)的填充結(jié)構(gòu)來滿足建筑儲能需求。研究使用鄭宣宣[5]等在研究中采用的相變材料的參數(shù)，具體性能參數(shù)如表1 所示。

表1 研究所使用相變材料物性參數(shù)

在研究中，以該小區(qū)1 號戶型尺寸為4x 3.7x2.8（單位為米）的房間模型進(jìn)行研究，以回字形方式進(jìn)行地暖鋪建，選用的管徑和管間距分別是10mm 和100mm 如圖2所示。

圖2 地暖管鋪結(jié)構(gòu)及地板模型結(jié)構(gòu)示意圖

針對采取相變材料不同的填充方式，與無相變材料填充進(jìn)行對比，如圖3（a）所示為相變材料完全填充，圖3（b）為相變材料1/2 填充，填充高度為完全填充的一半。

圖3 相變材料2 種不同填充結(jié)構(gòu)示意

為了充分展現(xiàn)相變地板不同填充結(jié)構(gòu)的熱性能優(yōu)勢，可以將相變地板的蓄放熱過程分為兩種不同的間歇式工況進(jìn)行模擬分析。具體的工況如下：

蓄熱8 小時，放熱16 小時。在這種工況下，相變地板經(jīng)過8 小時的蓄熱過程后，釋放所儲存的熱能，持續(xù)放熱16 小時?？梢阅M相變材料在吸熱過程中的溫度升高，以及放熱過程中的溫度降低。

通過CFD 軟件進(jìn)行模擬分析時，需要設(shè)置合適的物理模型、邊界條件和材料性質(zhì)等。對于相變地板的模擬，需要考慮相變材料的熱容、密度以及相變溫度等參數(shù)，并將其納入傳熱模型中。同時，還需設(shè)置房間的室內(nèi)外溫度、濕度等邊界條件，以及地板表面的溫度和傳熱系數(shù)等，如表2 所示。

表2 研究中所使用相變材料填充結(jié)構(gòu)方案

在模擬分析結(jié)果的后處理過程中，可以繪制相變地板內(nèi)部和表面的溫度變化曲線，評估其蓄放熱性能優(yōu)勢。通過比較兩種不同工況下的溫度變化、室內(nèi)空氣溫度分布等參數(shù)，可以評估不同填充結(jié)構(gòu)對相變地板性能的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)圖4（a）和圖4（b）顯示地板表面和室內(nèi)空氣溫度隨時間的變化曲線。從圖中可以觀察到地板表面溫度及室內(nèi)空氣溫度先上升后下降，并且在蓄熱至第8 小時時，地板溫度達(dá)到了峰值。分析三種不同的填充結(jié)構(gòu)可以看到，未進(jìn)行相變材料填充的地板溫度及室內(nèi)溫度在加熱階段升溫較快、在停止加熱后溫度下降較快，相變材料完全填充和1/2 填充的地板結(jié)構(gòu)在停止加熱8h 后（第16h），地板表面溫度還能達(dá)到24℃左右，室內(nèi)空氣溫度還能保持在16℃左右，能夠滿足人體對溫度舒適度的要求，蓄熱效果較好。這就說明相變材料在建筑領(lǐng)域中能夠起到一定的作用。

圖4

4 相變材料未來的發(fā)展展望

4.1 蓄熱隔熱技術(shù)

相變材料在建筑領(lǐng)域中可以應(yīng)用于墻體、屋頂和地板等結(jié)構(gòu)中，以實(shí)現(xiàn)蓄熱和隔熱功能。相變材料還具有良好的隔熱性能。它們可以減少墻體、屋頂和地板等結(jié)構(gòu)中熱量的傳導(dǎo)，提供更好的隔熱效果。這種隔熱性能可以在冬季保持室內(nèi)溫暖，在夏季阻擋外界高溫地進(jìn)入，從而改善室內(nèi)舒適性[6]。相變材料與建筑材料的結(jié)合將為建筑節(jié)能提供創(chuàng)新解決方案。通過利用相變材料的高儲熱密度和相變特性，可以實(shí)現(xiàn)蓄熱、隔熱功能，降低能耗和碳排放，同時提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。未來，相變材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，有望成為常見的做法，為可持續(xù)建筑發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

4.2 窗簾與玻璃窗

相變材料可用于窗簾和玻璃窗中，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)室內(nèi)光照和溫度。當(dāng)室外溫度升高時，相變材料會吸收熱量從而降低室內(nèi)溫度，避免冷氣過度使用；而在寒冷季節(jié)，相變材料可以釋放儲存的熱量，提供附加的保溫效果。此外，相變材料還可以通過調(diào)節(jié)玻璃窗透光度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光照度的優(yōu)化，減少室內(nèi)照明能源消耗。

4.3 高效建筑密封和隔音

相變材料可用于建筑密封材料和隔音材料，提高建筑的密封性和吸聲性能。相變材料具有吸音和減振能力，可以有效減少噪音傳遞和能量損失。此外，相變材料還能夠在溫度變化時自動收縮或膨脹，補(bǔ)充建筑中的結(jié)構(gòu)縫隙，提高建筑隔熱效果。

4.4 智能控制系統(tǒng)的集成

將相變材料與智能控制系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)精確控制建筑內(nèi)部溫度、光照和濕度等參數(shù)。通過傳感器監(jiān)測環(huán)境變化，智能控制系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)相變材料的狀態(tài)，保持室內(nèi)舒適度并最大限度地降低能耗。

5 結(jié)語

基于當(dāng)前建筑材料的發(fā)展情況，相變材料已經(jīng)被應(yīng)用于建筑施工中，并且發(fā)揮著較為重要的作用。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和市場的推動，相變材料有望成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的重要材料，為可持續(xù)建筑發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。