相变材料在建筑围护结构中的应用

相变材料在建筑围护结构中的应用 相变材料在建筑围护结构中的应用

□ 河北建筑工程学院 李雪娜 蔡焕琴

摘要：在研究和总结了近些年相变材料在建筑维护结构中的应用及进展后，通过分析研究分析，本文对相变材料在建筑中的应用价值、选取原则及制备工艺进行了概述，并对相变材料在建筑围护结构中的储能性能存在的问题进行了分析和总结，提出了相变材料在今后建筑围护结构中研究方向。

关键词：相变材料；建筑节能；建筑围护结构；发展

注：项目来源：河北建筑工程学院研究生创新基金项目，项目编号：XA201614

0、前言

能源是人类社会得以生存、发展和进步的必不可少、重要的物质基础和条件。随着当今社会的科学技术的迅速发展，能源的供给量日益剧增。能源的供应和需求在很多情况下表现为具有很强的时间依赖性，在建筑结构中，建筑围护结构的耗能成为耗能的主要组成部分，为了提高建筑的能源利用率和保护环境，建筑结构储能技术应运而生[1]。在发达国家，建筑储能技术发展迅速，如今已成为发达国家开发新能源、协调能源与供求不协调矛盾及提高能源利用的有效率的重要技术之一，比如太阳能技术、废热和余热回收利用技术等领域均用到储能技术。为了合理利用能源，把暂时不需要的能源储存起来待需要时释放出来成为储能技术的一个重要节能手段。相变材料在相变过程中恰巧可以将能量在不同时间和不同空间中储存和释放，成为了建筑领域人员关注的节能技术[2]。而我国的相变材料研究仍然处于理论研究和应用的初步阶段，在应用过程中并不彰显相变材料在建筑节能的有利特点。本文通过对相变材料的分类、选取原则及制备工艺等进行概述，并对相变材料在建筑围护结构中的应用及存在问题进行了总结，提出了相变材料在今后建筑维护结构的研究方向。

1、相变材料简介

所谓相变材料指的是在相变过程中通过自身吸收周围环境的热量或者冷量，并在下一个相变过程中释放出环境所需要的能量，进而达到控制周围环境的温差不会波动太大的目的。人人皆知，相变材料同其他物质相同，通常存在气态、液态和固态三种状态，当相变材料的状态或者物质组成发生变化时，即从一种状态转化为另一种状态时，则发生了相变。而相变过程的发生是在一个等温或者相似温度的环境中产生的，此过程并且会有大量能量吸收和释放的过程，这就是为何相变材料应用在建筑围护结构中的储能技术的基础理论[3]。

相变材料按照化学组成分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料三大类。有机相变材料主要包括石蜡、羧酸、酯及多元醇等有机物，相比较无机相变材料其储能密度和导热系数较小。无机材料主要是由结晶水合盐组成，常见的油十水硫酸钠、熔融盐，而水在理论上讲也是无机相变材料，包括金属乃至合金均为无机相变材料。无机相变材料的优点体现在适用范围大导热系数大、储热能力强，廉价等，但是其也具有比较突出的缺点即容易出现相分离易过冷等[4]。复合相变材料指的是无机相变材料和有机相变材料的混合，组成二元、三元复合相变材料等，例如奎酸-月桂酸二元复合相变材料等。现阶段发现的相变材料上达千种，但是并不是所有的相变材料都适用于建筑物的储能材料，针对建筑物的特点，相变材料的选取应遵循以下几个原则：

（1）相变温度和建筑物的人体舒适度温度相匹配，例如冬季人体舒适温度为22～26℃，夏季人体舒适温度为18～22℃，那么所选择的相变材料的相变温度要接近此温度范围；

（2）相变潜热大；

（3）造价低廉，制备工艺简单；

（4）相变材料在建筑构件中不会因为相变出现分离、渗漏等现象，与建筑材料的相容性良好；

（5）具有良好的传热及流动性。

除此之外，作为人类的居住环境，相变材料还应该具备无毒、无味、相变时体积变化率小及不易燃等性质。

2、建筑围护结构中的相变材料制备工艺

结合制备工艺及实际应用情况，现阶段相变材料与建筑材料的结合制备工艺，主要分为以下几种方法：

（1）直接掺入法

直接掺入法指的是将相变材料与建筑材料直接混合，即在制作建筑材料时将液态或者固态粉末状的相变材料直接与建材混合制备具有储能效果的建筑板材，比如水泥板、石膏板等。

（2）浸泡法

浸泡法指的是通过浸泡的方法将相变材料融进带有孔隙率的建筑基材当中。浸泡法包括常压浸泡法和负压浸泡法。常压浸泡法是先将相变材料处于熔融状态，随后将多孔的建筑基材浸泡在熔融状态下的相变材料内。负压浸泡法指的是采用真空器械对多孔材料进行抽吸一定的时间后，使得多孔基材内部强度达到一定的要求值后，再将熔融状态的相变材料浸泡在多孔材料中。

（3）参加能量微球法

参加能量微球法指的是将相变材料密封后放入建筑材料中，也就是封装法。现阶段应用比较多的参加能量微球法就是胶囊包装相变材料的技术，将胶囊作为相变材料的微小容器，相变材料作为芯材进行封装。

直接掺入法是所有制备工艺中最经济的方法，其优点体现在结构简单，性质较均匀，更容易做成各种形状和大小的建筑构件，来满足不同的需求。浸泡法相变材料制备方法的优点体现在工艺简单，相变材料的加入量易控制。以上这两种方法均存在相变材料易泄露，存在着性能不稳定等问题。

现阶段采用的胶囊技术对相变材料进行封装的方法，近年来得到国内外专家的关注，其较于其它两种制备工艺，优点体现在：①减小“相分离”；②能够提高相变材料的稳定性；③可以提高相变材料的耐久性，延长相变材料的寿命。

3、相变材料在建筑维护结构中的应用

相变材料在建筑围护结构中国的应用方式多种多样，可以与混凝土掺混后制备相变材料混凝土构件，也可以与其他围护结构构件相结合，制备具有调节建筑物室内温度的围护结构。

（1）相变材料在建筑屋顶中的应用

美国的麻雀省理工学院的研究小组研制了一种夜间供暖系统，该系统的主要部分是百叶窗反射片和相变天花板，通过向天花板内封装一定质量分数比例的硫酸钠、硼砂、氯化钠、二氧化硅细粉末及水的混合物组成了储热材料。通过此结构系统降低了传热量[1]。

（2）相变材料在窗户中的应用

在建筑围护结构与室外环境单位面积交换的热量中，门窗洞口的热量交换所占比例较大，所以如果能够提高门窗维持室内温度稳定的能力，降低门窗洞口的热量，将会很大程度的提高建筑的蓄热能力，节约能源。

相关专家研究了在双层玻璃夹层中使用透明的相变材料，还提出将封装好的相变材料置于双层玻璃后面等方法来降低白天的制冷负荷，提高室内舒适度[2]。

（3）相变材料在墙板中的应用

将相变材料掺混到混凝土中，制备具有承重和保温为一体的墙板构件，通过相变材料在环境温度变化的范围内，通过相变之间的转化，释放和储存热（冷）量，以达到调节室内的温差，达到人体的舒适度的需求。另外，常见的还将相变材料复合到石膏板中制备轻质的相变复合石膏板，这种复合方式并不会改变石膏板的安装工艺，但提高了石膏板的热惯性。除此之外，相变材料还应用到采暖地板、吊顶等方面，很大程度上提高了建筑的蓄热能力，平衡了室内温差的波动。

4、相变材料在建筑围护结构应用中存在的问题

虽然相变材料应用建筑，使得建筑具有自动调节室温的功能，但现阶段相变材料在建筑围护结构中仍然存在以下问题：

（1）由于不同的室内环境条件具有不同的使用目的，在长期使用过程中热稳定性并未表现出良好的性能，具有合适的相变温度和相变潜热的相变材料并不多；

（2）现阶段的相变材料在建筑围护结构中的导热性能、相变速率并不高；

（3）现阶段要想提高建筑物的保温性能，势必要增加相变材料的用量，但是相变材料的用量和建筑材料的强度是一个矛盾体，导致掺混相变材料的建筑物调节温度的能力并不凸显；

（4）现阶段的相变材料掺混到建筑材料中后会出现“相分离”，渗漏等现象，耐久性也有待提高。

（5）表现形式较好的相变材料及其制备方法造价高，不易接受。

5、结语

很多的实验和研究已经证明，如果建筑物自身的蓄热设计合理科学，就可以大幅度的降低能源浪费的现象。而相变材料能够缓解能源紧张，提高建筑物的舒适度，在推进节约资源，可持续发展道路。相变材料在建筑围护结构中的应用研究，虽然近几年得到我国相关领域专家的关注，也得到了很大的进展，但依然存在上述所说的系列问题，还应从以下几点进行深一步的研究和创新：为了克服单一相变材料所存在的缺点和问题，应向多元相变材料的研发进展；研究新型的封装相变材料的制备工艺，降低造价；提高相变材料的耐久性能；制备更多更好的新的相变材料，使其更好地造福人类。

参考文献：

[1]张兴祥，王馨，吴建文等，相变材料胶囊制备与应用，北京：化学工业出版社，2009.9，ISBN 978-7-122-06618-3.

[2]吕亚军，谢珂著，相变材料在轻质维护结构中的应用研究：以天津地区为例，北京-中国水利水电出版社，2015.4，ISBN 978-7-5170-3029-8.

[3]郭静，张雨燕.新型复合相变材料研究新进展[J].材料导报A:综述篇， 2013， 27(7):67-70.

[4]昊子钊，梁金生.自调温材料[J].新型建筑材料，2003，(4)：44—47.

作者简介：

DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2017.07.034

李雪娜，1991—，女，汉族，在校研究生，结构工程专业。蔡焕琴，1964—，女，汉族，研究生导师，正高级工程师。