相变材料在建筑节能中的应用研究综述

摘要：本文主要综述了变材料在建筑节能领域的运用研究情况，从四个方面进行了归纳和总结以期促进相变材料在建筑节能中的应用。

关键词：相变材料建筑节能运用

对相变材料在建筑节能领域的研究主要分为以下几个方面：1）新型相变建筑材料及其构件的研制和性能研究；2）蓄能建材应用方式和效果研究；3）墙体蓄热和传热特性研究。

1相变建筑材料的研制和性能研究

从20世纪90年代以来，对相变材料的开发已逐步进入实用性阶段。相变材料的制备和热物理特性研究很多，包括新材料配方、相变温度和潜热等热物性测量、热寿命实验、多组分材料热物性研究等。

目前国内外应用于建筑节能领域的相变材料主要包括结晶水合盐类无机相变材料，以及石蜡、羧酸、酯、多元醇和高分子聚合物等有机相变材料。无机相变材料导热系数大，储热密度大，价格便宜，但容易相分离，腐蚀性大；有机相变材料固体状态时成型性好，不易出现过冷和相分离，腐蚀性小，性能比较稳定，但导热系数小，密度小，熔点较低，易氧化，需通过添加阻燃剂或封装的方法改善相变材料的易燃性能。

为克服单一的无机类或有机类相变材料存在的缺点，复合型相变材料成为研究热点。当前复合的方式有两种：一种是将正烷烃与脂肪酸类、多元醇类相变材料混合，制得一定温度下的低共融混合物；另一种是将两种或三种多元醇按一定比例混合，对相变温度和相变焓进行调节，开发出具有合适相变温度和相变焓的复合相变材料。

相变材料用作建筑构件可将其密封在建筑材料中或直接与建筑材料掺混。前者应用过程中相变材料容易泄漏，通常要使用一些封接剂，德国的Mehling和Hauer介绍了多种能用于建筑蓄能的相变材料产品和封装技术，认为相变材料在建筑节能中有很好的发展趋势和前景。

定形相变材料是一种新型复合材料，它主要由两部分构成――作为支撑材料的囊材和作为相变材料的心材。国内外文献对定形相变材料的制备方法和热物性及稳定性有较多的研究。

2相变材料在被动式建筑中应用效果研究

相变材料在建筑中的应用效果研究是当前研究热点，采用相变材料可以在很大程度上改善围护结构的热性能和室内舒适性。很多学者对相变材料的蓄能调温特性和应用可行性、经济性进行了研究。

按照蓄能方式可分为被动式蓄能和主动式蓄能。被动式太阳能采暖技术的三大要素为：集热、蓄热和保温，在被动式太阳房领域，Dr.Maria Telkes先后在相变材料的配制和性能研究、相变传热、相变材料性能改善、相变材料封装、相变储能系统设计等方面做了大量工作，并在马萨诸赛州建起了世界上第一座PCM被动式太阳房。

芬兰的Peippo在直接受益式被动式太阳房的内墙表面添加单层相变材料，通过实验和数值模拟发现，相变材料应用在被动式太阳房中，减小了室温波动，可将白天室温降低4℃，同时提高夜间室温，有效减小了夜间采暖负荷。他认为采用相变材料不仅节能节资，还可有效提高热舒适水平。

加拿大Concordia大学建筑研究中心的Athienitis在被动式太阳房中使用脂肪烃类相变材料制成墙板，将相变墙板作为测试房的内部墙，其中硬脂酸丁酯的体积百分比为25%，相变材料的相变范围为16.0～20.8℃，同时采用隐式差分模型模拟分析了相变墙体的瞬态热传递过程。实验研究和数值模拟分析均表明，相变墙体应用于被动太阳房，白天室温比常规墙板的低4℃，而夜间其放热可以延续7小时以上，夜间相变墙体的表面温度可比普通墙板高3.2℃，使得室温维持在相变范围附近，在很大程度上改善了热舒适性。

李爱菊，张仁元在研究中采用软件ESP-r分析了相变墙板在被动式太阳房中应用，选取相变范围为13.7～33.3℃、潜热为11.1～82.4kJ/kg的相变材料，采用有效热容法计算相变材料的热传递过程，计算结果表明在全年中的春秋季节，相变材料可有效吸收太阳能，降低室内温度波动。相变材料熔点的选择与物理模型和室外气候环境有关，当室温接近相变材料熔点时，相变材料可充分发挥作用。

Dariusz Heim，Joe A.Clarke将熔点为23℃的相变材料添加在被动式太阳房的外墙内壁面，研究发现，增大墙体内壁的对流换热系数可有效提高相变材料能量的储存，但会降低房间舒适度。相变材料的成本价格是随经济环境变化的，目前文献中投资回收期的计算仅采用简单的经济性分析模型，未考虑其成本随时间的变化情况。

钟志鹏和林坤平研究了夏季结合夜间通风的相变墙在不同地区的应用效果。讨论了通风次数和相变温度的优化设计方法。昼夜温差较大是相变材料在此类地区应用的基本条件，但也使得此种应用方法适用地域较少。

3相变材料在主动式建筑中的节能效果研究

主动式太阳能采暖技术注重太阳能集热技术和其他采暖技术的结合，太阳能热水地板采暖系统就是一种有效的解决方案。可在很小的温度变化范围内储存大量热量，有效减小室内日夜间温度波动，提高室内环境热舒适度。

叶宏，王军，庄双勇等在北京采暖季节对相变蓄能式地板辐射采暖系统进行了实验研究。该系统采用厚度为2cm、熔点和潜热分别为21.6℃和37kJ/kg的定形相变材料，同时也对普通地板采暖系统进行了对比实验。此外，由于相变材料具有较好的蓄热能力，减少了电加热系统的启停，使得室内温度波动较小。

我国许多地方出台了峰谷电价政策缓解电网负荷过重，使得电加热地板采暖系统有一定的经济性。

肖伟，王馨，张群力等提出了一种与太阳能空气集热器结合的定形相变蓄能地板采暖系统。冷空气进入相变地板夹层，被加热后进入房间供暖。通常的太阳能采暖装置均需配置辅助加热器以满足阴天的采暖需要，对于冬季太阳日照时间较短的地区，需考虑系统的太阳能利用率，综合太阳能采暖系统的初投资和收益进行可行性分析。

Guohui Feng，Ruobing Liang，构建了单个内墙为相变材料和普通材料的实验测试房间，采用户式空调蓄冷，以温度、热流巡检装置对房间的温度场和热流变化进行测试。国内外对于相变材料在夏季空调工况下的研究较少，在昼夜温差较小的地区可考虑用空调对相变材料蓄冷，但需采用合理的空调运行控制模式才能获得较好的节能效果。

清华大学的康艳兵将带相变材料吊顶与夜间通风相结合，提出了夜间通风相变蓄能吊顶系统（简称NVP系统）。研究发现，在兰州、成都、太原，此系统可满足舒适性要求；在乌鲁木齐、北京、西安，需根据用户要求确定系统是否可行；在广州，此系统不可行。

4相变材料传热计算方法研究

描述常物性墙体传热过程的方程为线性方程，其热特性的计算方法很多，包括谐波反应法、反应系数法等。相变材料的传热方程为非线性，计算结果不能叠加，因此无法用上述方法求解。而且一般的相变传热过程无法得到解析解，只能通过数值方法进行计算，如有效热容法、焓法等。

国内外关于相变传热的数学模型大都采用焓法模型或有效热容法。相变传热问题的特点在于求解域中存在一个位置随时间变化的固液界面，相变材料熔融（凝固）现象发生在一个温度范围，移动“界面”是模糊的两相区。文献[22]利用焓法和有效热容法对定形相变材料熔解过程给出了比较分析，发现只要在焓法中相变半径根据DSC实测的结果取值，两种算法的结果一致。

现有相变材料用于建筑节能调温的实验和计算模拟研究都是针对具体系统和特定环境进行的，然而相变材料应用于建筑物将伴随其经历全年的气象条件，相变材料能否在全年气象循环过程中实现其特定的应用效果值得研究。

参考文献：

[1]中国工程院咨询项目.清华大学建筑节能研究中心，中国建筑节能2008年度发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[2]马宝国，王信刚，张志峰等.相变蓄能围护结构材料的研究现状与进展[J].建筑节能，2005，9

[3]Hawes D W，Feldman D，Absorption of phase change materials in concrete，Solar EnergyMaterials and Solar Cells，1992，27

[4]李爱菊，张仁元，黄金.定形相变储能材料的研究进展及其应用[J].新技术新工艺，2004，2

[5]Dariusz Heim，Joe A.Clarke，Numerical modelling and thermal simulation of PCMgypsum

composites with ESP-r[J].Energy and Buildings，2004，36，5

[6]Stovall T K，Tomlinson J J.What are the potential benefits of including latent storage incommon wallboard.Journal of Solar Energy Engineering[J].Transactions of the ASME，1995，117，4

[7]肖伟，王馨，张群力等.结合太阳能空气集热器的定性相变蓄能地板采暖系统实验研究[J].太阳能学报，2008，29

[8]Guohui Feng，Ruobing Liang，Research on Cool Storage Time of a Phase Change WallboardRoom in the Summer[J].Envelope Technologies for Building Energy Efficiency Vol.II.2.2.