浅谈建筑施工中的新材料应用

【摘要】随着低碳时代的来临，绿色建筑越来越受到人们的重视，这也使得节能减碳的相变材料在建筑施工当中的应用越来越广泛。相变材料是一种高效的贮热物质。在一定的温度下，它发生相变，并伴随着吸热、放热。根据相变材料化学成分、相变过程形态和相变温度，相变材料可以分为不同的种类。相变材料结合微胶囊技术制造的相变材料微胶囊具有导热系数好，易于与建筑材料结合，经济等优点。在这种背景下，本文首先概述了低碳建筑的发展与相变材料的应用，进而分析了相变材料的特质与应用现状，最后进行了相关的反思。

【关键词】建筑施工；相变材料；绿色建筑；节能减碳

一、低碳建筑的发展与相变材料的应用

由于温室效应影响与现代建筑物多以轻建筑为主，造成室内温度过高，人体不舒适性增加，因此空调耗电量剧增。根据我国夏日用电统计，空调约占用电量的40%，因此如何降低室内温度，减少空调用电，是刻不容缓的研究。经相关研究发现，良好的隔热措施可节约住宅建筑 12%总用电量（50%的空调用电），商办建筑 10%总用电量。在通过建材的设计以增加建筑物的热质量，减小室内高温的研究工作上。目前国际上的文献与应用，已出现利用所谓相转变材料（phase change material，或简称PCM）作为节能减碳的建材。所谓相转变材料，是一种材料，可以借助相变化伴随着大量热能的吸收和释放，该能量被称之为潜热（latent heat），并且在其相转变过程中具有接近恒温的特性的材料。因此相变材料具备可逆储存及释放能量的优良特性。

目前相变材料应用于建筑物上以西方国家为多，他们利用相变材料具备可逆储存及释放能量的优良特性，在白天吸收热量，并于夜间释放至空气中，以达到增温效果，因此他们是将相变材料应用于除冷。但由于温室效应影响，对于除热方面的需求日益渐增，因此研究相变材料于除热方面的应用也如雨后春笋般冒出。本研究的目的主要是在探讨相变材料在建筑施工当中的应用。

二、相变材料的特质与应用现状

（一）特指分析

相变材料也可称为潜热储能材料（LTES），是利用物质发生相变时需要吸收或释放大量热能的性质来储存或释放热能以调整、控制工作源或材料周围环境温度。物质在储存能量的方式可分为显热或潜热，显热是指物质吸收热量伴随着温度升高来达到储热效果，而潜热即是物质在发生相变化时所需的热能也可称的为热焓（enthalpy），潜热与热焓的差别在于潜热指的是单位质量产生相变所需要的热能。物质存在自然界有三种状态，固态、液态以及气态。因此相变过程可以分为固-液相变、液-气相变及固-气相变三类。由于在产生相变化时，物质需要吸收或释放能量来打断或形成分子间的键结，因此相变化过程中，温度会维持定值并且伴随着大量的能量吸收、释放以及储存。在相变过程中所吸收的热能我们通称为热焓。相变化是可逆反应的，所以经常拿来当做热量的储存体。三种相变的情况下，以固-液相变的潜热最小，但是这一过程最常被拿来应用，因为液-气、固-气相变固然潜热很大，但是变化前后会有气体的产生及消失造成体积变化过大，而且气体也较不易保存。

相变材料最大的优点是在相变过程中，会吸收或释放大量的能量且发生相变化时的温度是可由挑选的物质所决定。因此在不同的环境下，可选择适当潜热与熔点的材料来当做热量的储存体。

（二）应用状况

相变材料利用潜热来吸收、释放热能，以达到控温的效果，因此需要控温效果的产品均利用相变材料的特性来达到目的，应用相当广泛。若将相变材料加于服饰上，可使衣服受环境或人体产生的温度变化量降低，人体可以感受到较为舒适的温度；也可将相变材料应用于医学上，如血液保存，保存血液需维持在较低的温度下，因此可利用相变材料包覆在其周围，在其温度过高时将热量吸收。将相变材料应用于建筑物上大致上可分为主动与被动两种机制。主动是指利用人为产生的热源（冷源）来加热（冷却）相变材料，因该相变材料需与此人为产生的热源（冷源）结合。而被动是指单纯利用自然通风、太阳辐射、环境空气温度来加热（冷却）相变材料，因此相变材料可依照环境、需求加装于建筑物的任何地方。一般而言有三种比较典型的系统：相变材料的朝阳保温墙；板状的相变材料加于墙上或天花板；相变材料的百叶窗。

一是相变材料的朝阳保温墙。朝阳保温墙是用来除冷，其利用一质量较大的墙，面对太阳的方向而建，墙与室外空气以一玻璃面和一个空气层相隔。因此，白天时此墙可吸收较多的热量保存，等夜晚来临时，此墙所吸收的热量便会释放于室内，提高室内空气的温度。而相变材料的朝阳保温墙则是将此质量较大的墙用相变材料代替，在较小的体积下可得到相同的热质量（thermal mass）来达到除冷效果。二是板状的相变材料加于墙上或天花板。选择适当的相变材料后，经加工制成板状后即可安装于室内墙、天花板上。该方法在安装、拆卸都极为方便，因此板状的相变材料在应用上相当广泛。三是相变材料百叶窗。将含相变材料的百叶窗安装于窗户外，在白天时阳光照射，可使相变材料吸热熔化，等夜晚时将百叶窗关起来并且将窗户开着，相变材料在夜晚时会放热，即可加温室内空气。

三、相变材料在建筑施工中应用的反思

一是不同气候下在建筑物上使用相变材料的作用。相变材料使用在建筑物上可以有效的降低室内的高温，然而值得注意的是，虽然可以降低白天的高温，但也会将夜晚的低温抬高。而目前多数理论与实践在评估相变材料的效益时，是假设一个开冷气的温度，大于该温度即会开启冷气而有耗电量产生，因此当室内温度都远高于开冷气温度时，使相变材料会将高温降低，低温提高，对耗电量并没有太大的改善效果。

二是相变材料参数设计。相变材料应用在建筑物上时，有许多参数需要决定，如潜热与热传导系数大小、摆放位置、熔点范围、相变材料的厚度。经过本研究的探讨，就摆放位置而言，有两个主要的参数会影响它，潜热与热传导系数，其中潜热越大越好，传导系数越小越好；就较低的热传导系数而言，摆放于墙的室外面改善效果会比较好，而就潜热而言，应摆放于的室内面比较佳，虽然这两个参数最好位置是相反的，但潜热的影响通常大于热传导系数，因此相变材料应摆放于墙的室内面改善效果会比较好。

三是不同气候下在建筑物上使用相变材料的作用。相变材料不论在除冷或除热方面都可以发挥其效用，都能有效的提高夜晚的低温，降低白天的高温。然而，在有些应用中，因为评估的方式是耗电量指数，因此会跟开冷（暖）气的温度有关，在温度较高的气候下，虽然此地的温度相当高，但是因为其湿度低，人们可忍受的温度较高，相变材料将低温提高的缺点不会被凸显出来，因此耗电量改善比例仍可达 10%附近；而在较为寒冷的气候下，由于此两处较为寒冷，而其需开暖气的温度相当高，因此相变材料将低温提高的效果被高温降低的效果抵消了，故在这种地区使用相变材料对于耗电量指数的改善效果比较不好。

参考文献

[1] 赵辉，王金鹏. 浅议相变材料在建筑节能中的应用[J]. 四川建筑. 2008（02）

[2] 班玉信，王琦琳，战乃岩. 相变材料特性对建筑围护结构传热的影响[J]. 节能. 2013（03）