相变材料应用于建筑节能探讨

梁杰婷

摘要：尽管我国能源资源较为丰富，但由于人口基数大，能源需求量高，使得人均能源拥有份额较低。随着社会经济的不断发展，能源消耗也在与日俱增，整体能源形势并不乐观。在这种背景下，建筑节能愈来愈受到各界关注。相变材料在建筑节能中发挥了重要作用，利用相变材料可存储热能，温度较高时会熔化，吸收热度，以降低室内热量值；温度较低时，可释放存储热能，提升室内温度，以保证能量合理存储及释放。基于此，本文对相变材料进行了综合性阐述，并对相变材料在节能建筑中的应用进行了分析，以供参考。

关键词：相变材料；建筑节能；蓄能

1.建筑节能概述

建筑使用过程中所产生的能耗要远高于建筑建造过程中产生的能耗，这使得建筑节能愈来愈受到关注。相对于欧美国家而言，我国建筑节能起步较晚，但近年来发展较为迅速，并且关注度愈来愈高。相关研究表明，对建筑能耗进行科学的规划，能让建筑物使用的能量降低50%以上，达到良好的节能效果。以相变材料为基础构建出具有高热容的建筑围护结构，可在保持建筑舒适度的前提下达到节能目的，而且大部分相变材料都属于环保材料，对环境亲和性较好。从宏观角度来看，要保证我国经济继续保持高速发展态势，必须要克服能源短缺瓶颈，而采取相变材料构建节能建筑不失为一种可行途径，其可以同时满足节能需求及环保需求。

2.相变材料节能原理分析

相变材料是一种能伴随温度变化而产生变化，且能提供潜热的物质。利用相变材料可将环境中的热量充分利用起来，并在所需要的时间节点向外界释放能量，以此让周围环境维持在一个对稳定的范围内，并可构成一个宽幅度的温度平台。对于节能建筑而言，相变材料应满足以下要求：（1）具备理想的相变潜热；（2）相变可逆性较为理想；（3）相变过程中，材料的“冷缩热胀”程度较小；（4）对环境友好，具有良好的防腐蚀性、防火性能；（5）相变温度正好处于室内设计温度或空调系统要求温度范围内。在构建建筑相变材料时，一般是向普通建筑材料中置入相变材料，从而得到具备高热容的相变储能建筑材料。相变储能建筑材料可将周围的能量以相变潜热的方式进行存储，并在不同的时间与空间之间对能量进行转换。对于整个建筑系统而言，这种转换作用可降低建筑物空调负荷，起到辅助性节能作用。

早期的相变材料主要以无机类材料为主，但无机类材料一旦出现相分离，由于部分盐类材料会出现结晶而沉入底部，会造成分层现象。而有机类相变材料并不会出现上述问题，固体成型较为理想，材料结构也较为稳定，腐蚀性较小。但部分有机类相变材料由于导热系数较小、熔点不高，在高温环境下会出现挥发现象。为克服此缺点，一般会将几种不同类型的有机物按照一定比例混合，得到多元相变材料；或将有机材料与无机材料混合，得到复合性材料，以此来改善相变材料的性能。近年来，高分子类相变材料研发愈来愈受到重视。高分子相变材料主要包括交联聚烯烃类、交联聚缩醛类和一些接枝共聚物。随着高分子技术的不断成熟，高分子类相变材料将会得

3.相变材料应用分析

3.1蓄能墙体

将相变材料与建筑材料如混凝土、水泥等进行混合，可构建出相变蓄能墙体。通过相变材料可让墙体热惯性得到一定幅度提升，可限制室内温度波动，有利于改善室内舒适度。例如，白天日光环境下，墙体可吸收多余热量，起到降温效果；夜间，墙体会释放吸收的热量，以维持室内温度。相关研究表明，对石膏板、纤维板、水、盐及隔热层所构成的相变墙体进行DSC测试，发现相变材料的实际状态会直接影响到墙体的热性能。在相变材料从部分熔化状态逐渐冷却的过程中，可迅速释放潜热；若相变材料完全熔化，再冷却时，就会出现较为明显的过冷现象。另外，相变材料在墙体中的位置对相变材料的功能状态也会产生影响，当相变材料处于墙体厚度1/5处时，墙体热性能最优。

3.2蓄能屋顶

蓄能屋顶与蓄能墙体的原理基本一致。有研究将灰浆层、单层相变材料及混凝土按适当比例混合，构成了蓄能屋顶。实验表明，蓄能屋顶可有效降低室内温度波动，特别是在天花板位置处效果十分显著，天花板温度几乎接近恒温。但单层结构的蓄能屋顶，一旦到了温度较高的夏季，其温控效果会有所下降。因此，有学者对单层结构蓄能屋顶进行了改良，在原有基础上置入了一层相变温度更高的相变材料层，构成了双层结构的蓄能屋顶，使其在全季节都具备了较优的温控性能，极大程度上改善了室内环境的舒适度。

3.3蓄能地板

将相变材料置于地板加热系统中，通过夜间谷电进行加热，由相变材料存储热量。白天峰电期间蓄能地板可放出存储热量，以提升室内环境温度，发挥节能作用。Yeetal等构建了含被动加热相变蓄能地板的测试间。实验表明，在日照量充足时，蓄能地板最高可让白天室内温度降低15℃左右：夜间温度升高幅度接近10℃。同时，此蓄能地板可有效控制室温波动，对温度衰减具有限制作用。

结语：相变材料为节能建筑构建提供了一条良好的途径。将相变材料与传统建筑材料融合所得到的相变储能建筑材料具有良好的适用性，可适用于多种环境，并可有效控制室内温度，达到节能目的。未来，随着相变材料的不断成熟，它将具有更为广泛的应用空间，为节能建筑推广提供基础。