相变材料在建筑节能工程中的应用分析

张化龙

文章简述了相变储能材料，并从围护结构、新型砂浆以及其他方向的应用角度对其在建筑节能工程中的实际应用要点进行了深入分析，阐述了建筑节能工程中应用相变材料的实际问题，并对未来相变材料的发展方向进行了展望。

一、相变储能材料简述

作为一类具有在一定温度范围内对自身物理状态予以改变的材料，相变储能材料在内外部温度高于相变点的情况下，材料由于吸收了大量热量将会有相变表现，而若温度低于相变点则有逆相变表现，相变潜热则是两类相变过程中所吸收或释放出的热量。储能密度相对较高且相变潜热较大是相变材料最为突出的应用特征，相变过程中材料温度并不会有较大改变，具有一定的应用稳定性。从其实际应用情况来看，不仅起到了对周边环境温度予以调节的作用，同时也是避免出现能源供求过程中速度与时间不同步等情况产生的关键因素，保证了建筑中室温的控制效果，在建筑节能工程中的保温领域较为常见，例如河南省装配式农房体系集成技术，就是主要应用相变材料的一种建筑节能工程建设方法。

依据相变材料在产生相变时的变化方式可将材料分为固气、固液、固固、液气四类相变材料。从实际应用情况来看，其中的液气与固气相变材料在转化环节所出现的相变潜热，相较固固与固液材料所产生的潜热要大得多。但同样需要注意的是，固气与液气若有转化情况产生，则由于会释放出大量气体的原因使得材料整体体积有较大的变化表现，这也是在实际的建筑节能工程建设环节经常应用固固与固液两种类型相变材料的主要原因。总结来看，相变其实就是不同物质系统之间相的互相转变，相变材料在相变过程中的变化如图1所示。

图1 相变材料在相变过程中的变化简图

若从相变材料的自身性质进行分析，则可将相变材料分为有机物材料与无机物材料两种类型。其中无机物相变材料无论是在蓄热密度、导热性、溶解热，还是在经济性方面，相较有机相变材料均较大，整体pH酸碱度呈现中性，但在应用过程中表现出了易受腐蚀的特点，且伴随相变过冷、易相分离的情况，使得其整体储热能力相对较差。多数的有机物相变材料的导热性与储能利用能力均较差，这也使得基于有机物相变材料的节能建筑系统能效较低，但其优势在于具有较强结构稳定性与固体成型效果，需根据建筑建设的实际要求选择合适类型的相变材料。

二、建筑节能工程中相变材料的实际应用

伴随人们生活质量的逐渐提升，人们对室内环境舒适感的要求日益提高。在节能减排与低碳经济成为世界发展主要方向的背景下，为将社会能耗中建筑能耗进一步降低，并缩减供暖或空调系统的运行维护费用，选择使用新式的建筑节能材料极为关键。

1. 围护结构中相变材料的实际应用

相变材料融入建筑墙板中能够起到保证室内温度稳定性的重要作用，进而将体感舒适度整体提升，将建筑能耗整体降低进而充分发挥建筑节能工程优势，这也是当下针对具有相变潜热较高、热密度较大以及性能稳定特点的相变储能材料予以深入研究的主要原因。Kedl等专家在将墙板与十八烷石蜡结合后，建造了具有被动特点的太阳房，此类墙板也成了第一类具有显著相变性质的墙板类型；Helmut等专家所制作的新型外墙，将相变材料与透明外保温材料结合，从其实际的应用情况来看，相较传统普通不透明的保温外墙，在太阳辐射的利用方面有着显著优势，进而从根本上发挥了相变材料蓄放热优势；M.Hadjieva等专家在基于傅里叶红外光谱对无机水合盐混凝土体结构进行了扫描，结果证明该结构具有较强稳定性，并使用DSC对其蓄热能力进行了测试，发现其表现出了较强的蓄热能力；图2为相变储能材料的蓄热示意图；加拿大某大学建筑研究中心制作出了包含丁基硬脂酸盐（49%）与丁基棕榈酸盐（48%）的相变材料，通过使用直接混合法在其中加入一定比例的水泥砂浆，所制作出的相变墙边，从其实际应用功能来看，相较普通墙板其贮热能力增加了近10倍，同时测试了此类墙板材料的导热系数、凝固点、熔点等数值，发现其具有优异的建筑材料性质；国内由清华大学牵头所进行的对相变储能材料的研究，覆盖了相变材料墙体物理与化学性能、研制等领域；冯国会等专家所研制出的相变墙板在保证室内环境温度差异不大的情况下，分析了以相变材料为主体的墙体材料在使用过程中所表现出的节能优势，从而确定了相变墙体的节能效果；马芳梅与周建敏在针对复合相变储能材料进行了深入研究，重点放在复合相变储能材料的使用寿命、热物性方面。从实验结果来看，室内若供暖或制冷系统停止运行，在一段时间内依旧能够保证将室温控制在适宜温度。其他国家同样对相变储能材料进行了深入研究与试验，奠定了相变储能材料大规模应用在建筑节能工程中的坚实基础。

图2 相变储能材料的蓄热示意图

2. 新型砂浆中的相变储能材料应用

膨胀珍珠岩、水泥等具有轻质多孔特点的无机材料可作为聚合物保温砂浆的制作骨架，在添加合适聚合物作为改性剂后即可形成新型砂浆，从其使用情况来看不仅具有环保性，且消除了一定的使用安全隐患。刘成楼等专家所制作出的保温抹面砂浆，加入十八烷这一相变储能材料，配合膨胀珍珠岩定性材料，使得所制作出的砂浆表现出的物理性能在满足国家相关建筑建设标准的同时，表现出了调温节能特点，具有形成建筑围护结构外表抹面保护层的批量应用特点；王智宇等专家融合了膨胀珍珠岩与相变石蜡材料，分别将材料用于定型与相变，在使用乳化法后制作出了保温干粉砂浆，所使用的制作方法相较传统的直接吸附法提高了约3.5倍的吸附率。膨胀珍珠岩与相变石蜡结合后，由于材料体积较大且具有稳定性特征的优势，使得所制作的干粉砂浆不仅蓄热系数相对较大，且表现出了防渗出、导热系数小以及稳定性等应用特点。

3. 建筑节能工程中相变储能材料其他方向的应用

从当下国内外的储热建筑材料研究情况来看，其重点多为有机相变储能材料。有专家基于能量微球法将相变材料与交联聚乙烯相结合，所形成的相变储能材料微球可与石膏板进行结合，从而使得所制作出的石膏板具有一定的储热能力；肖春香等专家则是将液相插层与超声振动等技术综合应用，制作出了膨润土复合相变储能材料。从其实际应用情况来看，相较普通石膏板在保温隔热方面表现出的性能相对较高，且具有应用稳定性，能够将室内的温度波动情况予以减缓，进而将能耗整体降低；Peippo等专家打造了融合相变储能材料的石膏板试验房间，就含量不同的相变材料墙体结构热力学行为进行了深入研究，发现每年能够节约的热消耗量达到了15%；李玉蓉等专家所制作出的复合定形相变复合材料使用了机械搅拌替代了传统的蜜炼法，对材料进行热力学性能研究分析后，从实际结果中发现新的制备方法不仅工艺流程相对较为简单，且具有有效降低制作成本的优势。制作出的相变储能材料在保证其储热值的同时，渗漏性相较普通相变材料同样有所降低。由于这一材料特殊的应用性质与优势，更为适合应用于北方冬季采暖系统中，具有广阔的应用前景；Ismail等专家结合现有的相变储能材料制备技术，设计出了融合相变储能材料的玻璃窗，从实际应用情况来看，此类玻璃窗相较普通的填充空气的双层玻璃窗，在保温性方面的效果要好得多；若能够基于封装技术将载体基质变更为三维网状或多孔泡沫塑料等结构，并将相变储能材料注入其中，则从宏观角度来看依旧能够在发生相变的情况下维持自身的固体形状。此种结构的优势在于可直接加工成型且无需使用容器，使用较为安全，现被经常应用于建筑节能工程中的地暖系统中。

三、当下在建筑节能工程中应用相变储能材料的关键问题

近些年来针对相变储能材料的研究成果较多，使得在保证建筑节能效果的同时，提高了建筑结构的使用稳定性，充分发挥了其减少建筑能耗的优势，匹配当下低碳经济的发展需求。但从整体情况来看，我国针对相变储能材料的理论研究起步相对较晚，因此在材料的储能效益、节能效果以及制备方法方面的认识仍然存在着诸多不足之处，此类材料在节能建筑中的实际应用依旧在持续研究与完善阶段，想要在短期内完成大规模推广仍然较为困难。

1. 相变储能材料制备方法仍存在着不足之处

直接渗入法、微胶囊法、直接混入法等经常被应用于相变储能材料的制备过程中，但均有着相应的应用缺陷。直接渗入法在应用后将增大相变材料相变过程中漏液渗流情况的产生风险；微胶囊法应用成本相对较高，且若将此方法所制备出的材料实际应用在建筑建设过程中，则其力学性质可能有所改变；直接混入法则需要强调其配合比设定的科学性，以免对材料之间的相容性与耐久性造成较大影响。

2. 针对相变储能材料所设定的评价标准尚不完善

相变储能材料如何保证其运用的合理性，当下并没有一套完善的评价标准支持，且缺失了对相变储能材料实际应用在室内动态导热过程的模拟仿真程序，仍需要进一步对相变材料的特性进行实验，探讨其导热性、耐久性等。

3. 相变储能材料使用整体成本偏高

相较普通建筑材料，由于相变储能材料制备流程较为复杂，因此材料使用成本相对较高。再加上生产技术尚不成熟，因此想要达到完全覆盖到建筑节能领域的材料应用目的仍有较大困难。此外，针对相变储能材料应用在建筑结构建设过程中后的耐久性分析同样处于缺失状态，想要确定相变材料应用后所产生的节能效果，以及得出准确经济评价缺乏必要的参考与实验条件。

四、未来相变储能材料在建筑节能工程中的应用发展方向

作为能源大国，我国正面临着能源供求关系紧张的实际问题。由于建筑行业耗费材料、人力、物力等相对较多，其占据了社会总能源消耗量的40%左右，使得在当下建筑节能技术研究与开发应用成为热点话题。相变储能材料优秀的使用特性，使得若将其应用在建筑领域将有效改善建筑行业的发展现状，因此从节能角度来看深入研究相变材料的工作较为紧迫，主要从以下两个方向对相变材料进行研究：

第一是开发新的相变材料种类，制备出匹配环保与经济需求的相变材料，并要求其具有可循环利用与结构稳定等特性，从而保证相变材料的应用效果。

第二是从多个角度对当下所使用的相变储能材料封装与基材复合方法予以改进，从而保证所制备出的相变材料经常有性能稳定与生态友好的特点。

五、结束语

综上所述，相变材料在建筑节能工程中的应用仍需进行持续研究，从多个角度对相变储能材料制备方法、应用特性等展开实验分析，从而充分发挥出建筑节能工程中相变材料的应用优势，为我国建筑行业的未来可持续性发展奠定坚实基础。