相變蓄能墻體在主/被動(dòng)建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

巫洋茜 謝東* 王漢青

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院

3 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室

4 建筑節(jié)能與環(huán)境控制衡陽(yáng)市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

伴隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展，以煤，石油和天然氣等為代表的不可再生能源的共給已呈現(xiàn)出了日益緊張的趨勢(shì)。節(jié)能減排成為擺在人類面前的一項(xiàng)艱巨而迫切的任務(wù)。其中，建筑能耗占社會(huì)總能耗的25%左右[1]，因此，提高建筑中的能源效率，最大限度地降低建筑能耗對(duì)節(jié)能減排有著巨大意義。優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)墻體熱性能是建筑節(jié)能的有效途徑之一。相變材料（PCM）有很大的潛熱值，蓄熱能力較強(qiáng)，可以在在自身溫度升高時(shí)熔化吸收熱量，而在溫度降低時(shí)凝結(jié)釋放出熱量[2]?；诖朔N特性，PCM 可利用自身相態(tài)變化將暫時(shí)不用的能量存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)再釋放，能量得到了較大限度的利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。本文概括闡述了國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑節(jié)能用相變墻體的研究現(xiàn)狀，對(duì)相變材料的分類、封裝方式、現(xiàn)有研究中相變墻體結(jié)構(gòu)以及學(xué)者們對(duì)相變墻體的優(yōu)化研究進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 建筑用相變材料的研究進(jìn)展

1.1 相變材料的分類及其改性

用于建筑的相變材料可以分為無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。無(wú)機(jī)相變材料主要包括：結(jié)晶水合鹽，熔融鹽以及金屬合金等，這類材料的融化熱大，導(dǎo)熱系數(shù)較高，相變時(shí)體積小，但它們的結(jié)晶水?dāng)?shù)在相變時(shí)會(huì)發(fā)生變化，使得相變的可逆性能變差，有過(guò)冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象，且具有腐蝕性[3]。有機(jī)相變材料主要包括脂肪酸、醇、酯以及二醇等[4]，有機(jī)相變材料性能比較穩(wěn)定，潛熱較大，且腐蝕性較小，但是易燃、導(dǎo)熱性較差。不同有機(jī)相變材料的性質(zhì)差異很大，有些具有比較合適的相變溫度和較高的潛熱，無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，有些卻在高溫狀態(tài)時(shí)易燃、易分解，因此在選擇材料時(shí)一定要考慮到安全問(wèn)題[5]。從目前的研究來(lái)看，石蠟是研究較多的適用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的有機(jī)相變材料，這主要是因?yàn)槭灥倪^(guò)冷度很小甚至沒(méi)有過(guò)冷度，且無(wú)毒無(wú)腐蝕性。

現(xiàn)有的單一相變材料并不能滿足所有適用于建筑墻體的性能，或多或少會(huì)有一些缺點(diǎn)，如導(dǎo)熱系數(shù)小、存在過(guò)冷現(xiàn)象等。因此學(xué)者們就此點(diǎn)作了許多研究，將性能具有互補(bǔ)性的多種材料復(fù)合，對(duì)已有相變材料進(jìn)行改性以滿足最佳性能。謝尚群等人[6]將石蠟與膨脹珍珠巖混和制備了復(fù)合相變顆粒，并測(cè)試了其導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，該復(fù)合相變顆粒既保持了原有的高潛熱，又提高了其熱穩(wěn)定性。也有研究表明，可在相變材料中摻加高導(dǎo)熱材料，如微米尺度的金屬粉末、石墨和碳纖維等[7-10]，例如，Guo 等[11]將膨脹石墨與石蠟材料混合得到復(fù)合PCM，結(jié)果表明，該復(fù)合相變材料有較高的導(dǎo)熱率，且儲(chǔ)熱能力較好。還可以添加納米尺度的碳納米管，氮化鈦，碳化硅以及氧化硅等來(lái)增強(qiáng)相變材料的熱性能[12-14]。例如，楊賓等人[15]在石蠟材料中分別加入納米顆粒以及金屬肋片，結(jié)果表明，此種顆粒可以顯著減小相變材料的過(guò)冷度，增強(qiáng)其傳熱性能。綜上所述，相變材料的種類多樣，可以根據(jù)具體的建筑需求選擇合適的相變材料，但目前的建筑用相變材料存在過(guò)冷度、導(dǎo)熱性能不佳等缺點(diǎn)，在今后的研究中，相變材料的改性、增強(qiáng)其導(dǎo)熱性能、過(guò)冷度等的研究應(yīng)用空間較大。

1.2 相變材料的封裝

概括來(lái)說(shuō)，相變材料的封裝方式可以分為微觀封裝與宏觀封裝兩種。微觀封裝是通過(guò)制備相變微膠囊、定型相變材料等，將相變材料包裹在較小的容腔、微空隙中，得到復(fù)合相變材料。宏觀封裝簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將相變材料裝入宏觀體積的容器中進(jìn)而使用[16]。宏觀封裝由于工藝限制容易泄漏，因此需要特別注意容器的密封。

微膠囊封裝是利用成膜材料將相變材料包裹成具有核殼結(jié)構(gòu)的微粒[17]。由于相變材料與外界環(huán)境隔離使得其儲(chǔ)能性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，因此微膠囊技術(shù)可以有效地解決相變材料泄漏問(wèn)題，但制作工藝復(fù)雜、成本高、易磨損破裂且導(dǎo)熱性能差[18]。金翔宇[19]制備了以水與聚乙二醇400 為基液的相變微膠囊懸浮液，測(cè)定了其導(dǎo)熱系數(shù)、靜置后濁度等參數(shù)，結(jié)果表明水和聚乙二醇提高了懸浮液穩(wěn)定性并保持較高的導(dǎo)熱系數(shù)，更加適用于綠色建筑。Olivieri[20]將微膠囊相變材料制作成預(yù)制輻射建筑構(gòu)件的最內(nèi)層，實(shí)驗(yàn)研究了新型膠凝砂漿的熱性能，結(jié)果表明該構(gòu)件具有顯著的高導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和透水系數(shù)。

定型相變材料封裝是將支撐材料與相變材料復(fù)合，常用的支撐材料有多孔材料，層狀材料和高分子材料等[21]。整個(gè)復(fù)合相變材料能保持原來(lái)的形狀不變并具有一定的強(qiáng)度，降低了泄漏的可能性。Zhang[22]等人將聚乙二醇作為相變材料，膨脹石墨作為多孔吸附材料，采用物理吸附法制作了復(fù)合相變材料，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該種材料密度輕、導(dǎo)熱系數(shù)高、蓄熱能力大、穩(wěn)定性好，抗壓性能也能夠滿足普通砂漿建筑材料的要求。Kim[23]等人將定型相變材料（SSPCMs）布置在墻壁等地方，實(shí)驗(yàn)表明SSPCMs 的添加有效改善了房間的熱工性能，并可以大規(guī)模用于建筑表面。

宏觀封裝是將相變材料封裝在宏觀尺度的管件、袋子、板狀容器等容器中[24]。例如，Bontemps 等[25]用玻璃容器封裝相變材料（圖1）。Zhou[26]等人將相變材料封裝在了PVC 板中（圖2）。Rathore[27]以及Sun[28]等人將PCM 放入鋁管中（圖3），然后將鋁管均勻布置在墻體中。Chang[29]等人將PCM 封裝在透明袋中（圖4）。

圖1 封裝在玻璃容器中

圖2 封裝在PVC 板中

圖3 封裝在空心鋁管中

圖4 封裝在透明袋中

相變材料的封裝方式多樣，但目前對(duì)相變材料的封裝還不夠完善。由于建筑中大多采用固-液相變材料，防止其泄漏是封裝相變材料時(shí)需要考慮的首要問(wèn)題。目前的封裝方式要么造價(jià)昂貴，要么容易泄漏，要么傳熱效果不佳，因此從這些方面對(duì)相變材料的封裝進(jìn)行優(yōu)化也是目前的研究熱點(diǎn)之一。

2 相變墻體在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

將相變材料應(yīng)用于建筑墻體，可以增大墻體熱容，從而降低傳入室內(nèi)的最大熱流，延遲最大熱流的到來(lái)時(shí)間。此外，相變墻體還可以結(jié)合可再生能源為房間提供免費(fèi)冷量或熱量，從而降低建筑能耗[30-32]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)相變墻體的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)與模擬研究。為了更好地實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，學(xué)者們研究了相變墻體的各種結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其工作原理不同，本文主要從主動(dòng)式建筑中相變墻體與被動(dòng)式建筑中相變墻體兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行總結(jié)討論。

2.1 被動(dòng)式建筑中的相變墻體

被動(dòng)式建筑即不需額外提供能量，僅依靠建筑本身的構(gòu)造設(shè)計(jì)與自然熱量，就能夠使室內(nèi)達(dá)到一個(gè)舒適的溫度條件。許多學(xué)者在已有普通墻體的基礎(chǔ)上添加相變板層，進(jìn)而提高室內(nèi)熱舒適。添加了相變材料的被動(dòng)墻體可以明顯降低推遲室內(nèi)溫度峰值時(shí)間，且有“削峰填谷”的效果。從目前的研究來(lái)看，PCM 在建筑磚中的應(yīng)用可以成為一種有效的建筑被動(dòng)熱控制技術(shù)，而多孔磚內(nèi)部的孔洞正合適放置相變材料。例如，Dabiri[33]等人在一種特殊的空腔磚中放置相變材料，磚中含有PCM 與10 個(gè)空氣腔（圖5），并分析了室內(nèi)溫度的波動(dòng)。Kant[34]進(jìn)行了含相變材料的建筑磚在太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度等環(huán)境條件下的熱分析（圖6）。通過(guò)比較普通磚，圓柱腔內(nèi)填充空氣磚以及圓柱腔內(nèi)填充PCM 磚三種不同情況，評(píng)價(jià)了PCM 在建筑用磚中的有效性。

圖5 裝有相變材料的磚體結(jié)構(gòu)

圖6 含相變材料建筑磚在環(huán)境條件下的熱分析

也有學(xué)者們將相變材料與普通建筑材料摻混在一起，既保證墻體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，又增強(qiáng)了墻體的熱惰性，例如Mushtaq[35]等人將PCM 作為保溫材料。結(jié)果表明，采用PCM 作為保溫材料后，該區(qū)域的室內(nèi)溫度降低，冷負(fù)荷降低。Tian[36]等人將PCM 作為涂料敷在墻體表面，結(jié)果表明，相變儲(chǔ)能墻體的平均傳熱阻力是普通涂覆砂漿墻體平均傳熱系數(shù)的2.04 倍。Lee[37]等人將PCM 直接與纖維素絕緣材料混合，發(fā)現(xiàn)添加了相變材料的保溫板中，PCM 的熔化潛熱變化不大，且墻體的保溫性能更好。Errebai[38]等人更是提出了一種優(yōu)化的相變石膏板，石膏板上有多個(gè)小孔，使得墻體與周圍空氣有更大的接觸面積，增強(qiáng)其換熱效果。結(jié)果表明，給定厚度的穿孔板吸收的熱量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)板厚度的三到四倍。

目前學(xué)者們對(duì)被動(dòng)式建筑中的相變墻體進(jìn)行了一系列的優(yōu)化研究，討論了如何優(yōu)化相變墻體，使其節(jié)能效率更佳。目前研究得較多的是相變層的分布位置及其厚度等對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)控的影響[39-42]。例如，孔祥飛[43]等人對(duì)比分析了夏季工況下，室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)、相變材料層位置對(duì)相變蓄能墻體熱特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在夏季時(shí)相變層適宜分布在靠近室內(nèi)側(cè)，而且隨著室內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)的增大，相變材料的蓄熱量增大。Gounni[44]進(jìn)一步通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)PCM 層放置在靠近熱源的一側(cè)時(shí)，會(huì)對(duì)峰值熱流產(chǎn)生巨大的影響。在此位置，峰值熱通量比參考?jí)w減少32.9%。相變材料的最佳位置等參數(shù)不能一概而論，它與特定的應(yīng)用條件相關(guān)。Kyoung[45]等人就發(fā)現(xiàn)PCM 應(yīng)用在南墻和西墻時(shí)的效果不同。如圖7[43]所示，南墻和西墻的PCM 層最佳位置分別為3 號(hào)和2 號(hào)位置?？偟膩?lái)說(shuō)，PCM 的最佳位置受很多因素影響，如相變溫度、外加熱源溫度以及墻體結(jié)構(gòu)等，這些都需要進(jìn)行更深入的研究。

圖7 PCM 分布在墻體的不同位置

除了優(yōu)化相變墻體的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，學(xué)者們也考慮使相變墻體在全年都能夠發(fā)揮較大的作用，但一種相變材料往往不能滿足全年工況下的建筑節(jié)能，將兩種不同熱特性的PCM 用于墻體中，能夠顯著改善熱環(huán)境[46]。為了更好地發(fā)揮相變材料對(duì)室內(nèi)溫度“削峰填谷”的作用，學(xué)者們也將單一的相變墻體結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，Meng[47]等人提出了復(fù)合相變房間的概念，在一個(gè)房間內(nèi)放置了兩種熔點(diǎn)不同的PCM。并對(duì)夏季和冬季室內(nèi)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明，在夏季，復(fù)合相變房間可以顯著減少外界向房間釋放的熱量。在冬季，PCM 組合式房間可以顯著增加房間的排熱，減少房間的吸熱。復(fù)合PCM 房間在夏季和冬季均表現(xiàn)出較好的熱性能。

2.2 主動(dòng)式建筑中的相變墻體

主動(dòng)式建筑即事先安裝好能源設(shè)施來(lái)主動(dòng)提供能量，以滿足室內(nèi)熱舒適需求，通常將建筑墻體與太陽(yáng)能、電能等結(jié)合起來(lái)，而這些人工能源則用來(lái)對(duì)相變材料進(jìn)行輔助加熱或冷卻。例如，Zhu[48]等人將一種雙層相變墻體（SSPCM）用在空調(diào)房間中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析了該房間在武漢冬夏兩季的節(jié)能效果。結(jié)果表明，含有雙層PCMs 的房間在冬、夏季分別降低6.4%和17.8%的能耗，節(jié)能效果顯著。Zhou[49]等對(duì)一種用于夏熱冬冷地區(qū)的新型相變材料（PCMs-VTW）組合通風(fēng)墻體的熱工性能與能耗進(jìn)行了模擬研究。墻體結(jié)構(gòu)包括：具有高吸收率/反射涂層的外部PCM 層和裝有熱/冷水管的內(nèi)部PCM 層。結(jié)果表明該墻體可以有效緩解室內(nèi)溫度過(guò)熱與過(guò)冷問(wèn)題，且明顯降低了房間的電能消耗。Zhou[50]等人將定型相變材料板與熱/冷水管結(jié)合起來(lái)，用于墻壁冷卻和地板下供暖系統(tǒng)（HC-SSPCM）。研究表明，HC-SSPCM 存在一個(gè)最佳位置且最佳厚度為30-60 mm，該模型有較好的室內(nèi)熱舒適且大大降低了住宅能耗。郭茶秀[51]等將相變材料與低溫?zé)崴Y(jié)合起來(lái)，基于低溫?zé)崴畨w輻射供暖技術(shù)研究了一種新的復(fù)合相變墻體板并對(duì)其蓄放熱過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，為提高供暖系統(tǒng)的舒適度研究方面提供一定的理論依據(jù)。圖8 為部分主動(dòng)式建筑墻體中的相變墻體示意圖。

圖8 部分文獻(xiàn)中的主動(dòng)式墻體結(jié)構(gòu)

Kong[52]等將主動(dòng)式墻體與被動(dòng)式墻體結(jié)合起來(lái)，利用石蠟和膨脹珍珠巖（EP）自制了一種復(fù)合PCM，進(jìn)而制備相變材料墻板。學(xué)者們將太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)與充滿石蠟的板式蓄熱器（HAR）連接，還在墻壁表面貼滿了PCM，從而將PCM 的主動(dòng)式利用與被動(dòng)式利用結(jié)合起來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCM 主動(dòng)式和被動(dòng)式組合進(jìn)一步提高了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能，室內(nèi)熱舒適性以及建筑能效。

就目前來(lái)說(shuō)，被動(dòng)建筑中的相變墻體研究較多，主要是由于被動(dòng)式建筑更加節(jié)約能耗，對(duì)外界能源的消耗更少。而相變材料應(yīng)用在主動(dòng)式墻體中的研究也有其發(fā)展的趨勢(shì)，主要在于將相變材料與可持續(xù)利用能源結(jié)合起來(lái)，目前這方面的研究還主要涉及墻體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還可進(jìn)一步研究其墻體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步增大建筑中的潛熱利用率，更好地調(diào)節(jié)室內(nèi)熱舒適。

3 結(jié)語(yǔ)

在建筑中應(yīng)用相變蓄能墻體可以大大提高墻體的蓄熱能力，延遲室外熱量向室內(nèi)的傳遞，達(dá)到“削峰填谷”的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，但這方面的研究還存在不少問(wèn)題，主要是其節(jié)能效率不高，初投資過(guò)大。在未來(lái)的研究中，還可針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討：

1）目前還沒(méi)有十分完美的相變材料，可以進(jìn)一步對(duì)相變材料的熱物性進(jìn)行研究，制備高導(dǎo)熱、高潛熱的相變材料，確定不同相變材料的最佳適用條件。

2）對(duì)現(xiàn)有相變墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)相變材料的潛熱利用率，盡可能滿足在全年工況下均能有效緩解室內(nèi)溫度變化。

3）目前關(guān)于相變墻體的節(jié)能分析多考慮電能消耗，可進(jìn)一步細(xì)化各方面的能源與資金消耗，對(duì)相變墻體各方面進(jìn)行節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性分析，以指導(dǎo)通過(guò)優(yōu)化各方面參數(shù)來(lái)降低初投資，又提升建筑節(jié)能效果。

4）室內(nèi)熱環(huán)境與當(dāng)?shù)貧夂蛳⑾⑾嚓P(guān)，可以進(jìn)一步研究用于不同氣候地區(qū)、不同建筑類型等的相變蓄能墻體的傳熱性能，探討實(shí)際情況下最適宜的相變墻體結(jié)構(gòu)、最佳的封裝方式及安裝方式等。