相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能一體化設(shè)計和應(yīng)用分析

曹文瑞，曹茂慶，李 宇，王 巍

(1.東北石油大學(xué) 建筑系，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025；3.黑龍江斯維爾科技發(fā)展有限公司，黑龍江 哈爾濱 150025；4.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 前 言

在現(xiàn)代技術(shù)和建筑行業(yè)的深化發(fā)展下，越來越多的輕型、結(jié)構(gòu)容量小的材料被引入到工程施工中，其中，相變材料就是其中的一種。相變材料在發(fā)生相變的時候會釋放出比較多的熱量，且相變溫度的變化范圍也會縮小，因而被人們廣泛地應(yīng)用到建筑工程，特別是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，有效提高了建筑輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容量，減少了房間內(nèi)部的溫度波動，有效改善了房屋的熱性能，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了建筑工程的低碳環(huán)保發(fā)展。為此，文章結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際要求，就相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用問題進(jìn)行探討。

1 相變材料概述

1.1 內(nèi) 涵

相變材料是指在某一種特定溫度環(huán)境下能夠隨意進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變的物質(zhì)。在材料相變的過程中，物質(zhì)的分子會從有序的狀態(tài)變?yōu)橐环N無序的狀態(tài)，同時，在材料狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中伴隨著吸熱和放熱的現(xiàn)象。

1.2 分 類

①無機(jī)相變材料。無機(jī)主要是指鹽溶液和一些水合物鹽類物質(zhì)。從材料市場基本情況來看，無機(jī)相變材料具有密度大、溶解熱大、熔點(diǎn)范圍廣泛的特點(diǎn)，能夠在0℃～150℃的環(huán)境下自由轉(zhuǎn)變的。但是從實(shí)際應(yīng)用情況來看，無機(jī)相變材料具有過冷、相分離、腐蝕性強(qiáng)的缺點(diǎn)。為了解決這個問題，可以選擇在無機(jī)材料中添加成核劑和膠凝劑，在這類輔助材料的使用下能夠改善無機(jī)材料過冷、腐蝕性強(qiáng)、容易分離的問題。②有機(jī)相變材料。有機(jī)材料一般由石蠟、脂肪酸、多元醇等共同組成，有機(jī)相變材料的溫度一般在0℃～150℃，這類材料的密度、溶解熱比要比無機(jī)相變材料小，因而購買價格比較高。但是從實(shí)際應(yīng)用情況來看，有機(jī)相變材料和無機(jī)相比材料相比不會出現(xiàn)分離和過冷的問題，導(dǎo)熱性能良好，化學(xué)性能和物理性能穩(wěn)定。有機(jī)相變材料中的石蠟由直鏈烷烴組成，熔解變化、熔點(diǎn)數(shù)值會隨著碳鏈的變化而發(fā)生變化，在這個期間會獲得一系列相變溫度變化的貯熱材料。石蠟具有熔解熱高、相變蒸氣壓數(shù)值低、結(jié)晶無過冷、結(jié)晶無析出、化學(xué)和物理性能穩(wěn)定、無毒無害的特點(diǎn)。但是石蠟材料的導(dǎo)熱系數(shù)不高，為了提升導(dǎo)熱系數(shù)，可以在其中添加石墨粉、金屬粉末。脂肪酸類的材料包含棕櫚酸、硬脂酸等，這類材料在使用的時候會顯示出良好的循環(huán)熔融性能和較強(qiáng)的結(jié)晶穩(wěn)定性，在使用的時候不會出現(xiàn)過冷和析出的現(xiàn)象。

2 相變儲能材料基本情況介紹

2.1 相變儲能材料的使用原理

相變材料會在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境下出現(xiàn)狀態(tài)變化，是在這個期間利用潛熱儲存或者釋放一定熱量的材料。和一般的材料相比，相變材料能夠?qū)h(huán)境中的能量予以存儲，根據(jù)需要選擇恰當(dāng)?shù)臅r間釋放。

相變材料在周圍環(huán)境改變的情況下其物理性能、化學(xué)性能會發(fā)生變化，即會向環(huán)境中釋放熱量或者從環(huán)境中吸收熱量，在熱量轉(zhuǎn)移之后環(huán)境溫度不會變化，吸收或者釋放熱量的相變材料會轉(zhuǎn)移到環(huán)境中。將相變儲能材料引入到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中能夠減少房屋建筑室內(nèi)外熱流的波動幅度，減少室內(nèi)溫度的波動，從而為人們提供一個適宜居住的環(huán)境。相變儲能材料溫度調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

圖1 相變儲能材料溫度調(diào)節(jié)原理

2.2 相變儲能材料的性能

和一般性的建筑材料相比，相變儲能材料會很好地吸收熱量和釋放熱量，相變儲能材料中的相變焓能夠平衡物質(zhì)相變反應(yīng)中潛在的熱量儲能，比熱容能夠精準(zhǔn)地顯示出物質(zhì)的吸熱和放熱情況，從使用總體上來看，是一種對熱量平衡比較理想的物質(zhì)形態(tài)。從其在整個建筑工程施工中的實(shí)際應(yīng)用情況來看，這類材料的相變熱均值數(shù)量在100 kJ左右，顯熱蓄能效果是一般材料的40～50倍。水因?yàn)榫邆淞己玫娘@熱儲能性能因而會被經(jīng)常應(yīng)用到建筑室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)中，是室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的重要載體。1 kg水在固液態(tài)相變過程中吸收、釋放的相變潛熱是液態(tài)水溫提升80℃所需要的能量。在將相變儲能材料和一般性的綜合材料對比分析可以發(fā)現(xiàn)，相變儲能材料具備強(qiáng)大的儲能能力和室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)能力。相變儲能材料的物理屬性如表1所示。

表1 相變儲能材料的物理屬性

3 相變儲能材料在建筑圍護(hù)施工中的應(yīng)用特點(diǎn)

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中可能應(yīng)用到的相變儲能材料類型比較多，但并不是每一種相變材料都能夠被引入到建筑施工中。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中所使用的相變儲能材料具有以下特點(diǎn)：①相變儲能材料具備良好的熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位質(zhì)量上材料的熱變潛能比較大，材料的體積膨脹率較小，材料的使用密度較大；②相變過程會顯示出理想的可逆性，在材料相變的時候溫度是一個十分重要的影響因素，在發(fā)生相變的時候要求不會出現(xiàn)過冷的現(xiàn)象；③相變過程中不會產(chǎn)生毒害和腐蝕的現(xiàn)象，更不會污染周圍的環(huán)境。

4 相變儲能材料在建筑圍護(hù)施工中的具體應(yīng)用

4.1 相變儲能材料在建筑蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在房屋建筑工程施工的過程中，為了提升整個建筑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，減少房屋建筑內(nèi)部溫度延遲和衰減的現(xiàn)象，需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型的不同來選擇對應(yīng)的相變儲能材料。比如對于現(xiàn)代建筑來說，一般會選擇輕質(zhì)材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本材料，但是在實(shí)際使用的時候受材料熱容小的影響，在使用材料的過程中很容易造成室內(nèi)夏天溫度高、冬天溫度低的問題，無形中會加大建筑的采暖能耗。而將相變儲能材料引入到建筑蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，可以借助相變材料的相變潛力，在夏天溫度較高的時候?qū)嵤┬顭岵僮?；在冬天溫度較低的時候?qū)嵤┬罾洳僮?，從而?shí)現(xiàn)對建筑室內(nèi)溫度的合理把控，克服傳統(tǒng)輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性較小的問題。相變儲能材料在建筑蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用形式具體表現(xiàn)如下。

①相變墻體。在夏天的時候，房屋建筑墻體會釋放比較多的熱量，這個時候引入了相變墻體后能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化來調(diào)節(jié)建筑墻體的溫度，比如德國某建筑工程就在墻體的外部涂抹了顆粒石膏材料，在溫度升高的時候，蠟粒會熔化，產(chǎn)生的熱量會被存儲起來，在不使用空調(diào)的情況下也能夠降低建筑室內(nèi)的溫度。②相變地板。冬天太陽高度角較低，熱量來自于地板吸收的太陽輻射。在此情況下，為了更好地儲藏太陽輻射能，可以將相變底板引入到房屋中。比如某建筑樓將定型相變材料埋入到常規(guī)活動底板中，將白天進(jìn)入到室內(nèi)的太陽輻射熱存儲在相變材料內(nèi)，當(dāng)晚上溫度較低時，相變材料會出現(xiàn)相變反應(yīng)，這個時候會向室內(nèi)釋放白天存儲的熱量。③相變特朗勃墻。這類墻體在加工的時候會使用高熱熔的重質(zhì)墻體，施工存在缺陷。在使用高儲熱能相變材料打造出的輕質(zhì)相變墻能夠克服這個問題。在夏天溫度較高的環(huán)境下，基于這類材料的基本屬性，如果周遭的溫度比較高，其能夠吸收圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的太陽輻射，同時，在熱壓作用的影響下會驅(qū)動背陽面冷風(fēng)的流動，在這個過程中會帶走室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量。不僅如此，相變墻還能夠存儲冷量，在冬天關(guān)閉房屋外面通風(fēng)口的時候，相變特朗勃墻會吸收太陽輻射，在這個期間形成的熱壓會促進(jìn)熱空氣在室內(nèi)循環(huán)流通。而在冬天氣溫較高的時候可以開啟室外通風(fēng)口，由此順利將室外的新風(fēng)引入到室內(nèi)，打造出一個新風(fēng)循環(huán)。

4.2 主動相變供暖蓄熱系統(tǒng)

和傳統(tǒng)意義上的取暖方式相比，地板輻射采暖滿足人體舒適需求，在這個期間室內(nèi)的地表溫度會十分均勻，室內(nèi)溫度隨著建筑高度的增加從下到上不斷降低，從而給人帶來一種居住的舒適感受。與此同時，在這個期間會提升資源和能源的綜合利用率，在保證工程順利施工的同時減少能源的浪費(fèi)。

①電加熱相變地板輻射采暖系統(tǒng)。借助夜間低峰段的電能驅(qū)動電加熱裝置，在這個期間產(chǎn)生的熱量會通過潛在熱的形式存儲在相變材料中，裝置在白天釋放熱量會為人們提供適宜的溫度，提高人們的居住滿意度。在技術(shù)的支持下有學(xué)者研究出了定型相變貯能電加熱底板輻射采暖系統(tǒng)。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，定型相變貯能電加熱底板輻射采暖系統(tǒng)會在水泥板材之間鋪設(shè)形變材料，并將高密度的聚乙烯作為重要載體包裹石蠟相變主體。和一般情況下地板輻射采暖系統(tǒng)相比，谷電輔助加熱形成的定型相變貯能地板輻射采暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用會減少50%，且在該裝置的作用下還能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度控制在18℃～22℃。②太陽能相變地板輻射采暖系統(tǒng)。太陽能的使用對天氣變化有著較高的要求，將這類材料和建筑施工常用材料配合使用的時候會提升資源利用率。比如在實(shí)際實(shí)施操作的時候，整合了太陽能資源的相變地板輻射采暖系統(tǒng)能夠有效提高各個資源的利用率，根據(jù)外界環(huán)境的變化來調(diào)節(jié)材料的使用，將光熱系統(tǒng)中產(chǎn)生的中低溫?zé)崛谌氲叫钅艿匕逯杏上嘧儾牧辖M合形成的盤管，在這個期間通過對流換熱或者熱輻射的方式來完成供暖。

5 結(jié)束語

工程實(shí)例證明，相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的儲能效果理想，在提升房屋建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性的同時還可以降低設(shè)備的使用損耗。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，相變材料在建筑工程中的應(yīng)用形式十分多樣，既能夠和建筑墻體、地板、吊頂主體結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起使用，又能夠以熱構(gòu)件的形式存在，為了發(fā)揮出相變材料的作用，需要相關(guān)人員根據(jù)房屋建筑的設(shè)計需求來選擇適合的結(jié)合方式，從而更好地發(fā)揮出相變材料在降低建筑能耗和提升房屋建筑舒適度中的作用。

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