相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中定型封裝方法研究進(jìn)展

　　摘要：相變儲(chǔ)能技術(shù)已成為可再生能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合能有效的儲(chǔ)存和利用太陽(yáng)能，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的意義?；趪?guó)內(nèi)外學(xué)者在相變材料應(yīng)用于建筑被動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)中的研究，文章歸納了相變材料的不同定型封裝方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，分析了影響相變材料儲(chǔ)放熱性能的因素，討論了相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)規(guī)則，并對(duì)不同定型封裝形式的研究方向進(jìn)行了展望，期望對(duì)日后的相關(guān)工作提供幫助。

　　關(guān)鍵詞：相變材料，復(fù)合材料，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，定型封裝，建筑節(jié)能

　　能源被視為人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，在過(guò)去幾十年里，總能源消耗不斷上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗約占社會(huì)總能耗的21.10%[1]，其中用于室內(nèi)環(huán)境控制（供暖、制冷）所產(chǎn)生的能耗約占建筑能耗總量的一半以上，并且隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求逐步提高，該比例也將持續(xù)增長(zhǎng)。因此，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的意義。

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　　1建筑領(lǐng)域相變材料應(yīng)用概述

　　目前，用于建筑節(jié)能領(lǐng)域的相變材料主要是固-液相變材料，根據(jù)其化學(xué)成分可分為無(wú)機(jī)相變材料[2]、有機(jī)相變材料[3]和多元復(fù)合相變材料[4]。無(wú)機(jī)相變材料中應(yīng)用最廣泛的是水合鹽類材料，其具有相變溫度適中、相變潛熱高、便宜易得等優(yōu)點(diǎn)，但由于具有一定的過(guò)冷與相分離問(wèn)題，以及對(duì)建筑材料具有腐蝕性或有吸潮性而大大減小了其應(yīng)用范圍。有機(jī)相變材料具有儲(chǔ)能密度高、腐蝕性小、性能穩(wěn)定，無(wú)相分離和過(guò)冷等優(yōu)點(diǎn)，是儲(chǔ)能性能穩(wěn)定的環(huán)境友好型材料，成為目前蓄能技術(shù)領(lǐng)域的主流材料之一[5]，但是還存在著導(dǎo)熱系數(shù)低、易燃等問(wèn)題有待解決。多元復(fù)合相變材料為兩種或兩種以上有機(jī)或無(wú)機(jī)材料的組合，其最大優(yōu)勢(shì)在于可以調(diào)整各部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)改變混合物的相變溫度、相變潛熱等熱物性參數(shù)，克服單一相變材料的自身缺陷，從而擴(kuò)寬相變材料的應(yīng)用范圍，滿足不同的實(shí)際工程應(yīng)用需求，因此成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

　　2相變材料定型封裝方法

　　2.1直接混合法

　　直接混合法是指將水泥、石膏、砂漿、混凝土等傳統(tǒng)建筑材料與相變材料直接進(jìn)行拌合或者將成型的建筑構(gòu)件浸漬在液態(tài)相變材料中制備而成。這種方法工藝簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)成本較低，易于做成不同形狀大小的部件，是將相變材料與建筑材料結(jié)合方式中最簡(jiǎn)單易行的一種方式。早在20世紀(jì)90年代，已有國(guó)外學(xué)者對(duì)PCM摻入到建筑材料的應(yīng)用性能做出了研究，制備出了相變儲(chǔ)能石膏板[8]，其蓄熱及散熱能力比普通石膏板增加了10倍，可有效提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能，延緩室內(nèi)溫度波動(dòng)[9]。

　　2.2宏封裝法

　　宏封裝法是將PCM封裝到由金屬、混凝土、聚合物塑料等構(gòu)成的形狀穩(wěn)定的容器中，再加以利用的一種封裝方式。宏封裝外殼一般具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，將建筑材料與相變材料以安全有效的方式分隔開(kāi)來(lái)，能夠有效的解決其泄露問(wèn)題。宏封裝形式多樣，應(yīng)用較為靈活，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，可對(duì)封裝材料、封裝尺寸、相變材料種類等進(jìn)行調(diào)整以滿足不同使用需求。不同的宏封裝形式相繼被研究人員所開(kāi)發(fā)，如表1所示，目前主要的封裝形式有板形封裝、球形封裝、管形封裝及塊狀封裝等。

　　3設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

　　目前眾多研究人員已經(jīng)針對(duì)不同因素對(duì)于相變材料的儲(chǔ)放熱性能及節(jié)能潛力的影響展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究，然而通常需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，如假定的室外環(huán)境條件過(guò)于理想，很少使用完整的氣象信息（太陽(yáng)輻射，外部溫度和風(fēng)速等）作為輸入，以及忽略實(shí)際情況下室內(nèi)人員、設(shè)備等所產(chǎn)生的熱負(fù)荷等。往往這些因素之間的相關(guān)性和反相關(guān)性可能會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)果，導(dǎo)致研究所得出相變材料的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)值僅適用于某個(gè)地域或者某種特定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型。但總的來(lái)說(shuō)，將相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)通常需要考慮相變材料熱物性與氣候環(huán)境的匹配，以及應(yīng)用方式的最優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

　　3.1相變材料熱物性與氣候環(huán)境的匹配

　　相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用性能受到多方面因素的影響，其中，相變材料的熱物性，特別是相變潛熱和相變溫度對(duì)于材料的儲(chǔ)放熱效果有著重要的影響，導(dǎo)致對(duì)室內(nèi)溫差變化的程度也不同。Ye等[64]發(fā)現(xiàn)建筑物朝向以及氣候區(qū)域的變化會(huì)影響相變材料的相變過(guò)程，從而對(duì)室內(nèi)溫度產(chǎn)生一定的影響。在不同氣候區(qū)，相變材料的最佳相變溫度隨室外太陽(yáng)平均氣溫的升高而增加[65]。Zhong等[66]研究了填充有石蠟的中空玻璃在南京的應(yīng)用效果，結(jié)果表明通過(guò)增大相變材料的潛熱值以及減小液相和固相之間的溫差可以改善相變窗的熱性能，但是相變溫度的選定需與環(huán)境溫度相匹配，過(guò)高或者過(guò)低相變溫度容易導(dǎo)致內(nèi)表面溫度波動(dòng)增大，不利于提高相變窗的隔熱。因此，選用合適的相變熱物性能夠使相變材料的性能發(fā)揮出最大效益。

　　3.2應(yīng)用方式的最優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　相變材料應(yīng)用方式的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)相變材料的封裝形式、摻入比例、分布位置等的設(shè)計(jì)。相變材料封裝形式的選擇需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型，在保證對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響最小的條件下進(jìn)行。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但截至目前還沒(méi)有公認(rèn)成型的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參考，因而在未來(lái)還需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：

　?。?）針對(duì)宏封裝，可進(jìn)一步研究相變材料在宏封裝中的熱傳遞問(wèn)題，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，如對(duì)復(fù)雜不規(guī)則封裝形狀等因素對(duì)于相變材料儲(chǔ)放熱性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及模擬探究，提高相變材料的利用率。

　?。?）針對(duì)多孔材料吸附封裝，尋求孔隙率高且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的新型多孔吸附材料，提高其熱穩(wěn)定性和耐用性，優(yōu)化二次封裝材料的密封性和導(dǎo)熱性，延長(zhǎng)其使用壽命并達(dá)到無(wú)泄漏。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗統(tǒng)計(jì)專委會(huì).2019建筑能耗研究報(bào)告[J].建筑,2020(7):30-39.

　　[2]房滿庭,章學(xué)來(lái),紀(jì)珺,等.水合鹽復(fù)合相變材料的研究進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2019,8(4):709-717.

　　[3]MagendranSS,KhanFSA,MubarakNM,etal.Synthesisoforganicphasechangematerials(PCM)forenergystorageapplications:Areview[J]

　　伏舜宇1,2楊英英1,2武衛(wèi)東1,2

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