建筑节能中相变材料的运用(2)

　　2.1.2削峰填谷削峰填谷主要是指将电力高峰负荷的用户需求转移到电力低谷负荷时段。通过电控系统使PCM建材在非高峰期存储热能或冷能，而在高峰期间将其释放出来，是实现削峰填谷的主要途径。削峰填谷可在很大程度上缓解建筑能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，对加强电力需求侧管理以实现建筑节能具有重大意义。闫全英等[30]

　　往复合辐射供暖板的硅钙板结构层中添加石蜡基PCM,大大提升了该地板的储热能力，经数值模拟分析发现用该地板构建的供暖系统不仅能节约电费，而 且还可以 起削峰填谷 作用。

　　Jin X等[42]将熔融温度分别为38℃和18℃的PCM材料串联，依次作为供热 与制 冷层，获得了具 有削峰填谷 功 能 的 双 层PCM地板：当PCM熔融焓均为150kJ/kg时，该双层PCM地板在高峰期供热或制冷所放吸的能量分别比同质无PCM地板高41.1%和37.9%.

　　2.2 PCM在建筑中的节能方式

　　2.2.1被动式节能被动式节能是指建筑物本身通过各种自然的方式来收集和储存能量，使之与其周围的环境形成能量自循环系统，而不需要耗能设备支持即能充分利用自然资源，进而可明显减少传统能耗，在现代建筑设计中往往被优先考虑[43].被动式建筑系统最大的不足就是容易过热或过冷，用PCM建材完全或部分替代传统建材，可显着降低被动式建筑系统的过热或过冷的年小时数，从而改善人居舒适度，并利于节能减排。

　　Sage-Lauck J S等[44]用仪表监控并研究一栋两层复式公寓的室内环境质量指标和建筑能源使用状况，该复式公寓呈镜像平分为两个单元，其中一个单元安装有130kg的PCM,另一单元则没有；经观测数据分析和计算模拟评估，他们发现安装PCM能将公寓全年的过热小时数减少1/2,极大改善了舒适性。Castell A等[45]用石蜡填充的PCM砖构建被动式建筑节能系统，经比较研究发现，PCM砖较普通砖具有更好的储热能力，能缓冲温度变化，减少主动供能干预，从而在单个夏季可节省15%的电耗，每年则会削减1~1.5kg/m2的CO2排量。

　　2.2.2主动式节能主动式节能是指利用各种机动设备组成主动系统来收集、转化和储存能量，以充分利用太阳能、风能、水能、生物能等可再生 能源，同时 提高传 统能 源的 使 用 效 率[43].利 用PCM良好的储热与散热性能，构建主动式加热、通风及空调系统，尤其适用于建筑节能[46].由于被动式和主动式节能方法相辅相成、密切联系、难以界分，所以已被研究的主动式节能系统几乎都是兼有被动式和主动式节能机制。将两种节能机制联用的潜在益处还在于既能提高节能效率，又可削减机动设备成本。李建等[47]设计了一种电加热相变地板供暖系统，自下而上由保温层、电加热层、石蜡-石膏相变层和覆盖层组成，集被动式和主动式节能机制于一体；该系统储热能力好，可平缓室内气温变化，能改善人居舒适度，且比普通地板供暖系统更省电。

　　Belmonte J F等[48]用石蜡基PCM复合的地板、天花板，搭建了兼有水力辐射制冷系统和空气热回收系统的模型房屋，并对其建筑能耗做了模拟研究，结果表明使用PCM可使模型房屋对制冷需求减少了50%以上。

　　2.3 PCM在建筑节能中的应用形式将PCM与传统建材复合成PCM建材后，再用于建造建筑，是PCM在建筑节能中的主要应用形式；常用复合方法有[13]:（1）直接加入法，将PCM与水泥、石膏、砂浆和混凝土等直接混合；（2）浸渗法，将混凝土、砖块和墙板等浸泡在液相PCM中，通过毛细管作用吸收PCM;（3）封装法，包括吸附封装和微胶囊封装，吸附封装是以吸附和浸渍的方式将PCM吸附到膨润土、膨胀石墨、膨胀珍珠岩等多孔材料中，制备成颗粒型PCM建材；微胶囊封装则是往粒径为1~1000μm的颗粒PCM表面包覆一层天然或人工合成的高分子薄膜，然后再将微胶囊PCM掺入、吸附或填充于传统建材中。

　　2.3.1 PCM流体PCM流体主要由PCM颗粒和传热流体组成，可以相变微胶囊浆液或相变乳液形式存在；它为潜热功能流体，具有两相热转换，在相变温度范围内较传统单相的热流体具有更大表观比热，并且PCM流体还会显着增大流体与管壁之间的传热速率，减少泵的质量流率和能量消耗。因此，PCM流体在加热、通风、空调、制冷和热交换等方面具有许多潜在的重要应用[49].已工程化应用的PCM流体主要有3类：（1）相变浆液，其相变元件是微胶囊或球状的定形PCM,悬浮于传热流体中；（2）可熔乳液，用表面活性剂将PCM悬浮分散于流体载体中；（3）冰浆[50].

　　2.3.2 PCM砂浆相对于普通砂浆，PCM砂浆往往具有更好的调温、保温和隔热性能，更高的抗压强度和碳化深度。柯倩倩等[51]用改性硅酸钙粉末包覆的石蜡/膨胀珍珠岩PCM,与水泥砂浆复合获得了PCM砂浆，该PCM砂浆具有良好的调温性能，可以降低室温波动和减小最大温度值，并且PCM掺量越大，调温效果越明显。

　　VentolàL等[52]掺用5%~15%石蜡基PCM改善了石灰砂浆的综合性能：相变焓增高了14.35~27.15kJ/kg,抗压强度提升近2倍，碳化深度则升高超2倍。聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、叔碳酸乙烯酯、乙烯基共聚物等与传统砂浆相容性好，若以这些聚合物作为PCM的微胶囊壁材，还可以改善砂浆的粘合性、抗裂性及韧性[12].然而，所掺的PCM若为可燃物或含有可燃包覆层，PCM砂浆的阻燃性能将会下降，故此时掺量不宜过大，例如商用GR27PCM的掺量高于25%时 较 易 燃，所 得PCM砂 浆 只 适 用 于 低 级 防 火 场合[53].

　　2.3.3 PCM混凝土PCM混凝土的储热、散热与调温性能好，应用范围广，已受到20多年的高度关注[54].朱祥等[55]以稻秆、水玻璃胶和Na2SO4·10H2O为原料，经浸渍-模压法，制备了PCM板，再将该板插入带有槽型孔的混凝土砖中，得到PCM组合混凝土砖；经测试发现将预制的PCM板与混凝土多孔砖组合，能改善原混凝土砖的保温性能，但是效果不显着，主要是因为这种简单方式的组合，一则无法达成PCM混凝土结构均一，易引发受热与传导的不均，二则PCM于混凝土的负载量受限，结果 其储能 效 果 欠 佳。填 充 式 组 合 能 有 效 提 高PCM在混凝土中的负载量，因此更利于改善混凝土的保温性能。

　　Karim L等[34]在100℃以上，将石蜡、13~15碳烷烃和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物作物理共混与包封处理，得相变温度为27℃、熔融焓为110kJ/kg的石蜡基PCM;再将该石蜡基PCM填入混凝土空心地板（方形，28cm×28cm×3.75cm）的孔穴（圆柱形，直径2.5cm,深28cm）中，制得能够较好地缓冲温度变化的PCM混凝土板，该板适用作轻质保温建材。采用多孔材料吸收液体PCM,先制成相变骨料，再将骨料与普通混凝土复合，则更有利于克服结构不均的问题，从而益于获得储能效果更好的PCM混凝土。

　　张东等[56]将吸附硬脂酸丁酯的超轻膨胀粘土陶粒作相变骨料，研制出储能功能与商业相变材料相当的PCM混凝土，能较好满足实用要求。当然，选用多孔材料制作相变骨料时，一定要注意其结构特征对PCM吸附量的影响，因为由其衍生的PCM混凝土的储能效果会随PCM体积分数的增加而呈指数形式增加[56].

　　与PCM砂浆类似，引入PCM可能会劣化混凝土力学强度、长期稳定性和阻燃性能等；若原料及方法选用得当，这些劣化影响均可降至最低或消除[57].李宗津等[58]选用硅藻土作相变细骨料，研发石蜡相变水泥基复合材料，经测试发现该材料的综合力学性能不仅大大好于普通混凝土，而且也明显优于经聚乙烯醇纤维强化的同类水泥基复合材料，主要归因于硅藻土具有火山灰活性，用其所制的含石蜡骨料与水泥具有很好的相容性；又由于采用细骨料，复合体结构的均匀性被明显改善，所以该材料还具有储能效果好和保温性能高等优点。

　　Lecompte T等[59]则以17~20μm粒径的十八烷为PCM,选取细颗粒的水泥、砂和砾石等作原料，采用先干粒料预混、再加入高效减水剂、后低速掺混PCM的三步工艺制备了PCM混凝土，经测试发现该PCM混凝土的保温性能和力学强度均很好，这主要受益于严格选料及采用三步混合工艺。

　　2.3.4 PCM砖在制备免烧砖时直接掺入PCM,或将PCM填入多孔烧结砖的孔穴内，即可获得PCM砖。掺混型PCM砖具有制备工艺简单，热性能易调节等优点，但是力学强度欠佳。填充型PCM砖含有烧结砖体，可保持良好力学强度，但是，PCM类型、填充量及填充位置均会影响其热性能[60].Alawadhi EM等[61]将烷烃基PCM填入普通圆孔砖，研究了PCM类型、填充量及填充位置对所得PCM砖热性能的影响，结果发现：正二十烷PCM的热性能优于石蜡P116和正十八烷PCM;PCM砖调节室温能力随着PCM填充量的增加而变强；PCM填充于砖的中心线位置，既能保持砖的强度，又会赋予PCM砖较好的热效能，可使室内热通量较无PCM填充时减少17.55%.

　　2.3.5 PCM石膏在等同的热环境条件下，PCM石膏墙板比普通石膏墙板具有更强的蓄放热与调温能力，在内隔墙、内墙贴面、天花板和外围护结构等有着广泛的保温节能应用价值[62,63].李鸿锦等[64]基于焓法数值模型，利用Fluent软件模拟研究了月桂酸-癸酸基PCM石膏板于夏热冬冷地区的隔热性能与节能 效 益，结 果 表 明，该PCM石 膏 板 的 潜 热 利 用 率 为38.7%,其所构成的墙体比普通墙体约节能27.6%.随着PCM复合量的增加，PCM石膏建材的节能效率通常会变大，但是其力学强度、热稳定性反随之下降，因此，PCM复合量不宜过高[65,66].曾令可等[67]先采用溶胶-凝胶法制备脂肪酸/二氧化硅PCM,再将之与半水石膏粉和硅藻土等复合，制备了PCM石膏板，该板在PCM用量为15%时具有较好的综合性能。

　　2.3.6 PCM陶瓷黎涛等[68]以石蜡为芯材，水性环氧树脂为壁材，通过化学聚合法先制得PCM胶囊，再将该胶囊填充空心陶瓷板的内夹层，经测试发现，引入PCM胶囊后，陶瓷板变得具有调温性能，在吸热与放热过程的最大调温值分别为3.7 ℃和3℃。

　　Pitie F等[69]则用SiC封装硝酸盐，制备了微尺寸PCM陶瓷，该陶瓷具有高温相变、比表面积大和热转换效率高等特点。

　　2.3.7 PCM涂料PCM涂料通常都是由微胶囊PCM与传统涂料掺混而成，具有吸/放热及保温功能[70].于建香等[71]通过溶剂挥发法，用聚甲基丙烯酸甲酯包覆CaCl2·6H2O,先制得微胶囊PCM,再掺之到内墙涂料，制得自调温PCM涂料；该涂料的相变焓随着微胶囊PCM质量分数的增加而增大，但是以质量分数为15%时漆膜的综合性能为最好。杨保平等[72]采用界面聚合法，以2,4-甲苯二异氰酸酯与四乙烯五胺的反应物为壁材包覆硬脂酸丁酯，制得聚脲微胶囊PCM,再将之作为填料加到防锈涂料中，获得自调温PCM防锈涂料。

　　Tan S J等[35]则是将石蜡和高密度聚乙烯于120 ℃均匀共混1h,获得类似微胶囊化的PCM,再将其与聚氨酯复配制成自调温PCM涂料，当微胶囊PCM复配达40%时，所得PCM涂料具有较好的粘接强度和抗热震性能。

　　3 结语

　　全球建筑能源消费增长快速惊人，建筑节能已是能源安全与可持续发展的重要环节。基于PCM的相变储热技术，能方便需求侧管理，益于能源高效利用，利于节能减排，是理想的建筑节能方法。相变温度合适、相变潜热高和价格低廉通常是选择PCM的首要因素。多数PCM都具有局部性能缺陷，可采取特定技术措施加以克服。通过物理组合、物理共混、化学改性、微胶囊包封或纳米复合等技术强化PCM导热性，是PCM研究的重点。

　　PCM应用于建筑节能已有近40年的历史，主要经历了可行性筛选、复合工艺完善和制品实用化3大阶段[73];至今已在自然能源利用、废热回收、智能温控和工程保温等方面得到良好应用[33].先将PCM吸收或封装，再将之与传统建材复合，是制备PCM建材的主要方法。目前，已有PCM流体、PCM砂浆、PCM混凝土、PCM砖、PCM石膏、PCM陶瓷和PCM涂料等PCM建材出现，它们都具有调温性能，已被广泛地应用于地板、墙壁和屋顶等建筑部分中，在节能中主要起免费供冷和削峰填谷作用，可采取主动式节能、被动式节能或者两种方式兼有。

　　研发新技术克服PCM局部性能缺陷，发展绿色、阻燃及智能PCM建材将是本领域未来发展的主要方向。由于生产PCM建材的耗能高于传统建材，所以在生命周期内深入考察PCM的节能功效、评价其环境影响，也会是该领域今后发展的重点方向[74].