相变材料应用于建筑围护结构中定型封装方法研究进展

　　摘要：相变储能技术已成为可再生能源利用领域的研究热点，将相变材料与建筑围护结构相结合能有效的储存和利用太阳能，对实现建筑节能和环境保护都具有十分重要的意义。基于国内外学者在相变材料应用于建筑被动式储能系统中的研究，文章归纳了相变材料的不同定型封装方法及其优缺点，分析了影响相变材料储放热性能的因素，讨论了相变材料应用于建筑围护结构中的设计规则，并对不同定型封装形式的研究方向进行了展望，期望对日后的相关工作提供帮助。

　　关键词：相变材料，复合材料，围护结构，定型封装，建筑节能

　　能源被视为人类赖以生存和发展的基础，在过去几十年里，总能源消耗不断上升。据统计，我国建筑能耗约占社会总能耗的21.10%[1]，其中用于室内环境控制（供暖、制冷）所产生的能耗约占建筑能耗总量的一半以上，并且随着人们对室内环境舒适度的要求逐步提高，该比例也将持续增长。因此，实现建筑节能对经济社会发展和环境保护都具有十分重要的意义。

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　　1建筑领域相变材料应用概述

　　目前，用于建筑节能领域的相变材料主要是固-液相变材料，根据其化学成分可分为无机相变材料[2]、有机相变材料[3]和多元复合相变材料[4]。无机相变材料中应用最广泛的是水合盐类材料，其具有相变温度适中、相变潜热高、便宜易得等优点，但由于具有一定的过冷与相分离问题，以及对建筑材料具有腐蚀性或有吸潮性而大大减小了其应用范围。有机相变材料具有储能密度高、腐蚀性小、性能稳定，无相分离和过冷等优点，是储能性能稳定的环境友好型材料，成为目前蓄能技术领域的主流材料之一[5]，但是还存在着导热系数低、易燃等问题有待解决。多元复合相变材料为两种或两种以上有机或无机材料的组合，其最大优势在于可以调整各部分的质量分数来改变混合物的相变温度、相变潜热等热物性参数，克服单一相变材料的自身缺陷，从而扩宽相变材料的应用范围，满足不同的实际工程应用需求，因此成为当前研究的热点。

　　2相变材料定型封装方法

　　2.1直接混合法

　　直接混合法是指将水泥、石膏、砂浆、混凝土等传统建筑材料与相变材料直接进行拌合或者将成型的建筑构件浸渍在液态相变材料中制备而成。这种方法工艺简便，经济成本较低，易于做成不同形状大小的部件，是将相变材料与建筑材料结合方式中最简单易行的一种方式。早在20世纪90年代，已有国外学者对PCM掺入到建筑材料的应用性能做出了研究，制备出了相变储能石膏板[8]，其蓄热及散热能力比普通石膏板增加了10倍，可有效提高建筑围护结构的热性能，延缓室内温度波动[9]。

　　2.2宏封装法

　　宏封装法是将PCM封装到由金属、混凝土、聚合物塑料等构成的形状稳定的容器中，再加以利用的一种封装方式。宏封装外壳一般具有较强的机械稳定性，将建筑材料与相变材料以安全有效的方式分隔开来，能够有效的解决其泄露问题。宏封装形式多样，应用较为灵活，结合具体的应用场景，可对封装材料、封装尺寸、相变材料种类等进行调整以满足不同使用需求。不同的宏封装形式相继被研究人员所开发，如表1所示，目前主要的封装形式有板形封装、球形封装、管形封装及块状封装等。

　　3设计与应用研究

　　目前众多研究人员已经针对不同因素对于相变材料的储放热性能及节能潜力的影响展开了实验以及数值模拟研究，然而通常需要对问题进行简化，如假定的室外环境条件过于理想，很少使用完整的气象信息（太阳辐射，外部温度和风速等）作为输入，以及忽略实际情况下室内人员、设备等所产生的热负荷等。往往这些因素之间的相关性和反相关性可能会严重影响结果，导致研究所得出相变材料的最优设计参数值仅适用于某个地域或者某种特定的围护结构类型。但总的来说，将相变材料应用于建筑围护结构时通常需要考虑相变材料热物性与气候环境的匹配，以及应用方式的最优化设计两个方面。

　　3.1相变材料热物性与气候环境的匹配

　　相变材料在建筑围护结构中的应用性能受到多方面因素的影响，其中，相变材料的热物性，特别是相变潜热和相变温度对于材料的储放热效果有着重要的影响，导致对室内温差变化的程度也不同。Ye等[64]发现建筑物朝向以及气候区域的变化会影响相变材料的相变过程，从而对室内温度产生一定的影响。在不同气候区，相变材料的最佳相变温度随室外太阳平均气温的升高而增加[65]。Zhong等[66]研究了填充有石蜡的中空玻璃在南京的应用效果，结果表明通过增大相变材料的潜热值以及减小液相和固相之间的温差可以改善相变窗的热性能，但是相变温度的选定需与环境温度相匹配，过高或者过低相变温度容易导致内表面温度波动增大，不利于提高相变窗的隔热。因此，选用合适的相变热物性能够使相变材料的性能发挥出最大效益。

　　3.2应用方式的最优化设计

　　相变材料应用方式的设计主要包括对相变材料的封装形式、掺入比例、分布位置等的设计。相变材料封装形式的选择需要结合应用场景及围护结构的类型，在保证对围护结构的力学性能影响最小的条件下进行。

　　4结语

　　相变材料在建筑节能领域具有广阔的应用前景，但截至目前还没有公认成型的设计规范可供参考，因而在未来还需加强以下几个方面的研究：

　　（1）针对宏封装，可进一步研究相变材料在宏封装中的热传递问题，优化封装结构，如对复杂不规则封装形状等因素对于相变材料储放热性能的影响进行实验及模拟探究，提高相变材料的利用率。

　　（2）针对多孔材料吸附封装，寻求孔隙率高且化学性质稳定的新型多孔吸附材料，提高其热稳定性和耐用性，优化二次封装材料的密封性和导热性，延长其使用寿命并达到无泄漏。

　　参考文献

　　[1]建筑节能协会能耗统计专委会.2019建筑能耗研究报告[J].建筑,2020(7):30-39.

　　[2]房满庭,章学来,纪珺,等.水合盐复合相变材料的研究进展[J].储能科学与技术,2019,8(4):709-717.

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

　　伏舜宇1,2杨英英1,2武卫东1,2

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