论文部分内容阅读
【摘 要】本文首先指出了相变建筑材料的发展现状，继而探讨了相变建筑材料的发展应用，旨在促进该种材料在建筑领域的进一步应用。
【关键词】相变建筑材料；发展现状；应用
Status of construction materials development and application analysis phase change
Li Jing
（Hebei Lude Jin Garden Green Engineering Company Limited Handan Hebei 056000）
【Abstract】This article first pointed out the development status of the phase change building materials， and then discusses the development and application of phase change building materials， aimed at promoting the further application of this material in the construction field.
【Key words】Phase change building materials；Development status；Application
近些年来，相变材料（PCM）的开发和利用受到了人们的普遍关注。相变材料具有物相变化特性，在物相变化过程中能吸热或者放热，从而实现能量储存或者释放的效果。采取一定的技术手段将相变材料和常规建筑材料复合在一起，便会得到一种新型储能建筑材料（PCBM），不仅保留了原有建材的优点，还继承了相变物质的优点。当存储相同热量时，相变建筑材料体积远远小于普通建筑材料的体积。另外，相变建筑材料对温度变化较为敏感，能根据室内温度变化进行能量的存储或者释放，大幅提高了室内环境的舒适度。[1]相变建筑材料的应用还处于起步阶段，有着非常广阔的市场前景。相关专家表示，如果将相变建筑材料广泛应用于房屋建筑中，那么可减少百分之五十用于加热或者制冷的电力消耗。
1 相变建筑材料的发展现状
1.1 相变建筑材料的发展历程。
1.1.1 相变材料应用于建筑材料始于1980年。近些年来，相变材料和相关建筑材料（如石膏板等）的结合更为深入，大大提高了建筑结构的热能存贮效果。上世纪80年代，相关研究人员对相变材料（无机物和有机物）进行了严格的筛选工作。
1.1.2 早期研究重点放在了无机水合盐这一领域，如Na2SO4·10H2O 和CaCl2·6H2O，这两种材料尽管熔点合适、潜热较大、价格便宜，但存在“过冷”、“析出”、腐蚀以及吸潮等弊端而被排除。接着，人们将研究视线转移到了低挥发性无水有机物这一领域，如聚乙二醇、脂肪酸以及石蜡衍生物等[2]。该类材料在物理化学性能方面较为稳定，再加上良好的热行为以及可调的相变温度，因而具有一定的开发潜力。
1.1.3 最近几年，国内外开始致力于有机相变建筑材料的研究，包括石蜡烃、脂肪酸以及多元醇类等。正烷烃的熔点和人体舒适温度较为接近，相变焓大，缺点是价格贵，且会造成建材表面结霜；脂肪酸价格便宜，相变焓小，单独使用时，对量的需求很大；多元醇不仅具有固定相变温度，还具有固定相变焓，缺点是价格偏高。
1.1.4 为了解决单一相变材料存在的问题，人们对二元及多元相变体系展开了进一步的研究。
1.1.4.1 目前，主要存在两种复合方式：（1）将正烷烃与脂肪酸类、多元醇类相变材料混合，从而实现以更低成本获得效果更好的复合相变材料。（2）将两种或三种多元醇进行一定比例的混合，最终形成“共融合金”，以实现对相变温度或者相变焓的有效调节[3]。
1.1.4.2 相变材料混合物的研发和应用，极大地推动了相变建筑材料的发展，主要表现在以下几个方面：（1）在选用相变材料时，有效克服了纯物质熔点的限制问题，拓宽了筛选范围，人们可以选择两种或者两种以上、具有不同熔点的纯物质去制作所需要的相变材料混合物，从而降低了制造费用。（2）由于组元的不同以及成分的可改特性，为相变温度的可连续调整奠定了基础。（3）应注意组元的适当选取，使混合物部分或者全部继承某些组元的优点，如对烷烃和醋类进行有机混合，一方面有助于相变潜热的保留，另一方面有助于表面结霜的抑制。
1.2 相变建筑材料的应用。 在建筑领域，如何高效应用相变材料是一个值得深入研究的课题。为使相变建筑材料达到最佳节能的要求，应结合相关因素（包括建筑构造、气候环境以及使用目的等），对相变建筑材料以及换热方式进行科学布置[4]。
1.2.1 相变材料和混凝土结合。 用于构筑建筑墙体在建筑节能领域，相变储能混凝土在热容方面远远优于普通混凝土。将相变储能混凝土用作外墙体材料，有助于保持室内温度的稳定，改善室内热舒适性，同时达到节能的目的。在上世纪70年代，Chahroudi等人就以芒硝等无机相变材料，并通过直接浸泡法制备了相变储能混凝土，值得一提的是，该类相变材料将会对混凝土基体产生一定的腐蚀作用。张东等人对相变混凝土的制备方法和热性能进行了深入的研究。他们采用“两步法”，即先制备定形相变材料——骨料，然后再采用相变储能骨料，用普通混凝土的制备技术配制了相变储能混凝土。所得到的相变储能混凝土在储热效果方面远远好于一般混凝土。Kuznik等人用数值模拟方式研究一种含新型相变材料的墙体的热性能，试验显示，相同气候条件下与不含相变材料墙体相比，含相变材料的墙能够有效控制室内温度波动，当天气过热时，效果的更加。研究显示，利用以下方法可将相变材料有效地包容于混凝土中：（1）将相变材料吸入多孔材料。（2）将相变材料吸入超细的特殊SiO2材料中。（3）将相变材料渗入聚合物载体中[5]。 1.2.2 相变材料和室内轻质围护材料结合。 在建筑围护结构中，引入相变储能技术，一方面能够大幅提高室内环境的热舒适性，另一方面能够有效降低空调系统的相关消耗（包括投资及能耗）。这对于建筑节能技术发展和应用而言，具有非常重要的现实意义。将相变材料和水泥石膏或者高分子聚合物有机的复合在一起，能够制成轻质板材或者浆料。在墙板、地板以及天花板的施工中，如果采用上述轻质板材，并结合适当的换热方式，那么将会获得良好的节能及蓄热效果。Dariusz Heim等人做过如下试验：在被动式太阳能房间中，分别采用各种相变石膏板，然后对各自的热性能以及储热效果进行数值测试。试验结果显示，相变石膏板的应用能够实现对太阳能的充分利用，理想条件下，甚至能够节省百分之九十的采暖费用。德国弗赖堡夫琅费太阳能系研究所研制出了一种具有冬暖夏凉效果的内墙砂浆，其原理是在水泥中掺入一定数量的、装有石蜡的微胶囊，如此一来，30mm厚的这种砂浆墙体在热容量方面可媲美400mm厚的水泥墙体。
1.2.3 相变材料和纤维等软质材料相结合。 将相变材料和纤维等软质材料有机的结合在一起，所制成的建筑材料通常具有良好的保温隔热效果，这正是当今高效节能理念所要求的。将相变材料和纤维复合，并用于调温壁纸以及百叶窗的制作，能够大幅降低窗户的热流损失，从而维持室内温度的恒定。B.Pause等人对两种窗帘（一种含有相变材料，另外一种不含相变材料）进行了深入的对比研究，以揭示二者在热流损失上的差异。用于试验的且含有相变材料的窗帘是一种三层织物，其中间一层为填充有相变材料的泡沫层。该种窗帘能够利用相变材料实现对吸热、散热的有效调节，能够明显降低热流量损失，最高可达百分之三十[6]。美国专家曾研制成功一种调温壁纸，当室温高于21°C时，将发生吸热作用，当室温低于21°C时，将发生放热作用。该种调温壁纸通常被设计成三层。（1）靠墙的里层采用绝缘材料，将冰冷的墙体有效隔离开来。（2）中间层属于调节层，含有相变材料成分，能发挥吸湿、蓄热的功能。（3）外层应美观大方，适合装饰图案的印刷。
2. 相变建筑材料的发展策略
未来，相变建筑材料的发展策略可参考以下几点：（1）针对不同的室内外环境特点，开发出具有合适相变温度与相变焓、在长期使用过程中物理化学性能稳定、性价比较高的适合用于建筑节能的相变材料。研究改善相变材料的导热性能，提高其相变速率的方法。（2）研究相变材料与普通建筑材料的结合方式。研究掺入相变材料后，相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热传热机械及防火特性。（3）在不同热（冷）源形式的供暖、空调系统中，针对不同的使用条件（包括气象条件），开展带相变建筑节能材料建筑传热过程的数值模拟研究和与模拟研究对应的实验研究[7]。
3. 结语
相变建筑材料是一种有别于普通建材的新型建筑功能材料。该类建材的应用，能够大幅降低建筑能耗，因而具有广阔的应用前景。随着世界能源的日益紧张，人们越来越关注建筑节能问题，在这种背景下，相变建筑材料将会迎来新一轮的研究热潮，获得更进一步的发展。
参考文献
[1] 张巨松，金亮，吴晓丹.相变材料发展及在建筑节能工程中的应用[J]. 辽宁建材.2010（02）.
[2] 赵杰，唐炳涛，张淑芬，王云明.有机相变储能材料研究进展[J]. 中国科技论文在线.2010（09）.
[3] 陈美祝，郑少平，吴少鹏，徐光霁.月桂酸/有机蒙脱土复合相变材料实验研究[J]. 武汉理工大学学报.2010（18）.
[4] 姜葱葱，高子栋，李国忠.相变建筑节能材料的制备及性能研究[J]. 墙材革新与建筑节能.2011（04）.
[5] 陈宝春.节能型相变储能建筑材料研究综述[J].科技信息.2011（12）.
[6] 孙继志.相变材料在建筑结构中的应用[J].中国新技术新产品.2011（13）.
[7] 李翠敏，赵加宁.有机相变材料在建筑节能领域的应用研究[J].暖通空调.2011（09）.
【关键词】相变建筑材料；发展现状；应用
Status of construction materials development and application analysis phase change
Li Jing
（Hebei Lude Jin Garden Green Engineering Company Limited Handan Hebei 056000）
【Abstract】This article first pointed out the development status of the phase change building materials， and then discusses the development and application of phase change building materials， aimed at promoting the further application of this material in the construction field.
【Key words】Phase change building materials；Development status；Application
近些年来，相变材料（PCM）的开发和利用受到了人们的普遍关注。相变材料具有物相变化特性，在物相变化过程中能吸热或者放热，从而实现能量储存或者释放的效果。采取一定的技术手段将相变材料和常规建筑材料复合在一起，便会得到一种新型储能建筑材料（PCBM），不仅保留了原有建材的优点，还继承了相变物质的优点。当存储相同热量时，相变建筑材料体积远远小于普通建筑材料的体积。另外，相变建筑材料对温度变化较为敏感，能根据室内温度变化进行能量的存储或者释放，大幅提高了室内环境的舒适度。[1]相变建筑材料的应用还处于起步阶段，有着非常广阔的市场前景。相关专家表示，如果将相变建筑材料广泛应用于房屋建筑中，那么可减少百分之五十用于加热或者制冷的电力消耗。
1 相变建筑材料的发展现状
1.1 相变建筑材料的发展历程。
1.1.1 相变材料应用于建筑材料始于1980年。近些年来，相变材料和相关建筑材料（如石膏板等）的结合更为深入，大大提高了建筑结构的热能存贮效果。上世纪80年代，相关研究人员对相变材料（无机物和有机物）进行了严格的筛选工作。
1.1.2 早期研究重点放在了无机水合盐这一领域，如Na2SO4·10H2O 和CaCl2·6H2O，这两种材料尽管熔点合适、潜热较大、价格便宜，但存在“过冷”、“析出”、腐蚀以及吸潮等弊端而被排除。接着，人们将研究视线转移到了低挥发性无水有机物这一领域，如聚乙二醇、脂肪酸以及石蜡衍生物等[2]。该类材料在物理化学性能方面较为稳定，再加上良好的热行为以及可调的相变温度，因而具有一定的开发潜力。
1.1.3 最近几年，国内外开始致力于有机相变建筑材料的研究，包括石蜡烃、脂肪酸以及多元醇类等。正烷烃的熔点和人体舒适温度较为接近，相变焓大，缺点是价格贵，且会造成建材表面结霜；脂肪酸价格便宜，相变焓小，单独使用时，对量的需求很大；多元醇不仅具有固定相变温度，还具有固定相变焓，缺点是价格偏高。
1.1.4 为了解决单一相变材料存在的问题，人们对二元及多元相变体系展开了进一步的研究。
1.1.4.1 目前，主要存在两种复合方式：（1）将正烷烃与脂肪酸类、多元醇类相变材料混合，从而实现以更低成本获得效果更好的复合相变材料。（2）将两种或三种多元醇进行一定比例的混合，最终形成“共融合金”，以实现对相变温度或者相变焓的有效调节[3]。
1.1.4.2 相变材料混合物的研发和应用，极大地推动了相变建筑材料的发展，主要表现在以下几个方面：（1）在选用相变材料时，有效克服了纯物质熔点的限制问题，拓宽了筛选范围，人们可以选择两种或者两种以上、具有不同熔点的纯物质去制作所需要的相变材料混合物，从而降低了制造费用。（2）由于组元的不同以及成分的可改特性，为相变温度的可连续调整奠定了基础。（3）应注意组元的适当选取，使混合物部分或者全部继承某些组元的优点，如对烷烃和醋类进行有机混合，一方面有助于相变潜热的保留，另一方面有助于表面结霜的抑制。
1.2 相变建筑材料的应用。 在建筑领域，如何高效应用相变材料是一个值得深入研究的课题。为使相变建筑材料达到最佳节能的要求，应结合相关因素（包括建筑构造、气候环境以及使用目的等），对相变建筑材料以及换热方式进行科学布置[4]。
1.2.1 相变材料和混凝土结合。 用于构筑建筑墙体在建筑节能领域，相变储能混凝土在热容方面远远优于普通混凝土。将相变储能混凝土用作外墙体材料，有助于保持室内温度的稳定，改善室内热舒适性，同时达到节能的目的。在上世纪70年代，Chahroudi等人就以芒硝等无机相变材料，并通过直接浸泡法制备了相变储能混凝土，值得一提的是，该类相变材料将会对混凝土基体产生一定的腐蚀作用。张东等人对相变混凝土的制备方法和热性能进行了深入的研究。他们采用“两步法”，即先制备定形相变材料——骨料，然后再采用相变储能骨料，用普通混凝土的制备技术配制了相变储能混凝土。所得到的相变储能混凝土在储热效果方面远远好于一般混凝土。Kuznik等人用数值模拟方式研究一种含新型相变材料的墙体的热性能，试验显示，相同气候条件下与不含相变材料墙体相比，含相变材料的墙能够有效控制室内温度波动，当天气过热时，效果的更加。研究显示，利用以下方法可将相变材料有效地包容于混凝土中：（1）将相变材料吸入多孔材料。（2）将相变材料吸入超细的特殊SiO2材料中。（3）将相变材料渗入聚合物载体中[5]。 1.2.2 相变材料和室内轻质围护材料结合。 在建筑围护结构中，引入相变储能技术，一方面能够大幅提高室内环境的热舒适性，另一方面能够有效降低空调系统的相关消耗（包括投资及能耗）。这对于建筑节能技术发展和应用而言，具有非常重要的现实意义。将相变材料和水泥石膏或者高分子聚合物有机的复合在一起，能够制成轻质板材或者浆料。在墙板、地板以及天花板的施工中，如果采用上述轻质板材，并结合适当的换热方式，那么将会获得良好的节能及蓄热效果。Dariusz Heim等人做过如下试验：在被动式太阳能房间中，分别采用各种相变石膏板，然后对各自的热性能以及储热效果进行数值测试。试验结果显示，相变石膏板的应用能够实现对太阳能的充分利用，理想条件下，甚至能够节省百分之九十的采暖费用。德国弗赖堡夫琅费太阳能系研究所研制出了一种具有冬暖夏凉效果的内墙砂浆，其原理是在水泥中掺入一定数量的、装有石蜡的微胶囊，如此一来，30mm厚的这种砂浆墙体在热容量方面可媲美400mm厚的水泥墙体。
1.2.3 相变材料和纤维等软质材料相结合。 将相变材料和纤维等软质材料有机的结合在一起，所制成的建筑材料通常具有良好的保温隔热效果，这正是当今高效节能理念所要求的。将相变材料和纤维复合，并用于调温壁纸以及百叶窗的制作，能够大幅降低窗户的热流损失，从而维持室内温度的恒定。B.Pause等人对两种窗帘（一种含有相变材料，另外一种不含相变材料）进行了深入的对比研究，以揭示二者在热流损失上的差异。用于试验的且含有相变材料的窗帘是一种三层织物，其中间一层为填充有相变材料的泡沫层。该种窗帘能够利用相变材料实现对吸热、散热的有效调节，能够明显降低热流量损失，最高可达百分之三十[6]。美国专家曾研制成功一种调温壁纸，当室温高于21°C时，将发生吸热作用，当室温低于21°C时，将发生放热作用。该种调温壁纸通常被设计成三层。（1）靠墙的里层采用绝缘材料，将冰冷的墙体有效隔离开来。（2）中间层属于调节层，含有相变材料成分，能发挥吸湿、蓄热的功能。（3）外层应美观大方，适合装饰图案的印刷。
2. 相变建筑材料的发展策略
未来，相变建筑材料的发展策略可参考以下几点：（1）针对不同的室内外环境特点，开发出具有合适相变温度与相变焓、在长期使用过程中物理化学性能稳定、性价比较高的适合用于建筑节能的相变材料。研究改善相变材料的导热性能，提高其相变速率的方法。（2）研究相变材料与普通建筑材料的结合方式。研究掺入相变材料后，相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热传热机械及防火特性。（3）在不同热（冷）源形式的供暖、空调系统中，针对不同的使用条件（包括气象条件），开展带相变建筑节能材料建筑传热过程的数值模拟研究和与模拟研究对应的实验研究[7]。
3. 结语
相变建筑材料是一种有别于普通建材的新型建筑功能材料。该类建材的应用，能够大幅降低建筑能耗，因而具有广阔的应用前景。随着世界能源的日益紧张，人们越来越关注建筑节能问题，在这种背景下，相变建筑材料将会迎来新一轮的研究热潮，获得更进一步的发展。
参考文献
[1] 张巨松，金亮，吴晓丹.相变材料发展及在建筑节能工程中的应用[J]. 辽宁建材.2010（02）.
[2] 赵杰，唐炳涛，张淑芬，王云明.有机相变储能材料研究进展[J]. 中国科技论文在线.2010（09）.
[3] 陈美祝，郑少平，吴少鹏，徐光霁.月桂酸/有机蒙脱土复合相变材料实验研究[J]. 武汉理工大学学报.2010（18）.
[4] 姜葱葱，高子栋，李国忠.相变建筑节能材料的制备及性能研究[J]. 墙材革新与建筑节能.2011（04）.
[5] 陈宝春.节能型相变储能建筑材料研究综述[J].科技信息.2011（12）.
[6] 孙继志.相变材料在建筑结构中的应用[J].中国新技术新产品.2011（13）.
[7] 李翠敏，赵加宁.有机相变材料在建筑节能领域的应用研究[J].暖通空调.2011（09）.