相变材料的热性能测试方法及在建筑中的应用评价综述

曾博伦，柳 斌

（1 伊利诺伊大学芝加哥分校，利诺伊芝加哥美国60607；2 西藏农牧学院水利土木工程学院，中国西藏林芝860000）

在全球范围内，如美国等发达国家，建筑能耗占总能耗的39%，建筑物预防占40%～48%［1-2］。像中国这样的发展中国家也消耗了21% 的建筑能源［3］。采暖和空调是建筑能耗的主要组成部分［4］。建筑围护结构的换热是建筑负荷的重要来源。传统的建筑节能包括墙体节能、门窗节能和屋顶节能。建筑能耗的不断增加推动了节能技术的发展。随着温度的升高或降低，相变材料会改变状态，释放出大量的潜热。相变材料的相变温度范围较小，会吸收或释放大量的潜热。相变围护结构可以通过在建筑围护结构中添加相变材料来获得，具有以下优点：一方面可以增加围护结构的热容量，减弱室内空气温度波动，改善室内热环境；另一方面，与建筑供暖空调（A/C）系统相结合，可以在夜间利用廉价电力提供白天所需的全部或部分供热或供冷，缓解建筑供能时间与强度之间的矛盾，起到“移峰填谷”的作用，达到节能降耗的目的［5-6］。因此，相变围护结构在建筑节能领域的应用和改善室内热环境的研究受到越来越多的关注。同时关于相变材料的热性能测试技术手段也应运而生，并成为测试相变材料在建筑中热性能的主要方法［7］。相变材料在建筑中的应用将面临许多挑战，如相变材料的选择、包装技术、经济性、安全性，相变材料与建筑的兼容性、稳定性、耐久性，这些性能与相变材料热性能测试方法息息相关［4-9］。近年来，关于建筑用相变材料的种类、相变材料与建材的结合、相变材料在建筑围护结构和建筑设备中的应用形式，有大量的研究。本文对前人的相变材料热性能测试方法进行简单的综述，为相变围护结构实际应用的热评估方法提供参考。

1 PCM 热分析方法

热分析是利用热物性参数随温度变化而进行材料热性能分析的方法［10］。PCM 的热性能可以通过不同使用标准实现设计和优化，常常需要利用多种热分析方法对PCM 进行热物性分析。对于PCM 来说，其热物性参数有以下几种：当量比热容、有效导热系数、相变温度、相变潜热和焓温曲线等，通过适当的分析方法进行热物性参数的测定既有利于正确分析PCM 的蓄热能力，又可以为相变数值模拟提供可靠的数据支撑。PCM 的相变温度并不是一个确定的温度，而是一个温度范围，通常用焓温曲线更准确地描述PCM 的热性能。因此，建筑用PCM 热性能测试的关键是准确测定PCM 的焓温曲线。

1.1 差示扫描量热法

差示扫描量热法（DSC）由于其技术比较成熟，成为最常使用的最为典型的热分析方法，也常常用于PCM的热分析，可分热通量式和功率补偿式两种原理［11-12］。

早在20 世纪60 年代，DSC 就开始应用，通过程序控温的方式衡量试样和参比物的功率差与温度的关系，用来体现样品的吸放热特性［13］。在对PCM 的比热容进行测定时，常常使用动态线性模式和阶跃步进模式两种程序控温模式。DSC 仅适用于少量的均质PCM（15 mg以内），并且采用DSC 方法研究PCM 与建筑材料混合后的相变行为存在不可忽视的误差。该方法的误差还受到PCM 与建筑材料混合后取样均匀性的影响。但是DSC 依旧是研究PCM 的热性能的常用方法之一［14］。

1.2 T-history 法

由于DSC 测试结果受样品质量、几何形状和升降温速率的影响，研究人员开发了T-history 法来测量少量PCM（样品体积小于1 L）的热物性［15-16］。T-history 法的基本原理源于集总参数法，假设样品中的温度分布均匀，即毕渥数保持低于0.1［17］。在相同环境变化性参比物的变化可以用来研究PCM 的比热容、导热系数、相变温度和相变潜热等热物性参数。许多研究人员对T-history法进行了改进、优化，包括实验装置布置、数学评估的方法以及数据结果表达的形式等等［16］。从一定程度上来说，T-history 法与DSC 相比有很多可取之处，例如实验装置简单、相变过程可见、对非均匀PCM 同样适用等，但是该方法对样品量仍有较大限制，因此并不适用于相变建筑构件焓温曲线的测定［18-20］。

2 相变建筑构件热性能测试方法

传统的热分析方法对PCM 样品量有较大的限制，为了进一步研究相变储能型建筑构件的热性能，需要结合不同建筑构件的特点采用新型的热性能测试方法。

2.1 相变建筑构件

相变建筑构件是指将PCM 与建筑构件相结合所构成的建筑要素，非透明相变围护结构主要有相变墙体和相变墙板两种形式［21-22］。相变墙体是用添加PCM 的砌体（如砖块、混凝土砌体等）砌筑的墙体，其厚度大于相变墙板；在水泥砂浆或石膏中添加PCM 并做成板状的形式即为相变墙板。对于相变墙体而言，由于尺寸规模较大，一般采用热箱装置进行热物性测试；相变墙板相对而言体积较小，应用形式更灵活，可以采用防护热板装置进行热性能测试。

2.2 相变建筑构件测试装置

目前，相变建筑构件的热性能测试装置以非标实验装置为主，其中以热箱装置和防护热板装置最为典型［23］。首先是热箱装置，在GB/T 13475-2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》对热箱法的测定进行了详细说明，指出热箱装置对非均质试件、组合试件同样适用［24］。热箱装置中试件两端为温度可控的腔体，根据所测量的数据（墙体温度、腔体空气温度）可以计算出试件的传热性质。热箱测试系统具有较好的保温性能，进行测试时可以认为两舱体环境与受试墙体三者之间的传热是一维的，该实验台被验证具有良好的可靠性［25-26］。

防护热板装置在我国颁布的GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》和GB/T 10295-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》中提到，防护热板装置的基本原理是在均匀板状试件间建立一维均匀热流。美国测试和材料协会发布的标准ASTMC518-10 也提出可以采用稳态法来测定墙板的热物性参数［27］。

2.3 相变围护结构的评价指标

对于系统级PCM 构件而言，除了可以在实验室环境下进行实验研究，还可以进行实测研究。通过实测，建立科学合理的评价指标体系，可以进一步评估PCM 与建筑材料结合后的蓄热潜能，评价其对室内热舒适及节能效果的影响。

相变围护结构的评价指标主要可以分为三类：节能指标、经济性指标和热舒适指标。这三类指标分别从供应侧和需求侧反映了对相变构件性能的不同需求［28］。

节能指标主要受墙板位置和气候条件影响，因此需要综合考虑这两个因素。经济性指标取决于应用场景与材料本身的属性，如气候区域、布置形式、PCM 循环次数［29］。PCM 应用在建筑中不仅具有削峰填谷、减少建筑能耗的节能潜力，还可以调节室温、改善室内舒适性（尤其是被动式建筑），因此选用合适的热舒适指标来评估相变建筑的舒适性同样具有重要意义。通过实验实测考察了不同评价指标对建筑物的适用性，可以说明该方法适用于具有高热增益和低热惯性的建筑物，且热不适强度指标在评估PCM 效益方面最准确。

3 结语

目前，国内外已经对PCM 热物性测试进行了广泛的研究，对于PCM，DSC 和T-history 法是常用的热分析方法，发展较为成熟，但是由于对样品量的限制，并不适用于相变建筑构件。对相变建筑构件进行热性能测试，实验装置仍处于实验室研发阶段，测试方法较为单一，还缺乏统一的标准。动态线性模式需要标准规范进行统一，ASTM C1784-14 中提出的“Dynamical method”需要更多的实验数据来支撑。

此外，建立相变围护结构评价指标，对PCM 在建筑中的实际工程应用具有重要意义。综合节能效果、经济性和热舒适性，可以选用合适的指标评估PCM 的应用效果，其中PCM 在建筑物中的舒适性评价具有更大的研究潜力。

综上所述，如何采用合理简便的方法测定复合PCM的热物性参数，尤其是PCM 与建筑材料混合后焓温曲线的准确获得是一项值得研究的内容。