相变材料在建筑节能工程的应用研究

顾洪平 GU Hong-ping

（江苏省建筑工程集团有限公司，南京 210019）

0 引言

作为一种新型建筑材料，相变材料在建筑节能中有较为广泛的应用，相变材料是一种可以在温度发生变化时吸收或释放大量热能的材料。在建筑节能工程中，相变材料被广泛应用于隔热、调温和储能等方面，可以提高建筑物的能源利用效率[1]。由于相变材料的研发和应用在当前仍然是较为前沿的内容，学术界对相关内容的研究相对较少，尤其是关于相变材料的应用效果的评估研究。论文以相变材料的蓄热性能评估应用实例展开研究，探讨相变材料在建筑实践中的应用效果，并提出以相变材料为代表的新型建筑材料未来发展的方向。

1 案例分析

以某小区1 号户型建筑地暖管道铺设安装为例，该小区原地暖管道无新能源储能材料铺设。通过引入相变储能材料，在该小区地暖管道铺设中进行填充应用，提出了两种相变材料填充结构——相变材料全填充式与相变材料1/2 填充结构，与无相变材料填充结构进行模拟比较分析。

2 相变材料概述

相变材料（Phase Change Material，PCM）是一种具有特定相变温度的材料，能够在温度变化时吸收或释放大量的热量，通常被用作热能储存和调控系统中的关键组成部分[2]。因此相变材料也属于新型建筑材料的其中一种类型，而相变材料通常具有以下特点：具有相变特性、具有明确的相变温度、可以实现物质在固态和液态之间的相互转化，常见的相变温度包括冰点（摄氏度）和沸点（100 摄氏度）等，相变储能材料原理图如图1 所示。

图1 相变储能材料原理图

首先，相变材料具有高比热容性，相变过程中，PCM材料可以吸收或释放大量热量而保持温度稳定，具有较高的比热容。这种特性使得PCM 相变材料在热能储存和调控方面具有很大优势。

其次，相变材料具有热能储存性，PCM 相变材料可以将多余的热量以相变的方式储存在材料中，当需要释放热能时再次吸收环境或其他热源的热量。这种特性使得PCM 相变材料在太阳能热水器、空调系统和暖通空调系统等领域得到广泛应用[3]。

另外，相变材料具有温度调节性，由于PCM 相变材料具有明确的相变温度，可以通过选择不同相变温度的材料来实现对室内温度的调节。在节能建筑和温控设备中，PCM 相变材料可以吸收或释放热量，从而调节室内温度，提高舒适性和节能效果。同时PCM 相变材料具有较好的化学稳定性和物理稳定性，可以循环使用多次而不发生质量损失。这种特性使得PCM 相变材料具有长寿命、可靠性高的优点。

3 相变材料在建筑节能中的应用效果实例

由于相变材料（PCM）在相变过程中具有高储能密度和稳定性的特点，因此在建筑领域有广泛的应用。相变PCM 材料的高能量储存能力使其适合应用于顶面的采暖和制冷。当温度升高时，相变PCM 材料会吸收热量并转变为液态，在此过程中能储存大量的能量。当室温下降时，相变PCM 材料会以相同的速率释放热量，将之前储存的能量传递给周围环境。这种等温的特性使得相变PCM 材料能够在长时间内保持较稳定的温度，从而实现良好的采暖和制冷效果[4]。

本文通过进行对该小区1 号户型地暖铺设模拟比较分析，可以评估相变材料填充结构在蓄热性能和热响应时间方面的效果，从而选择最优的填充结构来满足建筑储能需求。研究使用郑宣宣[5]等在研究中采用的相变材料的参数，具体性能参数如表1 所示。

表1 研究所使用相变材料物性参数

在研究中，以该小区1 号户型尺寸为4x 3.7x2.8（单位为米）的房间模型进行研究，以回字形方式进行地暖铺建，选用的管径和管间距分别是10mm 和100mm 如图2所示。

图2 地暖管铺结构及地板模型结构示意图

针对采取相变材料不同的填充方式，与无相变材料填充进行对比，如图3（a）所示为相变材料完全填充，图3（b）为相变材料1/2 填充，填充高度为完全填充的一半。

图3 相变材料2 种不同填充结构示意

为了充分展现相变地板不同填充结构的热性能优势，可以将相变地板的蓄放热过程分为两种不同的间歇式工况进行模拟分析。具体的工况如下：

蓄热8 小时，放热16 小时。在这种工况下，相变地板经过8 小时的蓄热过程后，释放所储存的热能，持续放热16 小时。可以模拟相变材料在吸热过程中的温度升高，以及放热过程中的温度降低。

通过CFD 软件进行模拟分析时，需要设置合适的物理模型、边界条件和材料性质等。对于相变地板的模拟，需要考虑相变材料的热容、密度以及相变温度等参数，并将其纳入传热模型中。同时，还需设置房间的室内外温度、湿度等边界条件，以及地板表面的温度和传热系数等，如表2 所示。

表2 研究中所使用相变材料填充结构方案

在模拟分析结果的后处理过程中，可以绘制相变地板内部和表面的温度变化曲线，评估其蓄放热性能优势。通过比较两种不同工况下的温度变化、室内空气温度分布等参数，可以评估不同填充结构对相变地板性能的影响，并进一步优化设计。

根据图4（a）和图4（b）显示地板表面和室内空气温度随时间的变化曲线。从图中可以观察到地板表面温度及室内空气温度先上升后下降，并且在蓄热至第8 小时时，地板温度达到了峰值。分析三种不同的填充结构可以看到，未进行相变材料填充的地板温度及室内温度在加热阶段升温较快、在停止加热后温度下降较快，相变材料完全填充和1/2 填充的地板结构在停止加热8h 后（第16h），地板表面温度还能达到24℃左右，室内空气温度还能保持在16℃左右，能够满足人体对温度舒适度的要求，蓄热效果较好。这就说明相变材料在建筑领域中能够起到一定的作用。

图4

4 相变材料未来的发展展望

4.1 蓄热隔热技术

相变材料在建筑领域中可以应用于墙体、屋顶和地板等结构中，以实现蓄热和隔热功能。相变材料还具有良好的隔热性能。它们可以减少墙体、屋顶和地板等结构中热量的传导，提供更好的隔热效果。这种隔热性能可以在冬季保持室内温暖，在夏季阻挡外界高温地进入，从而改善室内舒适性[6]。相变材料与建筑材料的结合将为建筑节能提供创新解决方案。通过利用相变材料的高储热密度和相变特性，可以实现蓄热、隔热功能，降低能耗和碳排放，同时提高室内环境的舒适性。未来，相变材料在建筑领域的应用前景广阔，有望成为常见的做法，为可持续建筑发展做出贡献。

4.2 窗帘与玻璃窗

相变材料可用于窗帘和玻璃窗中，实现智能调节室内光照和温度。当室外温度升高时，相变材料会吸收热量从而降低室内温度，避免冷气过度使用；而在寒冷季节，相变材料可以释放储存的热量，提供附加的保温效果。此外，相变材料还可以通过调节玻璃窗透光度，实现室内光照度的优化，减少室内照明能源消耗。

4.3 高效建筑密封和隔音

相变材料可用于建筑密封材料和隔音材料，提高建筑的密封性和吸声性能。相变材料具有吸音和减振能力，可以有效减少噪音传递和能量损失。此外，相变材料还能够在温度变化时自动收缩或膨胀，补充建筑中的结构缝隙，提高建筑隔热效果。

4.4 智能控制系统的集成

将相变材料与智能控制系统结合，可以实现精确控制建筑内部温度、光照和湿度等参数。通过传感器监测环境变化，智能控制系统可以自动调节相变材料的状态，保持室内舒适度并最大限度地降低能耗。

5 结语

基于当前建筑材料的发展情况，相变材料已经被应用于建筑施工中，并且发挥着较为重要的作用。未来，随着技术的进一步创新和市场的推动，相变材料有望成为建筑节能领域的重要材料，为可持续建筑发展做出重要贡献。