相变储能材料在建筑领域的发展和应用

赵合瑾，万 贤*，路佳慧，张红雨，郭宝华

（1.北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048；2.清华大学先进材料教育部重点实验室，北京，100084）

0 前言

能源是全球人类赖以生存的基础，是现代人类文明进步不可缺少的标志。能源安全作为国家总体安全的重要组成部分，需要长期可持续的发展。随着地球上传统能源储量的不断下降，人们对绿色可持续发展的需求不断增长，开发新能源和提高能源利用率成为了世界性的重大问题［1］。建筑节能是减少碳排放的重要措施之一，在世界各国的节能战略中发挥着关键作用。“十三五”时期结束以来，我国以 “四个革命、一个合作”为能源安全新战略，能源行业的变革取得了显著成效，能源专项规划有了不同程度的完成甚至是超额完成［2］。依据中国现阶段能源发展所取得的成就和存在的问题，习近平总书记在第七十五届联合国大会上发表重要讲话，指出中国将进一步提高国家自主能力，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现“碳中和”，同时在“ 十四五”规划中明确指出将大力发展新能源和储能开发［3］。提升可再生能源应用比例，调整能源结构已经成为全球共识，构建清洁低碳、安全高效的能源体系也已经在党的二十大被确定为国家战略。为追求能源可持续发展，全球对降低建筑能耗的呼声越来越高［4］。

20世纪70年代，能效首次出现在欧盟能源政策议程中，并随着全球和欧盟能源与气候政策和优先事项的变化而逐步改变［5］。丹麦最早在20世纪70年代发布了有关于建筑节能方面的规定。英国、德国、日本也早在20世纪依据本国发展形势制定了节能法，为促进全球建筑节能的发展打好了夯实的基础。早在20世纪80年代，美国的太阳能公司就开始研究将相变储能材料与建筑材料相结合并应用于建筑领域之中［6］。这给全球建筑能源方面研究人员提供了很大的启发。

我国是建筑能源消耗大国，自20世纪80年代以来开始不断推动绿色建筑及建筑节能方面的相关工作［7］。北京是中国第一个实施高水平住宅建筑节能和公共建筑节能设计标准的城市。在新标准基础下，北京的能源效率达到75 %，远超其他大多数城市仅有50 %的能源效率［4］。我国总能耗中建筑领域的能耗总量占到27.8 %，随着社会经济的不断发展，对建筑设施的要求不断增高，消耗总量在未来只会不断升高，如图1所示［8］。现阶段控制能源消耗的增长乃至减少每年的能源消耗成为“碳达峰”“碳中和”的焦点。在贯彻落实 “双碳”战略目标的关键期，西部地区作为新能源发展的高地，其储能行业的高效发展也是重中之重。传统能源的逐步退出要建立在新能源安全可靠的基础上，我国沿海地区与以高原地形为主的西部地区相比，有着丰富的水资源，而水作为显热储能材料会吸收大量来自太阳能辐射的热量，从而起到了调节周围大陆环境温度的作用。由于西部地区地势地形的原因，日照时间长、太阳辐射强以及周围环境保持困难等问题，因地制宜地开展新型储能技术攻关成为西部地区新能源注意的重点［9］。所以近年来，将相变储能材料应用在建筑领域成为了国内外学者的重点研究热点［10-11］。

图1 我国2015—2022年能源消费量及生产总值情况Fig.1 China's energy consumption and GDP from 2015 to 2022

相变材料（PCMs）是一种可循环使用的绿色环保控温材料，其可以智能调控建筑环境内的温度波动，因此将相变储能材料应用于实际建筑中是降低建筑能耗的有效手段。但目前相变储能材料在建筑领域的应用还存在一定问题：（1）建筑用相变储能材料的制备方法并不完善且成本较高、制备工艺困难，因此难以应用于建筑领域。（2）我国地域辽阔，气候复杂多样，在现有的研究中针对不同地域、气候条件的具体研究还很少，这使相变储能建筑材料实用性不高。（3）我国“十四五”规划明确指出要加快推动能源绿色低碳转型，加快推进安全高效的储能手段。我国建筑能耗相对于其他发达国家处于较低水平，但这是以牺牲建筑服务质量和室内外空气品质为代价换来的，总体绿色化水平偏低［7］。建筑物的外表面受外界环境的影响，内表面与内部环境直接接触，通过内外表面之间的热交换实现对内部环境温度的调控，环境既是建筑的热源，也是建筑的热井［12］。

本文阐述了不同相变储能材料的储放热原理，以此为基础对相变储能材料的分类进行了归纳总结，并着重讨论了近年来文献中报道的应用于建筑领域的相变储能材料，对现阶段PCMs 的实际应用问题提出新展望，为建筑节能提供新思路。

PCMs有着不同的种类及不同的相变温度，其应用范围与不同的应用行业息息相关。《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》明确表示，到2025年，城镇新建建筑全面建成绿色建筑，建筑能源利用效率稳步提升，建筑能耗和碳排放增长趋势得到有效控制，基本形成绿色、低碳、循环的建设发展方式，为2030年前“碳达峰”奠定坚实基础。选择适宜温度、适宜焓值、适宜相转变的材料将更加有助于建筑相变领域的开发和研究。

制造任务分解的主要目的是为了获得一定粒度的子制造任务，实现生产过程的均衡和制造服务的合理匹配。制造任务分解的基本过程如下：

1 相变储能建筑材料的发展现状

PCMs 可随环境温度变化通过相态转变储存或释放大量潜热。将具有优异储/放热特性的PCMs 与建筑基材复合，不仅可以增加建筑的保温效果，还可以降低建筑能耗，提高能源利用率。因此相变储能建筑材料在实际应用中有着很大的发展潜力。

根据不同分类方式显示出多种不同的类型：（1）根据PCMs 的相变方式可以分为固-固PCMs、固-液PCMs、固-气PCMs、液-气PCMs［8］。（2）根据PCMs 的相变温度可以分为高温储能材料（>420 ℃）、中温储能材料（220～420 ℃）和低温储能材料（<220 ℃）［13］。其中低温相变储热材料的相变温度在220 ℃以下，主要包括无机水合盐和有机PCMs 等［14］，其主要应用在建筑节能领域和电子设备控温技术方面［15］。（3）根据PCMs的化学组成可以分为无机PCMs、有机PCMs、复合PCMs［16-17］。不同分类的PCMs 有着不同的物理性能和储/放热性能，但并非所有PCMs 均能适用于建筑领域，必须综合考虑其优缺点，选择出适用于建筑的PCMs。

1.1 建筑领域相变储能材料的选择

建筑能耗占全球能源消耗的40 %左右，其中在一些国家的份额已经超过了总能耗的三分之一，其对温室气体排放和全球变暖有着直接联系［18］。PCMs 与建筑材料复合可以有效改善建筑物内部温度波动程度，延长室内热舒适时间，从而减少建筑能耗。应用于建筑领域的PCMs须满足以下要求：

1.1.1 相变过程体积变化小

固-液PCMs 更适用于建筑领域。PCMs 的不同相变方式中，固-气、液-气PCMs 在相变过程中体积膨胀率大以及可能产生的气相高压，导致对储热设备要求很高，实用性较差，通常不易在实际中应用［11］；固-固PCMs通过其晶体结构变化实现热量的吸收或释放，实际能量转化过程中并不存在相态的变化［19］，因存在成本高、导热能力差、相变焓值过小，不易与其他结构材料相混合等问题导致制作成本较大，因此规模化应用潜力较低；相比之下固-液PCMs 在相变过程中体积变化不明显，因而应用范围更广，因其操作简单、价格低廉、储热密度高等特质更适用于建筑领域。

1.1.2 相变温度适中、具有足够大的潜热

具有高储热密度和较小泄漏率的定形相变材料（SSPCMs）是一种通过特定加工工艺将相变储能材料固定在支撑材料中而制成的相变复合材料，有效地改善了传统PCMs 易泄漏和低热导率的缺点。其通常由两部分组成：一部分是用作工作物质的PCMs，另一部分是用作保护容器的支撑材料。通常支撑材料自身并无焓值或焓值很低，加上支撑材料与PCMs 之间产生的氢键或毛细作用［38-42］，都会对PCMs的结晶行为有一定的影响，因此选择合适的支撑材料进行封装从而改善相变复合材料的储/放热性能尤为关键［43］。图5 给出常见PCMs 和支撑材料的主要类型及各自所占的比例。相变储能技术与建筑结构相结合可作为研究建筑节能技术的主要方向，将相变复合材料应用于建筑领域将是提高可再生能源使用率的重要方法，也是未来降低能耗早日实现“双碳”目标的重要一环。

表1 和表2 给出了一些常用的固-液PCMs 的相变温度和潜热焓值。

Guardia 等［55］分析了在水泥石灰中分别添加10 %和20 %（质量分数，下同）相变微胶囊石蜡（相变温度23 ℃）的储/放热性能。研究结果表明，掺有10 %、20 % 相变微胶囊的水泥砂浆的热导率分别为0.26、0.20 W/m·K，比普通砂浆的0.23 W/m·K分别升高/降低0.03 W/m·K，由于微胶囊具有低热导率的特点，大量的微胶囊会使整体水泥砂浆的热导率降低，少量微胶囊反而会增大热导率，而且PCMs 的加入将复合水泥砂浆的焓值升高到20 J/g 以上（无相变材料的普通砂浆焓值不到15 J/g，其焓值取决于比热，与砂浆密度有关）且对力学和物理性能不会产生太大影响。

表1 脂肪酸类PCMsTab.1 PCMs of fatty acid

表2 盐水合物PCMsTab.2 PCMs of salt hydrate

1.1.3 长期稳定性好

在建筑领域应用最多的是固-液PCMs，其在相变过程中，可以通过固态和液态之间的相转变吸热/放热来储存/释放环境中的热能，从而调节周围温度的变化。图2 展示了PCMs 与非相变材料随温度改变自身温度变化的对比，当外界温度升高时，非相变材料的温度与之同步升高，但PCMs 在t1到t2时间段出现了温度平台，即时间滞后现象，说明在此期间PCMs 自身温度没有改变并通过固-液相态转变将能量以潜热的形式储存了起来，且在t2时完成全部相转变，温度继续随外界环境同步升高。

1.1.4 无毒、无腐蚀

建筑用PCMs 需对环境友好，安全无毒。随着能源消费不断上升和过度使用化石资源生产能源，相关的生态问题成为一个主要问题。因此，环境影响也是设计PCMs 复合建筑结构时应考虑的一个关键因素。建筑结构相变层中的PCMs 必须保证在使用过程中安全性能较高，无毒、无腐蚀，避免PCMs 在使用过程中挥发或泄漏对室内人员造成危害，杜绝一切建筑在使用过程中可能造成的危险。同时要考虑到复合建筑节能修复和拆除时，PCMs 的泄漏不会对环境造成影响，以达到绿色建筑的目的。

1.1.5 生产原料价格低廉

经济效应是设计PCMs 复合建筑结构时应考虑的重要因素。成本分析是一种表达经济效果的方法，对规划、监控和决策有着重大贡献。PCMs应用于建筑结构中吸收/释放的能量往往不能达到理论值，其中有超过5 %的能量损失［20］。作为建筑节能的主要手段，不仅要做到建筑在工作中可以节约能源，还应保证建造材料成本低、原料易得，保证相变储能建筑材料能够大规模批量生产才能更有利于实际应用。

综上所述，对于建筑领域PCMs 的选择总结可以从3个方面叙述，如表3所示。

表3 建筑领域PCMs的选择Tab.3 Selection of PCMs in architecture

1.2 相变储能材料在建筑应用中的限制

根据PCMs 的化学组成，PCMs 可分为有机、无机和复合PCMs。有机PCMs 具有过冷度小、无相分离、储热能力强等优点；无机PCMs 种类繁多，且单位体积潜热大、导热系数大、体积变化小，在选择过程中不仅要考虑到这些优势，也要将PCMs 自身具有的缺陷纳入考虑范围，保证其在建筑领域实际应用中能发挥出优异的储/放热性能，在建筑应用中的限制如下：（1）有机PCMs 导热系数低，降低了储热和热交换效率。有机相变储能材料热导率往往都很低，影响实际使用效果，因此需要增强PCMs的热导率。为了提高PCMs的热导率，一种方法是扩大热交换面积，另一种方法是在储热系统中使用纳米材料或者高导热材料，以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成新的传热介质。现常见的导热增强剂有Al2O3［21］、石墨烯纳米颗粒［22］、碳纤维［23］等。（2）有机PCMs 固-液相转变过程中PCMs 可能发生泄漏。PCMs在相变过程发生固-液态转变，直接使用可能会导致液相泄漏［24］，液相的泄漏可能会影响建筑的寿命和强度甚至对建筑内人员生产生活造成影响。可以通过PCMs和多孔材料复合的方法来克服该问题，现常用的多孔材料有硅藻土［25］、膨胀石墨［26］、多孔二氧化硅［27］等。（3）无机PCMs 可能相分离，过冷大。水合盐类作为无机相变储能材料中的一种，储热密度高、原料丰富且环保，但其在实际应用过程往往因自身缺陷问题受到限制［28］。如相分离，一些水合盐相变储能材料溶解度不高，在达到溶点以后仍不能完全溶解，使得不能溶解的盐沉降于容器底部，形成晶液分离的状态。随着循环次数的增多，溶质颗粒不断析出，从而导致储放热性能和使用寿命下降；过冷现象也是水合盐相变储能材料常见的一个问题，主要是相变储能材料在达到其自身的相变温度不发生凝固结晶，而是在低于相变温度的某一个温度点才产生该现象，并伴随着释放热量的现象。过冷度较大会导致结晶放热时间延长，最终降低相变储能材料的储放热效率。往往通过加入成核剂的方法使其异相成核，有效改善过冷度问题。成核剂一般是与储能材料的同种或同类结构的物质。过冷、相分离及易腐蚀等问题，导致无机水合盐PCMs 使用寿命有限，因此在建筑节能领域应用较为困难［29］。

固-液有机和无机PCMs 分别有自身优势，但又因为各自的缺陷限制了其单独应用于实际储能领域［30-31］。将PCMs 和其他支撑材料复合制备而成的相变复合材料，可以有效弥补其自身的缺陷，再将相变复合材料与建筑材料相结合，不仅能克服固-液有机和无机PCMs在实际应用中的限制，还能保证优异的储/放热性能，因而吸引了广大研究人员的深入探索。

1.3 相变储能建筑材料的节能原理

固-液PCMs 通过相变与外界环境进行能量交换（从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量），从而达到控制环境温度和利用能量的目的，其将在使用寿命期间反复性进行固-液相转变，因此在近万次相转变期间，PCMs的储/放热性能应当保持稳定，才能保证建筑在使用期间能够长时间起到调控室内温度波动的目的。

图2 PCMs与非相变材料随温度变化的对比Fig.2 Comparison of change of PCMs and non-phase change materials with temperature

同样加热到t2，普通建筑的温度已升高到T2（T2>T1）；而复合PCMs 建筑因能量储存出现的时间滞后现象，使得该建筑的温度将在t1到t2时间段维持在T1，PCMs 的加入有效降低了整体建筑的温度波动。反之亦然，当外界温度降低时，复合PCMs 建筑中的PCMs 会通过液-固相态转变将储存的潜热释放出来，与周围环境进行热交换，并在t1到t2时间段将环境温度维持在T3，从而降低环境温度的波动，提高热舒适性［32］。其中温度恒定时间（t2-t1）、储存能量T1（t2-t1）以及释放能量T2（t2-t1）可以通过改变PCMs的种类和相变温度进行调控。

图3 模拟了实际白天和夜晚情况下，无/含PCMs的建筑室内外温度和热量传递变化情况，图3（a）、（c）为普通建筑，图3（b）、（d）为复合PCMs建筑。

由于体温测量节点采用穿戴式且患者会在医院活动，所以在医院所有公共区域设置路由器节点，患者从一个区域移动到另外一个区域时，ZigBee通信协议自动脱离前一个路由器重新自动加入当前区域路由器，路由器节点再将数据发送到协调器。协调器模块的主要的任务是实现对数据的接收、处理并将处理好的数据通过串口传送给PC客户端。

图3 普通建筑及复合PCMs建筑室内外温度和热量传递变化Fig.3 Indoor and outdoor temperature and heat transfer changes of ordinary building and composite PCMs building

从图3（a）、（b）对比可以看出当白天太阳辐射较强时，普通建筑温度会随室外温度快速上升，相比之下，复合PCMs 建筑因PCMs 的相转变将大部分太阳辐射的能量以潜热的形式储存起来，使得室内温度波动较小。图3（c）、（d）在夜晚时室外温度降低，普通建筑也随之急剧下降，相反，复合PCMs 建筑中在白天储存了大量热量的PCMs，在夜晚温度降低至其相转变温度以下时，通过液态-固态相转变的方式将储存的能量释放至建筑内部，从而降低温度波动，提高热舒适性。由此可知，普通建筑内部温度容易受到外界环境温度的影响，将PCMs 应用于建筑中可有效缓解这一状况，从而降低制冷/采暖设备的使用频率，在较低的建筑能耗下维持建筑内部的热舒适性，从而提高能源利用率，为全面建成绿色建筑，稳步提升建筑能源利用效率，拓宽建筑节能的发展领域［32］。

1.4 相变复合储能建筑材料的封装

PCMs 由于其显著的热能储存能力而被广泛用作建筑物中的有效潜热储存单元，但在实际应用中很难实现PCMs 的单独使用。为实现“十四五”规划中建筑节能的目标，提高建筑结构的储热能力，PCMs 应以适当的方式加入到建筑基体或辅料中。图4 描述了将PCMs与建筑材料复合的各种方法，一种是将未封装的PCMs直接与建筑材料混合，另一种是将PCMs封装在壳材料或支撑材料中再与建筑材料混合［33］。这些方法必须满足2 个条件：PCMs 和支撑材料不得干扰建筑材料的水化过程；不得与混合物的任何成分发生反应［34］。

由于舒适性的需要，建筑用相变储能材料需选择相变温度在20 ℃至60 ℃之间的PCMs。用于建筑应用的PCMs 的相变温度应在人体舒适度（25～30 °C）的温度范围内，即PCMs 的相变温度须与室内环境温度相近，且白天温度和太阳辐射的波动能使材料发生相变。当环境温度在其相变温度附近波动时，能通过固-液相转变释放或储存环境中的能量，从而保证室内温度适宜，进而降低室内采暖/空调系统的能耗。

11月份，WTI和布伦特原油期货价格波动范围分别为50.29～63.69美元/桶和58.71～73.17美元/桶。两者价差月均为-9.42美元/桶，环比缩窄0.46美元/桶。7日两者价差为本月最宽值-10.4美元/桶，30日为本月最窄值-7.78美元/桶。截至12月21日，12月份WTI和布伦特价差环比进一步缩窄0.43美元/桶，至-8.99美元/桶（见图2）。

图5 PCMs和支撑材料的主要类型及各自所占的比例［44］Fig.5 Main types of PCMs and support materials and their respective proportions［44］

2 相变储能建筑材料的应用

将PCMs 与建筑材料复合将有效增强建筑结构的储/放热性能，确保更好的室内热舒适性。相变储能技术可以从被动式相变储能和主动式相变储能两方面进行研究［45］。

2.1 被动式相变储能

被动式相变储能是利用太阳能热源或外界天气温度降低等天然冷源来实现能量的存储，既能提高人的舒适度也能降低成本。将PCMs 与传统建筑材料复合制成相变建材，并依靠室温的变化或接受太阳辐射热量等方式被动地吸收/释放热量。相变墙体、相变地板、相变屋顶、相变砂浆等都属于相变储能建筑结构。

2.1.1 PCMs在涂料中的应用

通过将建筑涂料涂饰在建筑表面，使其与基体建筑材料黏结在一起，形成完整而坚韧的保护膜以达到保护、装饰、特殊功能的作用。将PCMs 引入涂料形成定形PCMs，除了起到美化、保护建筑外观的作用，也能达到通过PCMs 的储放热性能调控室内舒适性的目的。近些年已有不少研究通过实验制备出了可用于建筑结构的相变涂料，并对其在实际应用中的热能调控能力进行了分析。

张云峰等［46］以石蜡（相变温度28.6 ℃）为芯材，三聚氰胺树脂为壳材，使用纳米二氧化硅作为改性剂制备了改性PCMs微胶囊，并以建筑涂料质量的0、10 %、20 %、30 % 4 种不同比例与建筑涂料混合形成复合涂料，将其置于试管中，60 ℃热水浴和10 ℃冷水浴记录其储放热性能。实验结果表明，在升降温过程中，与普通涂料相比，3 种含PCMs 微胶囊的复合涂料维持在温度为24～32 ℃，有1 个明显的缓慢升（降）温平台，并且PCMs 微胶囊含量越多，减缓效果越明显。升温过程中，从15 ℃升温至31 ℃，无相变微胶囊的建筑涂料所需时间为13.5 min，随着PCMs 微胶囊用量的增加，所需时间也越长，最长时间为26.0 min。降温过程中，从38 ℃降温至20 ℃，无相变微胶囊的建筑涂料所需时间为16 min，随着PCMs 微胶囊用量的增加，所需时间也越长，最长时间为22.5 min。PCMs微胶囊的引入使得复合涂料的储放热性能依次增强，将其应用于建筑基材表面可有效改善室内温度波动变化，维持室内温度在宜居水平。

除了将PCMs微胶囊引入建筑涂料外，将PCMs与支撑材料复合形成定形PCMs 也能起到相同改善环境温度的作用。Zhang 等［47］以膨胀珍珠岩作为支撑材料吸附癸酸和棕榈酸的二元PCMs 制备出了SSPCMs，之后再与苯乙烯-丙烯酸乳液和乙烯-醋酸乙烯乳液涂层材料混合均匀形成相变涂料，并将其涂敷在石膏板材表面作为实验组应用于墙壁内表面，与普通石膏墙壁的储/放热性能进行对比。将2组建筑模型置于恒温40 ℃的加热箱体中，普通石膏建筑模型内部温度从22.32 ℃升高到29.86 ℃需要90 min，4 h后内部温度升高到35.8 ℃；当实验组模型中癸酸和棕榈酸二元PCMs 的质量比为7/3 时，其内部温度升高同样温度却需要130 min，4 h 后内部温度仅为33.10 ℃。实验结果表明，应用相变涂料的建筑模型能有效延长升温时间并降低相同时间达到的峰值温度，相变涂料的储放热性能可以明显降低室内外传热速率，减缓室内温度的波动，将温度长时间维持在一定范围，改善房屋居住舒适性。

Naqsh来自波斯语，指中世纪阿拉伯写本中的插图，亦指肖像画，例如菲尔多西的《王书》(亦称《列王纪》)十四世纪伊尔汗时期至十七世纪萨法维王朝时期《王书》插图本的图像；本文讨论的主要是?ūrah，指形状或图像。中世纪伊斯兰语言中没有特定的地图术语，但不能理解为伊斯兰文明中地图的认知不重要。早期阿拉伯地理学家花拉子米借用托勒密的理念，使用 ūrat al-ard(图像)这个通称建立了一种世界地图的类型。依据米切尔的图像学理论，形象(Image)构成了形象谱系的顶层，本文研究的图像可归属于形象家族树的第一个分支-图形的(Graphic)。

2.1.2 PCMs在玻璃窗中的应用

由于被动太阳能加热、室内通风和玻璃窗自身较差的储/放热性能等方面影响，房间内部环境的能量损失较大，其中建筑结构约60 %的能量损失可归因于玻璃窗区域。将PCMs 应用在玻璃窗中，不仅可以有效改善室内热损失的问题，也能通过PCMs 随温度变化而产生的光学效应实现在智能调光等领域的应用。如图6（a）展示了传统空心双层玻璃的结构；图6（b）为PCMs 双层玻璃，用PCMs 填充代替空气；图6（c）为PCMs-空气3层玻璃，增加了空气腔可提高玻璃窗自身的整体热阻，从而减少从室外环境到室内环境的对流换热，从而避免PCMs 完全融化后窗口内表面温度过高［48］。也有研究用其他储热或隔热材料代替3 层玻璃中的空气形成PCMs-填料3 面玻璃，其玻璃窗结构如图6（d）所示。

图6 PCMs在玻璃窗中的应用Fig.6 Application of PCMs in glass windows

Goia 等［49］在双层玻璃窗的空气层中填充RT35 石蜡（相变温度34 ℃，PCMs），并在夏天10∶00 至19∶00对含此双层玻璃的房屋进行了户外测试，实验过程中房屋的外观和热物理性能随着其受太阳辐射的改变而逐渐发生明显变化。实验测试中玻璃透明度随石蜡层熔化和冻结而变化：从10∶00 至13∶00，因未达到石蜡的相变温度，整个石蜡层都处于固态，玻璃窗具有半透明外观；14∶00时，石蜡开始由固态转为液态，熔融过程中大量固体石蜡漂浮在液体石蜡体积中；16∶00 时，所有石蜡全部转变为液态，玻璃窗外观看起来完全透明；18∶00 后，液态石蜡开始重新凝固；19∶00 时，大多数石蜡再恢复为明显的固态，并再次显示出半透明外观。试验结果表明该相变双层玻璃窗的视觉感受会在1 天或1 个季节中会发生显著变化。引入PCMs 的双层玻璃窗不仅具有良好的储/放热性能和透光性，且其因相转变而产生光学变化的特点对PCMs 相变程度以及室内外热交换程度的可视化观察提供了研究方向。

在石门桂花村外设置大型的停车场，这样可以把游客的车辆集中停放，避免造成拥堵的状况，从而减少许多不便。同时还应在石门桂花村入口处建设大型超市，主要经营当地的土特产，再在景区内建设多个小型采购点，配备一部分桌椅，主要销售小吃、饮料、小玩具等等，既给游客一个休息歇脚的地方也增加了收入，一举两得。景区内尽量多设置公共卫生间，并定期专人进行清理消毒，保持公共卫生。同时相应的医疗设备也是必不可少的，在游客身体出现状况时，以便不时之需。

当夜林白轩苏雨鸾等候在东方宇轩常住的悦来酒家，东方宇轩则披星戴月，连夜赶回万花谷。一路由关中的平原过潼关，经风陵渡，又步入秦岭群山，头顶星空历历，新月如弯，他运起花间游内力，提纵起伏，跋山涉水，如飞电跳丸，云霄轻羽，将三十余年来的修为全部激发出来，觉得踏步山川河流迎送，上纵又有星月冥冥中的助力，茫茫大块，万物流转，批郤导窾，皆与身形激发，竟是十数年来轻功大成的一夜，三更里赶回谷中，催请孙思邈老神仙起床配了药粉，团成一丸丹药，又召唤大鹏鲲载自己重返长安。

也有研究将夹有PCMs 的玻璃窗应用在真实房屋模型中，并测试其在模拟实际应用中的热能调控作用。李栋等［51］在大庆地区室外环境对搭建的含石蜡层（相变温度26 ℃，PCMs）双层玻璃的砖型房屋模型进行动态传热实验，分析不同天气条件下屋内温度动态变化规律。实验结果表明，在阴雨、多云、晴朗天气普通房内空气温度分别比含PCMs 的实验房高4、8、11 ℃，原因在于石蜡吸收大量的太阳能而发生相变并将热能储存起来，且未直接释放到实验房间内部。与普通房相比，石蜡的存在使房间内温度显著降低，并且太阳辐射强度越高其降温效果越明显，同时含PCMs 玻璃结构可导致传热量峰值降低，且峰值出现的时间发生延迟现象。

Liu 等［50］将石蜡（相变温度25 ℃，PCMs）作为相变层制备了PCMs 双层玻璃，并测试了不同厚度相变层的双层玻璃两侧表面温差变化。在太阳辐射强度为950 W/m2下对双层玻璃的上表面进行长时间照射，当中间石蜡层厚度为6 mm 时，玻璃两侧表面的峰值温差为22.5 ℃；当厚度为16mm时，峰值温差为30.2 ℃。经过120 min 照射后，前者下表面温度升高到了58 ℃，而后者下表面温度仅为45 ℃。PCMs 有效储存了上表面热传递给下表面的热量，且随着相变层厚度的增加，两侧玻璃的温差也随之增大，将其应用于房屋建筑中可有效降低室内热损失。当室外温度低于室内温度时，相变双层玻璃窗也可以将自身储存的热能释放到室内环境中，改善室内舒适性。

Zhang 等［52］以石蜡（相变温度10 ℃）为相变芯材制备了PCMs-二氧化硅气凝胶3 层玻璃，二氧化硅气凝胶的低热导率以及石蜡的储热性能使得该玻璃具有良好的储热隔热性能，用总能耗和节能率来表示玻璃窗的能效与传统空心双层玻璃进行了对比实验（只考虑了窗玻璃的热损失及其减少）。结果表明，该PCMs-二氧化硅气凝胶3层玻璃（33.83 K）的内外表面温差比传统空心双层玻璃（31.83 K）大2 K，而且其对太阳辐射的吸收系数和折射率分别为3.4 和10，可以保证优异的透明性能。与传统的空心双层玻璃窗相比，石蜡层和二氧化硅气凝胶层对室内温度的调控使得房屋的总能耗仅为2 258 kJ/（m2·d）［传统空气玻璃窗的总能耗为7 700 kJ/（m2·d）］，节能率达到了70.16 %，既提高了玻璃自身对热能的储放性能，也提高了玻璃窗的绝缘性，良好的绝缘可以避免热量损失，降低室内能耗。

玻璃窗的储热能力和隔热性能越好，其对实际工程的应用就越广，就越可以满足采暖、照明、室内装饰的各种要求。

2.1.3 PCMs在墙体和天花板中的应用

水泥和石膏作为开发建筑结构最常用的建筑材料能很好地黏结建筑基体结构以及具有隔热、隔音的效果，被广泛应用于建筑领域。石膏是建筑中一种与室内空气直接接触的重要建筑材料，也是一种良好的基体材料，其优异的隔热性能可明显改善室内热舒适性，降低室内冷负荷［53］。研究发现在水泥或石膏中加入PCMs对提高改善建筑结构的储/放热性能有着良好的效果［54］，因而将PCMs 引入由水泥和石膏为基材的墙体或天花板中成为研究人员关注的重点。已有很多文献对不同PCMs 应用于屋顶或墙体进行了大篇幅的实验和报道，PCMs 的加入能有效调控室内温度波动，从而降低空调、采暖的建筑能耗。

狐臭柴(Premna puberula Pamp.)又名神仙豆腐柴等，隶属于马鞭草科豆腐柴属(Premna Linn.)的直立或攀援灌木至小乔木，分布于我国西南、西北、华南、华中等地区。其叶片含有丰富的果胶、植物蛋白质、纤维素和过氧化物酶[1]，根茎中含有多种药用成分[2-3]，具有清热解毒、消肿止血、主治毒蛇咬伤、无名肿毒、创伤出血的作用[4]，使其具有较高营养、保健及较多的药用功效，成为一种药食兼用的植物。民间常采集其嫩叶和嫩枝制作成凝胶小吃，称为“神仙豆腐”、“观音豆腐”或“斑鸠饭”。

鉴于此，本研究针对纸浆洗涤过程的特点，充分利用生产过程长期运行积累的工业数据，基于两步神经网络法得到残碱和黑液波美度的预测模型，通过这两大指标构建纸浆洗涤质量评价模型，对工业运行数据进行聚类、模式匹配，构建出优化模式库。以最优生产为目标，对优化模式库进行操作模式寻优，匹配出最优操作模式。通过实验验证该方法能有效预测纸浆洗涤过程的状态参数，达到优化生产的效果。

Al-Yasiri 和Szab 等［56］制作了具有石蜡层（相变温度44 ℃，PCMs）的屋顶结构，并将其置于房屋模型中，在伊拉克阿玛拉市的炎热天气条件下进行模拟实验。中午太阳辐射强度最大时，房顶温度可达73 ℃，当外界环境温度高于44 ℃，含石蜡层屋顶的建筑与普通屋顶建筑的峰值温差可达9 ℃，温度波动降低6.1～6.8 ℃，有效降低了室内的温度峰值和波动，保证了在炎热天气下室内的凉爽舒适性。Boobalakrishnan 等［57］将石蜡（相变温度45 ℃，PCMs）与屋顶复合在一起，与无封装石蜡的普通屋顶在日平均辐射为700 W/m2的外界环境下同时进行模拟对照实验。结果表明，普通屋顶和石蜡基屋顶建筑室内的最高温度分别44.5 ℃和34 ℃，日平均室内温度分别为36 ℃和31 ℃。普通屋顶室内温度随外界温度升高而急剧上升，而石蜡基屋顶的房屋全天室温变化很小。石蜡的引入不仅有效降低了室温峰值和室内日平均温度，而且改善了室内温度随外界环境温度变化波动大的缺陷，使室内温度趋于稳定，从而能够满足人民生活需求，提高人民生活品质，增强民众幸福感，同时实现建筑节能。

L-阿拉伯糖又称L-树胶醛糖、果胶糖，其形态为白色结晶，对热和酸稳定，广泛存在于植物中如玉米皮、甘蔗渣[1]。L-阿拉伯糖具有很强的非竞争性抑制蔗糖吸收的功能，能够减少吸收蔗糖带来的血清中葡萄糖浓度升高,其甜度是蔗糖的一半，可作为一种新型的低热量功能型甜味剂[2]。已有研究表明，L-阿拉伯糖具有调节血糖吸收、降脂、促进肠道消化排毒、防止龋齿等功效[3]，近年来不断被开发应用。

近年也有许多研究将PCMs 以微胶囊的形式封装起来再添加到混凝土或墙板中，并在实验中取得显著效果。张家玮［59］等人采用真空吸附法以石蜡（相变温度20 ℃）为芯材，粉煤灰微孔漂珠为壁材制备复合PCMs 微胶囊，并等体积加入水泥砂浆制成相变储能砂浆。相变微胶囊为粒径毫米的光滑球体，并以主要成分SiO2和Al2O3的粉煤灰微孔漂珠为壁材，使得其与建筑用砂和水泥具有良好的相容性，可作为细料加入砂浆。将PCMs 微胶囊引入到水泥砂浆中并应用于建筑房屋有着显著降低能耗的效果，对之后PCMs 应用于建筑领域的相容性有着指导性意义，对提高能源资源有效利用，实现能源可持续发展和建筑节能，早日建成建设资源节约型、环境友好型社会有着重要意义。

传统住宅的墙体多用砖、石、泥土砌筑，其主要起到承重或围护、分隔空间的作用。现代墙体往往在传统墙体包覆一层隔热层，其主要作用就是起到房屋保温、隔热的作用。2种墙体的主要结构如图7（a）、（b）所示。复合墙体［60］是在现代墙体隔热层内侧再补充一层相变层，如图7（c）所示，相变层的引入对提高墙体储热性能提供了新方法。传统墙体完全用建筑基体搭建，因此在夏天或者冬天需要室内主动开启制冷或者供暖的设备维持室内温度在人体体感舒适的温度，会产生极大的能源消耗。现代墙体中的隔热层可以将外界环境温度的变化隔绝在室外，虽不能完全隔绝但也在一定程度上降低了室内供暖或供冷的能源消耗。复合墙体由于隔热层和相变层的双层复合不仅可以更长时间的起到隔绝外界温度变化的作用，而且相变层的存在还能调控室内温度的波动，提高室内舒适性。

Louanate 等［58］在地中海气候区贾迪达市选定4月中的3 天，将有/无相变材料的集成简化房屋模型温度变化进行了实际模拟对比实验，PCMs为不同种类商用高容量石蜡（包括RT18、21、25、28HC，相变温度范围22～26 ℃）。PCMs 熔融-结晶循环通过相转变而引起的储放热使得白天房屋内峰值温度平均降低2 ℃，而晚上峰值温度平均增加了1.8 ℃，将温度长时间控制在人体舒适的温度，实验结果表明，PCMs 的加入可以显著降低房屋模型室内的温度波动。单一PCMs 房屋结构中，RT18HC 房屋模型的冷却和供暖节能值最低，分别为169.6 kW·h 和147.4 kW·h，RTHC18、21、25、28 单一组分结构的节能率在30.42 %和41.42 %之间；而对于2 种RTHC 复合相变模型，冷却和供暖节能值分别在401.1～423.3 kW·h 和118.1～160.4 kW·h 之间，其全年节能率可以达到51.25 %～55.41 %。其中使用RT21HC/RT28HC 复合结构的房屋模型节能效率最高，为55.41 %。

图7 不同类型的墙体Fig.7 Different types of walls

各个建筑结构中的PCMs 能有效地利用白天吸收的太阳能来达到维持夜晚室内正常温度的目的，同时即使是白天处于长期阳光照射的条件下也能够有效保持室内凉爽的环境，具有高效能源利用和储存特性的PCMs在建筑领域的广泛利用，为解决我国现阶段能源短缺、供需不平衡的问题提供了可行的解决途径。除了上述PCMs 在各个建筑结构中的单独应用，也可将多种复合PCMs 的建筑结构搭建在一起实现房屋建筑全方位节能，实现协同调温的功能。本文设想将PCMs加入到多种建筑构件中，如图8所示，PCMs 可同时在天花板、玻璃窗、墙壁及地板等建筑构件中添加，以期得到低能耗高控温效果的绿色建筑，此建筑可在较低能源消耗的情况下，根据室外温度变化自动调节室内舒适度，是降低建筑能耗、实现建筑节能的模拟示例。

观念障碍：对实验课程教学本质含义认知的片面化在传统高职院校教学过程中，过度重视教师个人在理论教学过程中的作用，过度强调教学个体自主性，忽视了团队建设。其主要原因是，教学工作不是单独一个教师能够完成的工程，它需要团队合作，只有这样才能够完成教学这个巨大的工程。传统的教学方式在很大程度上限制了现阶段的教学进步，过度强调教学个体在教学活动中的作用，忽视教学团队的力量，实验课程团队教学得到的重视程度远远不够[2]。

图8 采用PCMs复合建筑构件搭建的独立建筑Fig.8 Independent building constructed by building structures with PCMs

2.2 主动式相变储能

主动式相变储能是指PCMs 对外加冷热源的能量先进行存储，之后在使用的过程中将储存的能量释放出来的一种储能方式，将PCMs 和太阳能采暖、电加热地暖、空调通风制冷等设备结合，成为主动式蓄能体，可以通过换热装置和换热介质进行主动调节与控制，主要包括电加热辐射采暖、热泵系统等。

2.2.1 相变地板辐射供暖系统

由于PCMs 具有较高的储热密度且相变过程中温度和体积的变化可以忽略不计，这样的潜热储存技术在地板辐射供暖系统中受到广泛关注。相变储热地板是将PCMs 与地板材料复合制成的储热地板。由于PCMs 在吸热、放热过程中伴随着相变过程，所以其在一定温度范围内能吸收或释放大量的潜热。采用相变储热地板可以省去储热水箱，还可以减少供暖地板结构厚度，能有效减轻建筑物自身负担，既能达到改善舒适性的效果又能节约能耗［61］。同时相变地板辐射供暖系统可以在非高峰时段储存热能，在高峰时段需要时释放热能，从而在能源供需之间取得平衡，提高能源效率。例如，利用夜间廉价电加热PCMs 使其发生相变以潜热形式储存热量，白天再通过相转变将储存的潜热释放出来给房间供暖，电加热相变储热地板模型如图9所示。

图9 电加热相变储热地板模型［55］Fig.9 Model of electric heating phase change heat storage floor［55］

Sun等［62］探索了双层辐射地板系统，下层采用十二水合磷酸氢二钠基复合材料（相变温度31.3 ℃，PCMs），上层采用六水氯化钙基复合材料（相变温度20.2 ℃，PCMs）。在环境温度31 ℃和恒定冷水温度10 ℃下，研究了试验室在夏季气候中的冷却性能。由于持续供应冷水，实验室的地板表面温度和室内温度逐渐降低，室温从31 ℃降至19.5 ℃需要1.5 h，比无相变材料层的参照室延长了1倍的时间，且室内热舒适持续时间长达8 h。相变储能地板实验室延长热舒适时间有助于在实际应用中转移峰值负荷和节约经济成本。

卢奇等［63］用以高密度聚乙烯作支撑材料，六水氯化钙（相变温度29 ℃）作为相变芯材制备了定形相变储热地板。当热水（平均温度40 ℃）停止供暖时，普通地板仅1.4 h就降低至24.9 ℃，而相变储热地板将自身储存的热能作为热源为房间供热。供暖热水停止0.5 h后，相变储热地板表面平均温度由40 ℃降低至34.6 ℃；1 h 后，由于此时地板中PCMs 处于固-液两相转变状态，温度恒定保持在29 ℃，地板表面温度保持在28.8 ℃，此温度在相转变过程下可维持6.5 h；6.8 h后，相变储热地板存储的潜热完全释放。所有供热源消失，地板表面的温度不断降低至24.9 ℃，此时应主动开启辅助热源进行加热满足室内热舒适性，整个过程维持了7 h。该相变储热地板可以通过将电转化储存的热能缓慢释放，以维持房间内热舒适度。

用于地板辐射供暖系统的PCMs 主要集中在有机化合物或其复合材料上，关于无机多晶聚合物的研究相对较少，但与有机PCMs 相比，无机PCMs 具有较高的热导率和热能储存密度，材料来源广泛且成本低，因此无机PCMs 在地板辐射供暖系统的应用中具有广阔的研究前景［64-66］。但是无机水合盐PCMs 在实际应用中存在过冷度大、严重的相分离等一些固有的问题，也有研究指出添加成核剂和增稠剂可分别有效改善水合盐PCMs的这些缺点［67］。

2.2.2 热泵系统

热泵作为一种节能设备多年来广泛用于建筑领域，但热泵技术本身存在低温性能差、换热器结霜等应用上的限制［68］。太阳能热泵系统是指利用PCMs 的储热性能将太阳能储存起来，之后与热泵技术相结合，用于供暖。

早在21世纪初期，Benli 等［69］就指出PCMs 储能系统与热泵系统结合是一种可行的供暖方式。Kelly等［70］针对英国独立住宅，建立了2种太阳能热泵系统模型，普通模型是在供热非高峰时段准备1 000 L热水用于在高峰期提供足够的热量来供暖，实验模型则是用500 L的市售无机水合盐代替1 000 L热水进行高峰期供暖（PCMs，其特性如表4所示），通过对比分析了PCMs和缓冲热水的储能热泵系统对房屋热量转移的区别。对比实验表明，当用500 L 的无机水合盐代替1 000 L热水时，不仅能产生同等热量用于高峰期供暖，也不会显著降低使用用户的房间温度或热水温度，而且较前者可以减少3 %的能量消耗，同时节约出来的空间面积也可用于产生其他的经济效益，从而实现高峰期供热负荷转移至非高峰期的目的。综合分析，含PCMs的热泵系统不仅增加了可用建筑面积带来的经济效益，也降低了传统热水储能热泵系统所产生的建筑能耗，有效实现了高峰期的能量转移达到建筑节能的目的。

表4 市售无机水合盐的特性参数Tab.4 Characteristic parameters of commercially available inorganic hydrating salts

总的来说，由于使用可再生能源，被动储能技术被认为是满足当前热需求的可持续技术［71］。因此，仅仅依靠由常规能源驱动的供暖/冷却系统已经导致现在乃至未来对不可再生能源的需求不断增加，阻碍了全球建立基于可再生能源的热能储存。因此，在建筑中使用PCMs 可以满足未来的能源需求、减少化石燃料消耗，以促进与联合国可持续发展目标相关的基础设施的完善［72］。

2.3 相变储能材料在建筑领域的商业化应用

1982年，在美国能源部太阳能项目的支持下，相变建筑材料开始用于建筑工业。在20世纪90年代，相变储能技术被用于建筑材料，如石膏板、墙板和混凝土构件开始发展。之后，PCMs在混凝土砌块和石膏墙板等建筑材料的研究和应用中得到了应用。

2001年，世界最大的化学公司德国BASF 公司将总部员工住宅区中一幢70年历史的老建筑改造成了德国第一幢“3升房”——热能消耗相当于3 L/（年·m2）的耗油量，约等于4.5 kg/（年·m2）煤，如图10所示。而中国建筑平均是20 kg/（年·m2）煤，约为“3 升房”耗油量的4.5倍。在对总部员工住宅改造过程中，BASF 使用了具有内墙制冷作用的相变储能砂浆技术，其研制的相变储能材料Micronal-PCM 是中心为石蜡（PCMs）的微小聚合物球体，混入水泥砂浆或石膏板后通过石蜡的熔融吸热和结晶放热来调节环境温度，将其应用在楼房中可以减少30 %空调的使用频率。3 cm 厚含有该PCMs 的石膏涂层的吸热能力与18 cm 的混凝土或23 cm 的砖墙相同，该石膏涂层可使室内温度平均保持在22 ℃，湿度保持在50 %左右之间，是优异的冬季保温和夏季制冷材料［73］。

图10 德国第一幢“3升房”Fig.10 The first "3-litre House" in Germany

2013年，德国建造了一幢4 层公寓楼 “BIQ”太阳能建筑［74］。它是世界上第一座具有生物反应玻璃幕墙的太阳能建筑，幕墙可以收集太阳能并将其转化为热能，从而提供建筑内部的供暖和热水，采用了PCMs 作为一种新型的太阳能利用技术。其中使用硬脂酸（相变温度22 ℃）作为PCMs，在太阳照射吸热储存能量后，可以在建筑需要供暖或热水时释放热量，从而为建筑提供能量，实现太阳能的高效利用，同时还可以平衡室内温度，保持舒适的室内环境。硬脂酸还可以吸收过剩的热量，防止建筑过热，并在有需要时释放潜热来提高建筑温度。BIQ 太阳能建筑中使用的硬脂酸可以重复使用，使得建筑物的能源利用更加可持续。因此PCMs的使用可以降低建筑的能耗，减少对全球环境平衡的影响。

2013年，美国的PCMs 公司Cool Composites 开发了一种无机水合盐PCMs添加剂Cool Flux并投入生产和销售。这种新型添加剂被广泛用于建筑材料、纺织品、能源储存等领域，可以有效加强建筑或材料的保温、节能能力。在建筑领域，将Cool Flux 添加在聚氨酯泡沫液中后，形成的聚氨酯泡沫会自然形成一层包裹，将Cool Flux 密封在其中，保证无机水合盐在相变时的产生的水分不会流失。复合泡沫在白天可以吸热，到夜晚将储存的热量释放出来，维持室内温度恒定。聚氨酯泡沫在国内建筑业的应用还不像西方国家那样普遍，主要原因是国内的建筑多为高层的钢筋混凝土结构，本身的保温性能好，而西方国家的房子一般只有2 到3 层，不需要钢筋混凝土结构，可以直接用木板建造房屋，但是这种房子隔热保温性能并不好，需要在内部进行保温处理。完成木板结构后，用喷枪在内壁上喷涂上聚氨酯混合溶液。混合溶液迅速发泡，就可以形成一定厚度的保温层。而且Cool Composite 在市场调研中发现，添加了Cool Flux 的产品从外观和手感和普通的聚氨酯泡沫并没有差异，工人不需要其他时间或培训就可以直接使用（图11），承包商和生产商也不会对其有抵触。随着国内绿色、低碳、循环发展方式的不断推进，添加了无机PCMs 后同时具有了保温和储能作用的聚氨酯泡沫，在国内将有着巨大的发展潜力。

在邹某某雇员受害案例中，雇主作为一种转承责任，应该承担赔偿责任，因此，雇主孙某某应该承担赔偿责任，在司法实践中，第一种意见不能适用。对于第二种、第三种分歧意见辩驳的实质问题就是雇主与侵权第三人承担责任的性质。

图11 工人在喷涂含有无机水合盐PCMs的聚氨酯泡沫Fig.11 A worker spraying polyurethane foam containing inorganic hydrating salts PCMs

2015年，菲律宾Sunpower 公司新总部大楼建造完成。该建筑使用了一种名为BioPCM 的生物基PCMs，用于墙壁和屋顶的保温。根据SunPower 的官方发布的数据，使用PCMs 后所带来的经济效益和环保效益非常显著，最明显的是每平方米墙体和屋顶的冷却负载分别降低25 %和50 %。白天PCMs 能够将约30 %的热量吸收并储存，然后在夜间或低照度条件下释放回室内，通过降低室内温度波动来减少空调系统的使用，从而有效控制室内温度保持在22 ℃到26 ℃之间，从而减少冷却设备的负载并节省电费。因此PCMs 的加入不仅可以使建筑物减少能耗，提高能源效率，还能降低运营成本。

2017年，德国柏林热带植物园在双通风塔系统内部采用德国Rubitherm 公司生产的CSM 相变储能模块（相变温度25 ℃），该相变模块早在1975年就开始研发并投入生产，其运行原理就是白天储能箱中的PCMs将热量吸收并通过相转变储存在自身内部，晚上再将白天储存的热量释放出来。温室顶部空气和通风塔入口空气温度在白天最高时为30 ℃左右，夜晚最低在22 ℃左右，通过相变储能模块的调节作用，通风塔出口空气基本维持在26～27 ℃之间，从而维持温室内的温度恒定。整个温室使用了约3 t的PCMs，通过吸/放热循环，将白天储存的热量在晚间释放出来，极大地降低了空调系统的使用率和能耗问题。按每年运行200 d计算，该系统每年可节约电量22 000 kW·h，二氧化碳减排量可以达到5 t/年。

2018年12月，西安运维国际总部大厦专属供热机组调试成功，正式开始供暖，如图12所示。该供热机组采用2 台1 000 kW·h 的电锅炉提供热源，99 台相变储能（PCHS）机组以无机水合盐复合PCMs Mg（NO3）2·6H2O/NaNO3为相变储热单元进行储热/放热，虽然该供热机组占地仅200 m2，但供热面积可达3.7 万平方米。供热机组工作期间，晚上从23∶00 到7∶00，进行蓄热期为8 h 的电锅炉加热，同时PCHS 机组通过相变将能量储存起来。白天7∶00 关闭电锅炉，7∶00 至17∶00打开储热单元供热10 h。17∶00 停止供暖，利用储热单元和管道余热保持室内温度。在极端天气下，如果储热机组释放的热量不足以满足建筑物的供暖需求，电锅炉就会重新启动，提供补充热量。与市政集中供热相比，虽然投资成本增加了8 %左右，但供热运行成本下降了53 %。经测试，在4 个月的供暖期内PCHS 机组的加入可节省81.246 MW·h 的电力，减少碳排放246.1 t，同时减少了二氧化硫，灰尘和氮氧化物的排放，为建筑节能提供了一种节能减排的清洁供暖技术［75］。

图12 运维国际总部大厦Fig.12 Yun Wei international headquarters building

2021年12月，北京冬奥会和冬残奥会期间利用京兴能相变蓄热器中的独创的高密度、高稳定性、无机纳米复合相变储能材料在固-液相变过程中产生的潜热实现能量的储存和释放的特性，在冬奥会张家口赛区山地转播中心建成小体积、模块化相变储热-谷电清洁供暖示范工程，如图13所示，解决了在极寒天气及复杂山地结构条件下，以清洁能源为建筑供暖的难题。该工程总供暖面积为8 000 m2，圆满完成了为山地转播中心在冬奥会期间供暖的保障任务，为实现绿色、低碳冬奥提供了科技保障，且其作为我国在宣布双碳目标后举行的首个大型国际赛事，积极向全世界展现了我国低碳理念的落实以及相关建筑节能技术的进步。

图13 冬奥会和冬残奥会使用的相变储能箱Fig.13 Phase change storage tanks used in Winter Olympics and Paralympics

2022年12月，北京市首个高效相变储热供暖合同能源管理项目在北京市大兴区华润生命科学园落成，旨在将园区中涉及供暖面积4.6 万平方米的办公楼的供暖方式由燃气锅炉改造为高效相变柔性热池谷电蓄热供暖，即从化石能源转变为非化石能源。该蓄热技术的蓄热量比普通水箱提高2 至3 倍，即在相同的供暖面积下，水箱体积可缩小2 至3 倍。并且该项目可有效降低用电高峰期负荷，使高峰期与非高峰期用电、发电与用电趋于平衡。经计算，该采用相变蓄热供暖技术的项目，预计仅2.36年就可以完成投资回收，实现比其他供暖方式更好的投资回报。该项目的投入建设为建设降低化石能源使用率，提高清洁能源供暖覆盖率，落实国家“双碳”目标提供积极助力。

国外PCMs 在建筑领域的实际应用较为广泛，以美国Dupond、德国Rubitherm 等大公司为主，中小企业为辅，普通用户为载体已形成了一条完整的产业链，应用在民用和公共设施中。虽然我国在相变储热材料的理论和应用研究起步比较迟，但随着我国“双碳”战略目标的推进及建筑节能法律法规和相关扶持政策的不断完善，将相变储能材料应用于建筑领域实现绿色建筑推动建筑行业低碳转型成为现阶段可持续发展的主要目标之一，因此相变储能材料在建筑节能领域的应用有着巨大的潜力和机遇。

3 前景和进一步工作

一直以来，储能技术因其被视为一种合理、高效、清洁利用能源的重要手段，而作为其核心的相变储能材料，也受到业界的高度重视。有关资料显示，全国能源消耗总量的1/3 来自于建筑领域。提高建筑领域能源使用效率，降低建筑能耗，对整个社会都有着显著的经济效益和社会影响。利用相变储能建筑材料可有效利用太阳能等清洁能源来储热或在利用供电低负荷的电力来储热或蓄冷，使建筑物室内和室外之间的热波动幅度减弱，从而降低室内的温度波动，提高舒适度以及节约能耗。该项技术对早日实现“十四五”规划中的“碳达峰”“碳中和”有着重要意义，对早日实现建筑节能、加快现代能源体系建设有着广阔前景。

真正的建筑PCMs 还处于实验阶段［76］。在这一领域，未来的研究问题包括以下几个方面：

3.1 具有合适相变温度和潜热的复合材料

PCMs的确定一直是相关研究最重要的部分，但到目前为止还没有完美的PCMs 或相变复合材料。基于相变温度的PCMs 选择不当会导致潜热不能适当储存，从而导致建筑对供暖或冷却的能耗需求更高［77］。合适的PCMs 需能够解决现阶段遇到的大多数问题，如泄漏、热导率低等。如果PCMs 只适用于夏季温度调节，在冬季不显示任何效果，同样达不到节约建筑能耗的效果。冬季建筑结构的室内温度分布应与夏季基本相同［78］。在某些地方，夏季和冬季的温度变化很大，甚至白天也保持较高的温差，在这些地方，单一PCMs或同一相变区间的相变复合材料不足以提高建筑围护结构的储能能力。具有多重相变温度的相变复合材料对同时保证夏季和冬季能耗降低有着很大的实践意义。

遵医嘱，指导患者合理使用口服降糖药或皮下注射胰岛素，以控制血糖，同时积极治疗其它并发症；在此基础上，根据的慢性非传染性疾病健康管理模式的要求，对纳入病例进行统一管理，建立个人档案，加强健康宣教工作，同时定期进行随访观察或电话随访，详细记录患者的血糖水平及病情变化情况。

3.2 PCMs与支撑材料的混合技术

虽然对纯PCMs 的全面研究是必不可少的，但其单独在建筑领域的应用会面临各种各样的问题，因此选用合适的支撑材料或采用合适的封装技术以提高相变储能效率是一大难题。同时还要考虑到封装成本过高会导致相变储能建筑材料整体成本过高，从而失去了与其他储热方式相比的价格优势［32］。将PCMs 以不同方式引入混凝土等建筑材料是现阶段研究的方向，在保证建筑强度韧性的前提下，将PCMs 与建筑基体混合封装成为重要研究对象。

Study on energy method of soil slope stability XU Shu-zhen CHEN Zhen-lin(84)

3.3 相变复合材料的耐久性和建筑寿命

混凝土复合材料应用于实际建筑领域必须经历与建筑寿命相关的各个阶段（建筑规划、材料选择、规划和执行、修复和修复、施工和拆除）。然而在复合混凝土中使用PCMs 作为热能储存材料时可能会影响传统混合技术，其强度和韧性也会受到很大影响，导致建筑耐久度和建筑寿命需要从头计算，因此复合储能混凝土的开发仍处于早期研究阶段［79］。Haider 等［80］用火山岩真空浸渍十四烷（相变温度5 ℃，PCMs）制备了储能轻质骨料，并研究了其与混凝土的相互作用。实验中分别用50 %、100 %的储能轻质骨料代替普通骨料，其抗压强度分别降低了28.94 %和38.82 %，复合混凝土在获得优异储/放热性能的同时其自身强度也受到了影响。在混凝土中使用多壁碳纳米管和硅灰可以恢复储能混凝土复合材料的强度降低。因此引入PCMs 的混凝土的节能修复和拆除策略以及各种类型储能混凝土的耐久性和寿命周期评估，是未来建造绿色节能建筑的重要基础。

3.4 复杂的环境条件

由于全球变暖加剧，传统建筑结构无法应对全球温度的上升。室外温度的升高通过热流传导至室内，导致室内人员的热舒适性变差［81］。加之我国是一个地形复杂多样、山地面积广大的国家，这种地形特点造成我国农业经营多样化，增加了气候的复杂性。东部沿海与西部内陆受到光照辐射的强度有着很大的差别，因此在开发具有高热能储存能力的建筑之前，必须对当地环境条件进行适当分析［82］。不同种类、不同相变区间、不同相态的PCMs 可以应用于各种不同的气候环境条件，对克服我国环境气候多样性，降低各地区因环境不适产生的多余能源消耗有着巨大的实践性意义。

4 结语

我国是建筑能源消耗大国，在建筑领域消耗的化石能源位居全球前列，建筑能耗包括采暖、空调、照明、热水、家用电器和其他动力能耗。其中，以采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50 %至70 %。近年来随着人们可持续发展意识的增强和我国绿色低碳转型政策的颁布，相变储能材料作为可持续发展的新型材料逐渐走进人们的视野，并能与建筑基体混合得到相变复合材料，利用其独特的高储能效率和能源利用率解决当今建筑能源消耗巨大、供需不平衡的问题。

建筑节能是新型城镇化建设的重要内容，也是增强经济发展新动能、实现“碳达峰、碳中和”的关键着力点。在双碳目标要求下，建筑领域需要加快建筑节能标准提升步伐，大幅提升建筑能效，以更快节奏更大力度推进建筑用能低碳化。相变储能技术在建筑领域实现储能蓄能可以大幅度降低我国能源消耗，适应国家发展趋势和绿色可持续的建设理念，在建筑墙体、屋顶、砂浆、地板等各个方面都可以投入应用。因此将相变储能材料应用于建筑节能领域契合我国“十四五”规划和2035年远景目标，在未来有广阔的发展前景。