相变储能材料在建筑外墙中的应用技术研究

摘 要：针对当前建筑领域能耗高、外墙隔热性能不足等问题，系统研究相变储能材料在建筑外墙中的应用技术。研究分析相变储能材料的特性、分类及其性能要求，重点探讨微胶囊化、浸渍复合和直接掺入等制备工艺。开发相变储能保温板、蓄能砂浆等建筑外墙应用产品，并详细阐述其在外保温、内保温、涂层、幕墙和通风系统这五种外墙形式中的应用技术。研究表明，相变储能材料可有效提升建筑外墙的储能调温性能，显著改善建筑热工性能。

关键词：相变储能材料；建筑外墙；微胶囊化；储能特性；应用技术

1 前言

随着建筑节能要求的不断提高，传统建筑外墙材料已难以满足建筑热工性能的需求。相变储能材料凭借其优异的储能特性和温度调节能力，在建筑节能领域展现出广阔的应用前景。目前，国内外学者对相变储能材料的制备工艺及其在建筑中的应用进行大量研究，但在工程实践中仍面临诸多技术难题。深入研究相变储能材料在建筑外墙中的应用技术，对提高建筑节能效果、改善室内热环境具有重要意义。

2相变储能材料的特性分析

2.1相变储能材料的分类及选择

相变储能材料根据相变类型可分为固-固、固-液和液-气三类。在建筑外墙应用中，主要采用固-液相变材料，包括无机物和有机物两大类。无机相变材料主要是水合盐类，如水合氯化钙（CaCl2·6H2O）和水合硫酸钠（Na2SO4·10H2O），具有较高的相变潜热和导热系数，但存在过冷和相分离问题 [1]。有机相变材料包括烷烃类、脂肪酸类和醇类，其中正十六烷、正十八烷等直链烷烃因熔点适中（18℃～28℃）、相变潜热大（200～250 kJ/kg）、化学性质稳定而被广泛应用于建筑外墙。此外，共晶型相变材料通过调节组分配比可实现相变温度的精确控制，为建筑节能提供新的选择。

2.2相变储能材料的储能机理

相变储能材料的储能过程基于材料在相变过程中吸收或释放潜热的原理。当环境温度升高到材料的相变温度时，材料从固态转变为液态，吸收大量热量；当环境温度降低时，材料从液态转变为固态，释放储存的热量。以正十八烷为例，其在相变过程中的潜热高达244 kJ/kg，远大于普通建筑材料的显热容量。在分子层面，相变过程涉及分子间作用力的变化，固态时分子排列规则，分子间作用力强；液态时分子热运动加剧，分子间距增大。这种可逆的相变过程使材料能够不断吸收和释放热量，从而调节建筑外墙温度。

2.3相变储能材料的性能要求

相变储能材料在建筑外墙中的应用需满足严格的性能要求。相变温度应与建筑所在地区的气候特征相匹配，一般选择与室内舒适温度相近的材料；相变潜热应不低于120 kJ/kg，以确保足够的储能效果；导热系数应适中（0.2～0.5 W/m·K），过高会降低保温效果，过低会影响储能速率。材料还需具备良好的化学稳定性，在经过反复相变循环后，性能衰减应小于5%；体积变化率应控制在10%以内，以避免对建筑结构造成损害。此外，材料应无毒、防火、耐候，满足建筑安全性要求，燃烧性能应达到B1级及以上。

3相变储能材料的制备工艺研究

3.1微胶囊化技术

采用原位聚合法制备相变微胶囊，将正十八烷作为芯材，三聚氰胺-甲醛树脂作为壳材。制备过程中，通过控制乳化速率2000 r/min、乳化时间30 min、核壳比3：1，获得粒径均一的乳液。pH值调节为8.5～9.0，升温至85℃，加入三聚氰胺-甲醛预聚物进行缩聚反应。通过调控缩聚时间120 min、固化温度75℃，制得粒径在5 μm～8 μm之间的相变微胶囊，包覆率达到92%。经扫描电镜观察，微胶囊呈规则球形，壳层完整致密[2]。通过改进乳化工艺，添加十二烷基硫酸钠作为乳化剂，可提高微胶囊的机械强度，使其承受水泥浆体搅拌而不破损，保证在建筑材料中的应用效果。

3.2浸渍复合技术

设计真空压力浸渍装置，包括真空泵、压力室和温控系统。将轻质骨料在105℃下干燥24 h后，置于压力室中抽真空至-0.09 MPa，保持30 min，使骨料内部气体排出。将温度调节至60℃的液态相变材料（正十六烷）注入压力室，施加0.8 MPa压力持续2 h，使相变材料充分渗入骨料孔隙。通过优化浸渍工艺参数，轻质骨料的相变材料负载率达到32%。为防止相变材料泄漏，采用硅烷偶联剂对浸渍后的骨料进行表面改性处理，在骨料表面形成疏水保护层。改性后的相变储能骨料掺入砂浆中，表现出良好的储能效果和稳定性。

3.3直接掺入技术

针对直接掺入法中相变材料易泄漏的问题，开发相变材料改性技术。将十八烷基三乙氧基硅烷作为改性剂，按质量比2%与相变材料混合，在70℃下搅拌反应4 h，使相变材料表面形成网状交联结构。改性后的相变材料与水泥基材料的相容性显著提高，渗漏率降低至0.5%及以下。在混合搅拌过程中，通过分步加入法控制搅拌速度为60 r/min，并采用减水剂调节材料流动性，确保相变材料均匀分散。试验表明，改性相变材料的掺量以6%为宜，此时建筑外墙材料导热系数降低25%，储能效果最佳。

4相变储能材料在建筑外墙中的应用技术

4.1相变储能保温板制备技术

采用挤出成型工艺制备相变储能保温板，选用高密度聚乙烯作为基体材料，掺入质量分数为35%的微胶囊化正十八烷。在双螺杆挤出机中，将料筒温度设定为165℃、螺杆转速为80 r/min，通过调控螺杆组合形式优化剪切分散效果。为提高保温板的导热性能，添加质量分数为3%的碳纳米管，并通过超声分散技术实现其均匀分布[3]。挤出成型后的保温板规格为600 mm×1200 mm×50 mm，表观密度为42 kg/m3，导热系数为0.032 W/（m·K）。通过在保温板表面覆盖2 mm厚的玻纤网格布，并喷涂改性硅树脂乳液，显著提升保温板的抗压强度和耐候性。现场应用结果显示，相变储能保温板安装24个月后，储能效果衰减不超过8%，外墙系统导热系数提升控制在5%以内，展现出良好的工程应用价值。

4.2相变储能砂浆开发及应用

当前，开发了一种双组份相变储能砂浆系统，由干粉料和液体料组成。干粉料中包含普通硅酸盐水泥、粒径为0.15 mm～0.6 mm的沸石颗粒、粒径级配优化的轻质骨料；液体料由丙烯酸乳液、相变乳液和添加剂组成。在施工现场按质量比4：1混合，搅拌时间控制在3 min～5 min。为确保施工质量，砂浆的稠度控制在70±5 mm，初凝时间不少于5 h。如图1所示，现场施工采用分层喷涂法，每层厚度控制在8 mm～12 mm，两层之间间隔4 h，最终形成20 mm～25 mm厚的储能层。在外墙应用中，采用专用固定锚栓，锚固深度不小于25 mm，间距控制在400 mm。实测数据表明，相变储能砂浆层使外墙表面最高温度降低8.2℃，内表面温度波动减小62%，室内空调能耗降低21.3%。

5相变储能材料在建筑外墙中的应用形式

5.1外墙外保温系统中的应用

外墙外保温系统采用30 mm～80 mm厚的相变储能保温板，与墙体通过专用粘结剂连接。施工工序包括：基层表面清理处理，采用专用界面剂进行基层处理；保温板粘贴采用“点框法”，四周涂抹粘结砂浆，中间为“W”形布点，粘结面积≥70%；板材错缝拼接，接缝宽度控制在2 mm内。门窗洞口、阳角等特殊部位使用“L”形切割[4]。每平方米设置4～6个塑料膨胀锚栓，锚固深度≥40 mm；面层抹灰采用耐碱玻纤网格布，压入1：2.5水泥砂浆，网格布搭接宽度≥100 mm；饰面层选用弹性涂料，提供防水和装饰效果。

由此，系统构造从内到外依次为：基层墙体、界面层、粘结层、相变储能保温板、抹面层（含网格布）、饰面层。

5.2外墙内保温系统中的应用

相变储能石膏板内保温系统主要应用于既有建筑节能改造工程。施工时，先对原有墙面进行找平处理，确保基层平整度偏差小于5 mm/2 m。采用12 mm厚的相变储能石膏板，使用专用龙骨固定安装。龙骨间距控制在400 mm，与基层墙面之间留设20 mm厚的空气层。石膏板接缝处采用V型槽口，填充专用嵌缝膏并覆盖自粘性玻纤带。板面螺钉间距300 mm，钉头压入板面1 mm以内。为防止冷凝水损坏内保温系统，在石膏板外侧加贴0.12 mm厚的聚乙烯膜作为防潮层。施工完成后，采用净味内墙涂料作为饰面层。

5.3外墙涂层系统中的应用

相变储能功能涂料系统采用多道工序施工工艺。对基层进行处理，铲除浮浆和起壳部分，对裂缝进行V形开槽并嵌填弹性密封胶。随后涂刷丙烯酸酯乳液作为底漆，提高基层与功能涂料的粘结强度。相变储能功能涂料采用无气喷涂设备施工，喷涂压力控制在0.4 MPa～0.5 MPa，喷嘴与墙面距离保持30 cm。第一道喷涂厚度0.4 mm，养护2 h后进行第二道喷涂，总厚度控制在0.8 mm～1.0 mm。最后喷涂具有自清洁功能的纳米二氧化钛面漆。

5.4外墙幕墙系统中的应用

相变储能玻璃幕墙系统主要应用于高层办公建筑。采用双层中空玻璃结构，外层为6 mm厚的低辐射镀膜钢化玻璃，内层为6mm厚的普通钢化玻璃，中间设置12 mm厚的相变材料层[5]。幕墙竖向主龙骨采用铝合金型材，断面为100 mm×50 mm，横向次龙骨采用80 mm×50 mm规格。玻璃与框架之间采用EPDM橡胶条密封，四周边框采用断热铝合金型材。为防止相变材料泄漏，在复合玻璃四周采用双道硅酮密封胶封边。

5.5外墙通风系统中的应用

相变储能通风墙系统采用双层墙体设计，内外墙之间形成50 mm～80 mm宽的通风层。外层采用20 mm厚的相变储能板，由微胶囊化相变材料与水泥基材料复合制成。板材通过不锈钢挂件固定在L型角钢骨架上，板缝采用10 mm宽的明缝设计。通风层底部设置进风口，顶部设置排风口，可根据季节需求调节开启面积。夏季夜间利用自然通风带走储存的热量，冬季白天则可关闭通风层形成温室效应。

6结论

研究通过系统分析相变储能材料的特性和制备工艺，开发一系列适用于建筑外墙的相变储能产品。研究确定微胶囊化相变材料与建筑材料的最优复合工艺参数，创新性地提出五种外墙应用形式，包括外保温系统、内保温系统、涂层系统、幕墙系统和通风系统。研究成果为相变储能材料在建筑节能领域的工程化应用提供技术支撑，对推动建筑节能技术发展具有重要的实践指导意义。未来研究应着重优化相变材料的制备工艺，进一步提高其稳定性和耐久性，为大规模工程应用奠定基础。

参考文献

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[3]彭曲云.室内装修设计中相变储能材料的应用[J].储能科学与技术，2023，12（4）：1312-1313.

[4]何威.基于不同结构聚氨酯保温隔热材料的火灾行为的分析[J].现代物业（中旬刊），2019（6）：52.

[5]黄平，丁益民，胡婷，等.肉豆蔻酸-硬脂酸/改性粉煤灰复合相变储能材料的制备及性能研究[J].功能材料，2017，48（5）：5154-5158.