近年來，建築能耗在總能耗中所佔的比重越來越大，其中取暖和空調能耗在建築能耗中就佔據了５０％～７０％［１］。一系列的節能技術被應用於降低建築能耗，常用的包括牆體節能技術、屋面節能技術和門窗節能技術［２］。相變儲能技術是一種潛熱儲存技術，與傳統的保溫材料相比，相變儲能材料在蓄冷、過熱保護、溫度控制和優化建築體系方面有着獨特的優勢［３］。它可以將一定形式的能量在特定的條件下貯存起來，並在特定的條件下釋放出來，這一特點使它應用於建築節能領域時，能夠有效地降低室內溫度的波動幅度。目前，相變材料在建築節能領域的應用主要體現在兩個方面：被動式節能，即能量邊儲存邊釋放，充分利用自然界的冷熱源儲存能量；主動式節能，即能量先儲存後釋放，藉助人工冷熱源儲存能量［４］。不同氣候條件的地區應當採用不同的相變儲能方式，我國人口最爲密集、經濟較爲發達的地區是夏熱冬冷地區，該地區室內熱舒適度較差，每年用於夏季空調和冬季採暖用的能耗巨大。受當地氣候條件限制，被動式相變儲能很難發揮作用，而主動式相變儲能對於降低該地區建築能耗有着十分廣闊的應用前景。
１建築節能用相變材料的選擇與分類
被應用於建築節能的理想相變材料必須具有以下性能：相變溫度合適、相變潛熱大、化學性能穩定、無毒害、成本低、熱物性良好等。但實際上，沒有一種相變材料可以包含以上所有性能。因此，選擇相變材料時，優先考慮的是合適的相變溫度和較大的相變焓，之後再考慮其他因素的影響。目前，在建築節能領域應用較多的相變材料主要包括無機相變材料、有機相變材料和複合型相變材料［５］。有機類相變材料主要包括石蠟、脂肪酸、醇類等，其優點是應用溫度範圍較廣、無過冷和相分離現象、可循環利用，缺點是導熱係數低，易燃。無機類相變材料主要包括無機水合鹽、無機金屬等，其優點是單位體積潛熱儲存量大、成本低而易得、導熱性能優良、不易燃，缺點是相變時體積變化較大、有過冷及相分離現象［６］。複合類相變材料主要包括有機－有機、有機－無機和無機－無機類相變材料，透過複合的方式，可以克服單一類型相變材料的缺點，因此這一方式已成爲目前研究的熱點。表１列出了在建築領域應用的常見的一些相變材料。
２相變材料與建築材料的複合方式
２．１直接加入法
直接加入法是指將相變材料與水泥、石膏、砂漿、混凝土等傳統建築材料直接混合，這種方法簡便易行，經濟成本較低。但是採用這種方法必須注意以下幾點：（１）相變材料不能參與水泥的水化反應且不能與水化產物反應；（２）相變材料不能影響粘結劑和骨料之間的結合作用；（３）相變材料不能嚴重影響建築材料的力學性能和耐久性。然而，大多數情況下直接加入法往往會導致相變材料發生泄漏，從而會與水化產物反應或者影響整個系統的力學性能和耐久度。Ｆｅｌｄ－ｍａｎ等［１０］透過直接加入法在石膏板中摻入２１％～２２％的硬脂酸丁酯製成相變牆體，該牆體物理性能與普通石膏板相差不大，蓄熱能力提高了近９倍。
２．２浸滲法
浸滲法是指將混凝土、磚塊、牆板等建築材料浸泡在液相相變材料中，透過毛細管作用吸收相變材料。李喬明［１１］使用浸滲法制備了含相變石蠟的複合建築石膏材料，發現經過１００次熱循環後，相變溫度升高了４．３％，相變潛熱下降了１１％，耐久性較差。因此，此種方法制備的石膏板在實際使用中有較大的侷限性。
２．３封裝法
傳統的複合方式會導致相變儲能材料在與建築材料的複合過程中出現嚴重的泄露情況，且較低的耐久性制約了相變儲能材料在建築節能領域的應用。爲了解決這一問題，科研工作者們在將相變材料加入到建築材料中之前，先進行了一次封裝，從而可以有效地防止相變材料泄露，並且可以提高其力學性能和熱物性。常見的封裝方式包括吸附封裝和微膠囊封裝等。
２．３．１吸附封裝
吸附封裝是以吸附和浸漬的方式將相變材料吸附到膨脹珍珠岩、膨脹石墨、膨潤土等多孔材料中，製備成顆粒型相變材料。多孔基體材料來源廣泛，價格便宜，製得的顆粒型相變材料有效地解決了相變材料與建築材料的相容性問題，同時某些多孔材料還可以提高整個系統的傳熱性能。Ｓａｒｉ等［１２，１３］以膨脹珍珠岩爲支撐材料，分別以癸酸和月桂酸爲相變材料，製備了顆粒儲能相變材料，兩種脂肪酸與珍珠岩有着很好的相容性，並且珍珠岩能夠吸附大量的相變材料，經過１０００次以上的.熱循環後，兩種相變材料仍然保持了良好的化學穩定性和熱穩定性。在後續的研究中［１４－１６］，又以脂肪酸的二元複合物以及脂肪酸酯作爲相變材料，與水泥、石膏、蛭石、硅藻土、珍珠岩等多孔材料複合，製備了一系列的多孔基體相變複合材料。結果表明，透過二元複合法可以得到相變溫度適宜的相變材料，而脂肪酸酯類的相變材料則具有較高的相變焓，且絕大多數的相變材料都具有良好的熱穩定性和化學穩定性。魏豔玲等［１７］以膨脹珍珠岩爲支撐材料，癸酸－硬脂酸二元複合物爲相變材料，利用真空吸附法制備了顆粒型儲能相變材料，並將其添加到石膏基體中，製備了相變儲能石膏板。結果表明，透過真空吸附法二元複合相變材料的吸附質量分數達到了７５％，且經過５００次熱循環後仍然保持了良好的熱穩定性，加入２％的銅粉後，石膏板的導熱性能有了很大的提高。
２．３．２微膠囊封裝
在微膠囊封裝過程中，在粒徑爲１～１０００μｍ的顆粒相變材料表面包覆一層較薄的天然或者人工合成的高分子膜，這種封裝方式可以製備出相變溫度爲－１０～８０℃的相變材料。微膠囊封裝可以有效地防止相變材料的泄漏，增大相變材料的表面積從而提高傳熱速率。尚紅波［１８］分別以原位聚合法和介面聚合法合成了十二醇／脲醛微膠囊、硬脂酸丁酯／聚脲微膠囊和硬脂酸丁酯／聚氨酯微膠囊相變材料，研究發現當採取脲醛樹脂與蜜胺樹脂復配的方式時，十二醇／脲醛微膠囊相變材料的產率從５０％提高到９０％以上；當芯材壁材質量之比爲３∶１時，硬脂酸丁酯／聚脲微膠囊經過４００次熱循環後、硬脂酸丁酯／聚氨酯微膠囊經過１０００次熱循環後都具有較好的熱穩定性。蔣曉曙等［１９］研究了影響石蠟－密胺樹脂微膠囊的儲熱性能、包裹效率和表觀形態的２個主要因素：三聚氰胺－甲醛的物質的量比和密胺樹脂的固含量。結果表明，當密胺樹脂固含量控制在１０％～１５％之間時，對膠囊合成的影響較小，當三聚氰胺－甲醛的物質的量比爲１∶３時，微膠囊顆粒表面光滑，無團聚現象，對石蠟的包裹率可以達到７１％。Ｚｈａｎｇ等［２０］分別以甲苯二異氰酸酯、二乙烯三胺、聚醚胺爲油溶性單體，正十八烷爲芯材，苯乙烯－順丁烯二酸酐共聚物爲乳化劑，乙二胺爲水溶性單體，氯化鈉爲成核劑，使用介面聚合法制備了正十八烷／聚脲相變微膠囊材料。其中，以聚醚胺爲單體制備的微膠囊比其他兩者具有更光滑的表面形態，更窄的粒徑分佈，更高的封裝效率和反滲透能力，但熱穩定性相對較差。微膠囊封裝雖然解決了相變儲能材料耐久性的問題，但由於其高昂的封裝成本，很難實現規模化生產。爲了降低微膠囊式相變儲能建築材料的成本，研究者們主要從微膠囊與牆體的複合方式及微膠囊的封裝材料兩方面着手。Ｂｉｓｗａｓ等［２１］製備了一種新型的微膠囊相變儲能材料，將石蠟封裝在高密度聚乙烯小球中，之後將其與纖維板混合，並放置在測試建築的外牆部分。經實體測試和數值模擬發現，與將相變材料摻入整個外牆牆體相比，將相變材料摻入外牆的內側部分可以使得牆體具有更優越的熱舒適性。這種複合方式大大降低了微膠囊相變儲能材料的應用成本。Ｗａｎｇ等［２２］製備了一系列以碳酸鈣封裝的正十八烷微膠囊相變儲能材料，該相變材料有良好的熱穩定性、導熱性和耐久性。由於封裝材料是易得、低成本的碳酸鈣，使得該相變儲能材料在工業化生產中有着良好的前景。
３相變材料在建築節能領域的應用
３．１被動式相變儲能
被動式相變儲能指的是相變過程中完全依靠大自然的冷熱源來儲存能量而不借助人工冷熱源［２３］，此類儲能方式適用於晝夜溫差較大的地區。Ｋｕｚｎｉｋ等［２４］對一間翻新的辦公室進行了爲期１年的溫度實時監測，其中一個房間的天花板和側牆含有６０％的相變石蠟微膠囊，另一個不含有相變材料其他完全相同的房間作爲對比房間。研究表明，當牆體溫度和空氣溫度在相變溫度區間內變化時，相變材料可以充分發揮作用，從而調節整個房間的熱舒適性。Ｎｅｅｐｅｒ等［２５］研究了相變儲能石膏板的熱性能，並研究了相變材料的相變溫度、熔化溫度的變化區間和單位面積的潛熱儲存量的影響。研究表明，在實際使用中日間能量存儲量的範圍在３００～４００ｋＪ／ｍ２之間；當相變材料的相變溫度接近牆板的平均溫度時，日間能量存儲量可以達到最大。Ｅｎｔｒｏｐ等［２６］研究了地中海氣候條件下，含有相變微膠囊的混凝土板材在夜間對整個房間的調溫效果。研究者們製作了４個模擬盒子用於測試，其中有２個盒子含有５％的相變微膠囊。研究表明，含有相變微膠囊的混凝土板材的最高表面溫度降低了１６％，最低溫度升高了７％，說明在此氣候條件下，相變材料可以在不借助人工冷熱源的前提下有效地儲存熱量。爲了提高建築物內部的熱舒適性，Ｍｉｇｕｅｌ等［２７］在抹面砂漿中加入了２５％的相變石蠟微膠囊，並建造了模型盒子進行熱循環對比實驗。研究表明，以相變儲能砂漿製造的模型在春季和夏季的最高室溫分別要比普通盒子低２．６℃和２℃，透過數值模擬得到的溫度曲線也與實際檢測的溫度曲線非常接近，對相變材料的一些參數進行分析後發現，在砂漿中增加相變材料的摻量並不能明顯降低室內最高溫度，而針對不同的環境條件，需要使用不同相變溫度區間的相變材料，從而達到最佳效果。Ｓａｙｙａｒ等［２８］以癸酸和月桂酸的二元複合物爲相變材料，石墨爲多孔基體，製備了定形相變材料，並製成了含有夾層結構的相變石膏板，之後分別建造了含有相變石膏板和普通紙面石膏板的測試模型，對模型內的溫度進行實時監控，發現含有相變石膏板的模型室內溫差要比對比參照模型低１１℃。經過數值模擬發現，相變材料的加入使得將溫度維持在人體舒適度範圍內所需要的能量節約了近７９％。Ｐａｓｕｐａｔｈｙ等［２９］製備了一種含有無機水合鹽相變材料的建築屋頂，經數值模擬和實驗驗證後，發現該建築屋頂在冬季時能將溫度維持在相變溫度範圍內，但是到了夏季，由於屋頂溫度始終維持在相變溫度以上，相變材料始終處於液相，因此無法發揮蓄熱作用。對此，研究者透過數值方法從理論上研究了一種含有雙層相變材料的屋頂的調溫作用，上層相變材料的相變溫度爲３２℃，下層相變材料的溫度爲２７℃。經理論分析，上層相變材料的相變溫度需比夏季清晨的環境溫度高６～７℃，從而可以使相變材料在熱循環開始前處於凝固態。由於上層相變材料的存在，使得下層相變材料可以充分發揮調溫作用，將天花板的溫度控制在自身相變溫度變化範圍內。
３．２主動式相變儲能
在某些晝夜溫差較小的地區，如夏熱冬冷地區，僅僅依靠大自然的冷熱源，相變材料很難充分發揮其作用，爲了解決這一問題，研究者們引入了人工冷熱源來輔助相變材料的加熱或製冷。常見的主動式相變儲能裝置主要包括相變蓄冷吊頂輻射供冷系統、相變儲能熱水採暖系統等。Ｋｏｓｃｈｅｎｚ等［３０］製備了含有石蠟微膠囊的相變石膏天花板，並引入了毛細管冷卻系統用於冷卻相變材料，確保相變材料在每次熱循環之前都處於完全凝固狀態，使其能夠充分發揮蓄熱能力。透過數值模擬確定了相變天花板所需要的熱性能，經過實驗測試後，發現在相變材料完全融化爲液相之前，天花板的溫度被控制在２４℃以下，室內溫度被控制在２８℃以下。關於這種相變天花板的防火性能還需進一步驗證。馮國會等［３１］研製了一種新型的相變太陽能熱水採暖地板，該地板包含毛細管熱水加熱裝置和大體積封裝的相變儲能材料。對該地板的熱性能進行數值分析和實驗驗證後，發現在熱水加熱裝置關閉的１６ｈ內，相變地板爲面積爲１１．０２ｍ２的房間提供了３７６７７．６ｋＪ的熱量。進一步研究表明，改變供暖水溫和裝飾層材料的導熱係數有助於調節地板表面溫度。Ａｎｓｕｉｎｉ等［３２］在輕質輻射地板中加入了顆粒相變儲能材料，並在輻射地板內部插入定製的鋼片，提高其導熱性能。經過有限元數值分析後，發現對於一個１６ｍ２的房間，在夏季相變材料的引入可以使蓄冷輻射的用水量降低２５％，但是在冬季，相變材料對於整個系統的採暖輻射沒有影響。Ｄｕｂｏｖｓｋｙ等［３３］以冬季亞熱帶地區的一間中間樓層的房間爲研究對象，該房間配有８扇１．５ｍ×１．５ｍ的窗戶，同時在地板下鋪設了一層２０ｍｍ厚的相變石蠟層作爲熱源，利用便宜的谷電來加熱，另一間除了沒有窗戶，其他配置相同。經實驗比較，沒有窗戶的房間需要１６ｋＷ的電量，要比有窗戶的房間節約２０％的電量。在加入了翅片後，相變材料融化和凝固的速率都得到了提高。而相變材料給予了整個房間較高的熱惰性，使得即使在電加熱功率不足的情況下，室內溫度降低依然緩慢。牛潤萍等［３４］建造了兩間主動式太陽房，以太陽能熱水爲熱源，其中一間採用相變蓄熱地板供暖，另一間採用乾式地板供暖。經比較，使用相變蓄熱供暖的房間室內最低溫度比干式地板供暖的房間高２～３℃，室內溫差減小３．５℃，相變材料與節能建築圍護結構結合使用，最大程度地利用了太陽能光熱。閆全英等［３５］研究了相變材料對熱水採暖牆體熱性能的影響，實時監測了牆體表面溫度和熱流變化，同時利用有限元分析分別對普通牆板和相變牆板的傳熱過程進行了數值模擬。結果表明，雖然在供暖過程中，相變牆板的表面溫度比普通牆板低，但是當停止供暖後，相變牆板的表面溫度和熱流下降緩慢，仍然能持續向室內供熱，室溫波動較小。李建立等［３６］以微膠囊石蠟作爲相變材料，以木粉和高密度聚乙烯複合物爲基質，製備了一種新型的定形相變材料，該相變材料有良好的導熱性和力學性能，但是有明顯的過冷度。之後，研究者們透過數值方法分析了該相變材料作爲地板電採暖系統中儲熱層的可行性。經分析，該相變材料能夠有效地調節室內溫度和降低用電成本，並且相變材料的作用很大程度上取決於電採暖系統的工作模式和相變材料自身的厚度。Ｍａｚｏ等［３７］自建了數學模型用於模擬相變材料在輻射地板中的傳熱過程，首先透過ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ建築能耗模擬軟件驗證了所建立的建築模型的精確度，之後建立了一維模型用於模擬輻射地板的傳熱過程，在此基礎上引入了相變溫度爲２７℃的顆粒定形相變材料作爲案例分析。經數值模擬後發現，輻射地板引入相變材料後幾乎可以完全把電能消耗從高峯期轉移到非高峯期，與傳統的輻射地板相比，節約了接近１８％的能源消耗成本。雖然主被動式相變儲能的原理比較簡單，但是目前國內對於整個建築體系儲能效果的評價仍不完善，影響了相變儲能材料的規模化應用。周全等［３８］提出了相對時間滯後率、節能效率和峯溫差３種評價指標，並自主研製了評價裝置。透過相變儲能石膏板和絕熱材料參比板的對照試驗，驗證了節能評價裝置的可行性。其中節能效率和相對時間滯後率能夠直接和間接地評價相變材料的主被動節能性，而峯溫差的引入可以進一步評價被動式相變儲能建築的節能性。
４結語
目前國內外學者已經開發了大量不同類型的相變儲能材料，並將其用於被動式或者主動式的建築節能中。對於被動式相變儲能，需要根據當地的氣候條件及建築圍護結構的組成、朝向等選擇具有合適相變溫度的相變材料；對於主動式相變儲能，其評價標準應當是相變材料的引入能否在原有的基礎上帶來能耗的降低。大量的實驗探究和數值分析已經證明了相變材料在建築結構中所起的積極作用，但是由於影響相變材料在建築結構中表現的因素是多元化的，對此仍然需要進行長期的監測和進一步的研究。