近零能耗建筑中相变建筑材料的研究进展-USB迷|专注于互联网分享

2024年4月15日发(作者：田以冬)

暖通空调HV&AC 2021年第51卷第2期

[引用本文]贾敬芝.近零能耗建筑中相变建筑材料的研究进展[J].暖通空调，2021,51(2) :47-54

近零能耗建筑中相变建筑材料的

硏究进展

上海联创设计集团股份有限公司贾敬芝☆

摘要近零能耗建筑是采用被动式建筑设计和主动式节能技术、以最低的能源设备功耗

获得舒适室内环境的建筑。相变建筑材料的使用可以提高建筑围护结构的热惰性，减少室内

温度的波动，降低供暖、空调设备的容量，同时能与太阳能、空气能等可再生能源相结合，降低

建筑设备能耗。从不同围护结构的角度介绍了相变建筑材料的分类与特点，综述了国内外相

变围护结构的研究进展，列举了相变建筑材料在近零能耗建筑中的被动式设计案例。分析了

相变建筑材料的研究方向，以及相变建筑材料在被动式设计和主动式节能技术上的发展趋势，

为近零能耗建筑的研究和设计提供参考和依据。

关键词相变建筑材料近零能耗建筑围护结构被动式节能研究进展

Review on phase change building materials in

nearly zero energy buildings

By Jio Jingzhi^

Abstract Nearly zero energy buildings adopt passive architectural design and active energy saving

technology to achieve a comfortable indoor environment with the lowest power consumption of energy

equipment. The use of phase change building materials can improve the thermal inertia of building

envelopes» reduce indoor temperature fluctuations, reduce the capacity of heating and air conditioning

equipment, and reduce energy consumption of building equipment by combining with solar energy, air

energy and other renewable energy. Presents the classification and characteristics of phase change building

materials from the perspective of different building envelopes, summarizes the research progress of phase

change envelopes at home and abroad, and lists the applications of phase change materials in passive design

of nearly zero energy buildings. Puts forward the research trend of novel phase change materials and the

development direction of phase change building materials in passive design and active energy saving

technology，providing a reference and basis for the research and design of nearly zero energy buildings.

Keywords phase change building material, nearly zero energy building，building envelope, passive

energy saving，research progress

★ Shanghai United Design Group Co., Ltd., Shanghai, China

引言

随着人们对工作和居住环境舒适性要求的不

建筑能耗越来越重视，各种建筑节能措施不断地被

开发和应用。在此背景下，欧盟在其《建筑能效指

令

》（Energy performance of building directive,

断提高,建筑能耗已经成为社会总能耗的主要构成

之一。根据欧盟的统计，建筑能耗已经占到社会总

能耗的40%，造成的C02排放量占总排放量的

40%以上[1_«。与同等气候条件的发达国家相比，

我国住宅类建筑单位面积能耗要高出2〜3倍

根据住房和城乡建设部的统计，我国95%的建筑

属于高能耗建筑，节能潜力巨大[4]。因此,人们对

EPBD)

中提出了近零能耗建筑

（nearly zero energy

building)

的概念，并要求在

2020

年年底前所有欧

贾敬芝，女,1971年6月生，大学.高级工程师，集团暖通副总工

200093上海杨浦区控江路1500弄1 - 10号主楼二楼

E-mail ：******************.cn

收稿日期：2020-02-17

修回日期•• 2020—03-09

☆

暖通空调HV&AC 2021年第51卷第2期

科技综述

盟的新建建筑达到近零能耗建筑标准。我国住房

和城乡建设部也在2019年1月颁布了 GB/T

51350—2019《近零能耗建筑技术标准》，提出要通

过被动式建筑设计最大幅度地降低建筑供暖、空

调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度地提高

能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最

少的能源消耗提供舒适的室内环境[5]。建筑被动

式设计是指采用合适朝向、蓄热材料、遮阳装置、自

然通风等策略，尽可能利用可再生能源M。其中，

相变材料（phase change material，PCM)是利用自

然条件下的温差作为相变过程的驱动力以实现对

热量的吸收和释放，可以对太阳能等可再生能源进

行调控、分配和高效利用，从而降低建筑能耗，是一

种极具潜力的被动式建筑节能材料[7]。

1近零能耗建筑的热力系统

每个建筑物都存在着能量的获得、消耗与储

存，并通过围护结构与外界进行换热[8]。图1为近

零能耗建筑的热力系统原理图，图中显示了相变材

料技术与建筑能耗的关系。建筑物的围护结构存

在热阻与热容，导致了室内外热量传递的延时。而

相变建筑材料的使用，可以改变围护结构的热阻与

热容，通过控制热量传递的延时性，可以影响建筑

内部的能量平衡，降低供暖与空调系统的能耗。

Feng等人实验研究了相变建筑材料对夏季建筑冷

负荷的影响，结果如图2所示W。保持室内温度不

变，采用相变建筑材料房间的夏季空调供冷量要显

著低于普通房间。可见，将相变材料技术应用于建

筑节能，是一种可持续的方式[1°]，可以帮助建筑更

容易地实现净零能耗建筑标准。因此，在设计近零

能耗建筑时应尽可能地使用可再生能源和相变材

料技术，而确定合适的相变材料类型和节能措施十

分关键。

室外气象秦件

热舒适性

消耗

能量{储存

应用相变材料技术

♦

夭么〜

近零能耗建筑

室内负荷与需求

建筑能耗

可再生能源

(能董消耗"

能置储存，

图1近零能耗建筑的热力系统「8]

相变建筑材料在近零能耗建筑中的应用可分

〇

时刻

Iff

通房间 ■■相变材料房间

图2相变建筑材料房间与普通房间的空调供冷置对比

为被动式和主动式2种。被动式应用是通过相变

建筑材料去抵抗或者利用外界的干扰，从而降低室

内冷热负荷或提高室内舒适性，例如利用相变墙体

延缓室内外传热量峰值。而主动式应用是指在建

筑环境设备中使用相变材料去降低设备能耗，比如

相变通风[11]、空调与热泵[1M3]、太阳能辐射供

暖[14]、热回收装置[15_16]等。本文主要介绍相变建

筑材料在近零能耗建筑中的被动式应用。

2相变材料的分类

相变材料按照不同的物理性质可以分为固-

液、固-气、液-气、固-固材料，在近零能耗建筑领域

主要使用固-液和固_固材料[17_21]，如图3所示。相

变材料按照化学性质又可分为有机物、无机物等。

按照相变材料与建筑材料的结合方式不同可分为

混合式、嵌人式等。虽然目前相变材料种类很多，

但是常用的相变材料存在许多问题[8]，比如：

图3近零能耗建筑中的相变材料

1) 有机相变材料导热系数较低，单位体积的

相变潜热也比较低，相变前后的体积变化大。

2) 水合无机盐成核性比较差，需要的过冷度

较大，并且容易发生相分离现象，腐蚀性强。

3) 共晶混合物的热物性不明确，缺少必要的

2021(2)

贾敬芝:近零能耗建筑中相变建筑材料的研究进展

数据，一些脂类共晶混合物具有强烈的气味。

不同类型的相变材料具有各自的优缺点，因此

研究人员取长补短将有机和无机材料结合起来，并

通过添加纳米无机添加剂改善相变材料的热物性，

这是开发新型相变材料的热点方向[22_23]。

将相变材料用于近零能耗建筑的围护结构，是

一种被动式的建筑节能技术，可以提高建筑围护结

表1

制造商

相变建筑材料

石膏板(天花板+墙壁）

石膏墙板

黏土石音墙板

天花板

墙和天花板

墙壁，天花板，地板

天花板和墙板

和质量分数

丙烯酸

丙烯酸,30%

丙烯酸，20%

丙烯酸，25°/。

石蜡，60%

脂肪酸酯类，100%

丙烯酸

相变材料类型相变温度/

•C

23,25

21. 7

23,25,27

23,26

构的热惰性，减小室内温度波动，从而改善居住的舒

适*性[24]。相变材料可使用在墙体、窗户、屋顶、地板

上[25]。表1给出了目前一些建材制造商推出的相

变建筑材料。通过调整相变材料与普通建材的不同

配比，获得适用于不同围护结构和气候环境的建筑

材料。从表1可以看出，丙烯酸和石蜡是2种最常

用的相变材料，相变石膏板是最常见的建材类型。

潜热/

(kj/kg)

110

132

165〜200

25. 9

110

2. 50

2. 10

2.01

1. 20

0. 18(固体），

0• 14(液体）

0. 20

0. 88

40X120X1. 5

60X60X2. 5

120X240X1.2

2. 7

10.2

比热容AkJ/

(kg • *C ))

1. 16

1. 20

导热系数/

(W/(m- K))

0. 27

0. 23

尺寸/

50X100X2.5

125X200X1. 2

62X125X2.2

60X60X2.5

100X120X0. 5

面积质量/

(kg/m2)

4. 5

国内外不同制造商推出的相变建筑材料[2«

3近零能耗建筑中的相变建筑材料

相变建筑材料使用在近零能耗建筑中，不仅能

高到75%，在干燥气候下由73%提高到93%[27]。

因此，相变材料不断被提倡用在低能耗建筑或近零

能耗建筑中，表2为近些年世界各地部分具有代表

性的相变建筑材料研究成果。可以看出相变建筑

材料正逐步从简单的装饰材料转变为多样的砌筑

材料。下面从不同围护结构部位来介绍相变建筑

材料的研究进展。

相变温度/’C

27.4

25,30,34,44

18 〜24

20. 0〜25. 4

10,24,26,28

24. 8〜31. 4

23,27

15 〜23

13. 6 〜23. 5

22 〜25

建筑部位

复合木塑板墙体

复合木塑板屋顶

窗户

墙体

砖墙

墙体、天花板、地板

微胶囊墙体

多功能板

墙体、天花板

墙体

混凝土

建筑测试类型

测试室

现场实测结合数值模拟

测试室

小型测试室

大型测试室

测试室

测试模块原型

测试室

测试柜

现场办公楼

小型测试室

够有效降低建筑能耗，而且还能提高建筑的热舒适

性。Ahangari等人将相变材料用于实验房的墙

体、地板、天花板等围护结构，在气候干燥和半干旱

条件下的供暖能耗分别降低了 17. 5%和10. 4%，

而且室内热舒适满意度在半干旱气候下由63%提

表2

作者

Valizadeh 等人[28]

Yang 等人[29]

Hu等人[3Q]

Delcroix 等人[31]

Guarino 等人[32]

Wang 等人[33]

Kheradmand 等人[34]

Lee 等人[35]

Favoino 等人[36]

Castell 等人[37]

Navarro 等人[38]

Borderon 等人[39]

Entrop 等人[40]

地点

伊朗德黑兰

韩国首尔

丹麦奥尔堡

加拿大魁北克

加拿大蒙特利尔

中国上海

人工气候室

美国堪萨斯

意大利都灵

西班牙列伊达、新西兰奥克兰

西班牙列伊达

法国里昂

荷兰恩斯赫德

相变材料类型

复合石蜡

石蜡

相变建筑材料在低能耗建筑应用的研究

大豆油和棕榈油

石蜡

SSPCMCGH-20)

石蜡

盐水

混合材料

石蜡

丙烯酸

3.1墙体

按照相变材料与建筑材料的结合方式，相变建

筑材料墙体可分为混合式相变墙体和嵌入式（定

形)相变墙体等[〜42]，两者的区别是相变材料与建

筑材料是否均相分布。混合式相变墙体是将相变

材料与普通建筑材料均匀混合，又可分为直接混合

式和胶囊式[42]，目前的前沿应用是微胶囊式相变

墙体，如将微胶囊化的石蜡加人混凝土中形成相变

墙体[43]。而嵌人式相变墙体是将相变材料嵌人到

建筑材料的内部或外部的空隙中。

3.1.1微胶囊式相变墙体

微胶囊式相变墙体是将相变材料微胶囊化，并

与传统的建筑材料均相混合，制成的混凝土或石膏

板中包含了相变微粒，具备储存热量的功能。

暖通空调HV&AC 2021年第51卷第2期

科技综述

Cabeza等人研究了一种新型相变材料混凝土，通

过聚氯联苯将丙烯酸微胶囊化，添加到混凝土内实

现墙体的能量储存，并在莱达(西班牙)使用这种混

凝土建造了小屋。研究结果表明，使用胶囊化相变

材料的墙体结构稳定，使得夏季室内最高温度降低

1 °C，最低温度下降2 °C，室内峰值温度出现时间

延迟了 2h[44]。Schossig等人研究了石膏板对办

公楼热环境的影响，办公楼墙体采用轻钢龙骨结

构，所用的石膏面板中混人了微胶囊相变材料，如

图4所示，微胶囊平均直径为8 mm，均匀分散在

石膏晶体中。研究结果显示，在测试周期内，采用

这种相变墙体使房间温度高于28 'C的时长从50 h

下降至5h，房间的热环境明显得到改善Sd

等人在抹灰砂浆中加入25%的丙烯酸相变材料，

得到的相变抹灰砂浆潜热为25 kj/kg，相变温度为

23〜25。(：，导热系数为 0. 3 W/(m •。0[46]。

图4带微胶#相变石裔板的轻钢龙骨墙

3.1.2嵌人式相变墙体

与胶囊式墙体的均相混合方式不同，嵌人式相

变墙体中建筑材料与相变材料在宏观上存在明显

的界限。Silva等人开发了一种嵌入式相变黏土

砖，即将石蜡包裹后嵌入空心黏土砖中，使用这种

相变黏土砖的测试房间的夏季室内温度下降了 5

°C以上，温度峰值延迟了 3h[47]。Bontemps等人

以玻璃砖为外壳材料，填充相变材料后制成相变玻

璃砖砌块，并用相变砌块建造了太阳能被动房，用

实验和数值模拟相结合的方法，比较了脂肪酸、石

蜡和盐水3种相变材料的蓄热性能，提出了将相变

砌块与夜间通风相结合的设计方法.以进一步降低

建筑能耗[48]。

3. 1.3通风式相变材料墙体

除了在建筑墙体中直接使用相变砌块来降低

建筑能耗外，通风墙体与相变材料的融合使用也是

相变墙体的一种形式，体现了近零能耗建筑的主动

和被动措施的结合。这种形式通过在墙体中加入

风道，利用自然通风或机械通风，增强室内空气与

墙体相变材料的自然对流或强制对流，从而改善室

内热舒适性。Ling等人采用相变材料研制了主

动-被动通风墙体，如图5所示，墙体从内到外由相

变材料、空心砖、实心砖、聚苯乙烯板组成，并采用

数值模拟结合实验验证的方法研究了不同相变温

度和潜热对墙体换热效率和最低室内空气温度的

影响，结果显示最优的相变温度为27. 7 °C，冬季室

内最低温度为15 °C，蓄热效率达到了 86. 7%=4«。

Stazi等人也设计了类似的通风相变墙，并在地中

海住宅中实测了这种墙体对全年室内温度的影响，

结果表明通风相变墙能更好地延缓墙体温度的峰

值出现，有助于室内温度的稳定[5°]。

3.2窗体

窗体也是建筑重要的围护结构之一，且单位面

积的传热量要显著大于墙体，因此适用于窗体的相

变材料和结构也不断被开发。Kolacek将六水氯

化钙作为相变材料添加到窗户玻璃夹层中，使窗户

的热惯性显著提高，能有效降低窗户的传热量。实

验结果显示，相变窗体可在室外气温一 15 "C时保

持窗体内表面温度为25 ’C，并使室内温度保持在

21°C[51]。Zhang等人建立了相变玻璃窗模型，将

混合有Al2〇3、Ti02和ZnO等纳米颗粒的石蜡加

人双层玻璃中，如图6所示，并研究了这种窗体的

传热过程及纳米颗粒对相变材料换热性能的影响，

研究结果表明，在石蜡中加人TiOz后，窗体内表

面温度在夏季降低了 0.82 °C，加入ZnO纳米颗粒

后，窗体内表面温度在过渡季和冬季分别升高了

0. 84 °C 和 0. 89 °C[5幻。

Hu等人研发了一种通风式相变材料窗户，并

2021(2)

贾敬芝:近零能耗建筑中相变建筑材料的研究进展

图6纳米相变材料复合双层玻璃窗结构示意图CM

且通过窗户出风口的转换，实现了夜间通风、夜间

制冷和日间预冷3种模式，如图7所示。该窗体下

部设置了由相变材料组成的换热器，当装置在夜间

运行通风模式时，室外冷空气带走换热器中相变材

料的热量，从而在白天相变换热器可以降低送入房

间的新风温度。实验研究结果表明，一块1〇 mm

厚的相变材料的换热效率可达89. 85%，在夜间可

以放热4〜5 h，在白天可以吸热3. 9 h，吸热量可

达 3. 19 MJ[30]。

3.3屋顶

屋面材料受日晒雨淋，容易发生老化和漏水的

现象，因此需要考虑复合相变材料的防水性和光照

稳定性。Fabiani等人研究了石蜡含量分别为

15 %、2 5 %、3 5 %时聚氨酯屋面的防水性、热稳定

性，研究结果表明，石蜡含量为25%的聚氨酯材料

具备最优的综合性能[53]。Yang等人研发了一种

嵌入相变材料(石蜡)的木塑板屋面材料，用于缓解

热岛效应，降低屋面温度。研究结果显示，当使用

含相变材料的屋面材料时，各季节屋顶表面温度都

得到了降低，平均下降了 4. 9

3.4地板

地板不直接接收太阳辐射，因此普通地板温差

和传热量较小，相变材料常常与电热地板供暖和太

阳能供暖相结合[54_56]。如图8a所示，在太阳能供

暖中，白天太阳辐射热通过集热器储存在带相变材

料的地板中，当夜间室内温度下降时相变材料开始

放热，达到供暖的目的，这属于被动式的节能措施。

张鑫等人设计了一套包含相变材料的太阳能供暖

系统，实验表明即使室外环境温度低至一 1〇 °C以

下，该系统仍能维持室内温度在20°C以上[57]。

a相变材料地板的太阳能供暖 b相变材料的电热地板供暖

图8相变材料应用于地板供暖

与太阳能地板供暖不同，电热地板供暖属于主

动式供暖，利用电网峰谷电价差的优势进行热能存

储。如图8b所示，在夜间低谷电时段发热电缆通

电后，不仅向室内提供热量，更主要的是加热相变

材料层，使相变材料熔化吸收热量。在非低谷电时

段，电缆停止加热，相变材料凝固释放热量，利用夜

间存储的热量来满足白天房间内的供暖需要。邢

靖辰等人研究了以脂肪酸共晶混合物为相变材料

的地板，结果表明脂肪酸共晶混合物的相变温度在

20〜30X：之间，可实现利用夜间8 h蓄热、白天16

h放热的稳定供暖模式[58]。目前针对相变材料地

板的研究很多，相变材料地板的结构也有很大不

同，图9为几种不同结构形式和相变材料类型的地

板辐射供暖系统构造示意图。

此外，相变材料地板还可以与热泵供暖技术相

结合，如Plytana等人针对建筑面积为100 m2的建

筑物，设计和模拟了 3种不同的太阳能辅助热泵地

板供暖系统，将相变材料放置在地板和加热系统之

间，并通过改变地板的收集面积、收集器类型和绝

缘层的厚度来检验不同的情况。结果证明，在地板

供暖系统上使用相变材料层可减少约40%的热负

荷[13]。

4结论

将相变建筑材料使用在近零能耗建筑中，一

方面可以提高建筑围护结构的热惰性，降低围护

结构与室内空气的温差，从而降低夏季室内温度

并减小室内温度的波动，减少建筑冷热负荷，提

高建筑的热舒适性；另一方面能够更好地利用太

阳能、空气能等可再生能源，降低建筑能耗。本

暖通空调HV&AC 2021年第51卷第2期

科技综述

木地板

空气

定形

层

电热

相

保温

膜

变

a定形相变材料地板辐射供暖结构[59]

装饰层

混凝土

埋管(金属网+相变材料)

保温层

b太阳能供热管+相变储能地板辐射供暖结构％

装饰层

n 1 I n____n i — i 〇

埋管(金属网+相变材料)

反射膜+保温层

水泥砂浆找平层

结构层

封装式相变材料地板辐射供暖结构w

木地板

无机相变材料层(毛细管网)

保温绝热层

结构层

d无机相变材料+毛细管网地板辐射供暖结构^

地板层+找平层

港热相变材料层(供热管网〉

蓄热相变材料层（供冷管网〉

保温层

结构层

供热、供冷管+相变材料地板辐射供暖结构

图9不同结构形式和相变材料类型的供暖地板结构

文介绍了目前常见的相变建筑材料，并介绍了国

内外在墙体、窗体、屋面、地板上相变建筑材料的

研究进展。

1) 丙烯酸和石蜡是最常用的相变建筑材

丙烯酸与水泥和石膏的融合性好

，一

般与建筑材料

均相混合，形成微胶囊式相变建筑材料，而石蜡与

普通建筑材料的融合性差，常作为嵌人式相变建

材。

2) 在研发和使用相变建筑材料时要考虑相变

材料的热物性、相变动力学、化学性质、经济和环保

性能。除了关注相变温度、潜热值、导热系数、过冷

度等参数外，相变材料的稳定性、防水性也必须考

虑。可以利用有机相变材料相变一致性好、无相分

离的优点，结合无机相变材料导热系数高、潜热大、

密度变化小的优点，研制复合型相变材料，并通过

添加A1203、Ti02和Zn()等纳米颗粒或添加剂改

善相变材料的性能。

3) 相变材料应用于近零能耗建筑并不局限于

被动式的节能技术，在地板供暖、热泵供暖等主动

设施中使用相变材料也能降低设备能耗、提高建筑

环境的热舒适性。另外，相变建筑材料与建筑通风

相结合能够提高蓄热材料的热效率，也能提高太阳

能、空气能的利用效率。

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