马 超 解 帅 等
摘 要：相变材料具有高储能密度和近似恒温储释热的优势，和传统建筑材料结合可实现建筑结构的节能减碳和温度调节，相变供暖系统可有效利用低谷电价和太阳能，优化能源结构，提高能源利用效率；建筑调温用相变材料一般耦合夜间通风技术使用，通过储存夜间冷量实现日间温度的调节，提高建筑舒适度，降低空调能耗。因此，相变材料对建筑领域的温度调节有着重要意义。
关键词：相变材料；建筑供暖；建筑调温；节能减碳
能源问题是人类社会发展面临的挑战之一，随着能源需求量的增长和传统能源资源的日益减少，煤炭、石油和天然气等化石能源的供应短缺和价格上涨可能导致生产成本上升，进而引发物价上涨，降低消费者的购买力。进入21世纪以来，我国能源消费总量逐年上升（如图1（a）所示），2022年能源消费量相比2000年的14.70亿吨标准煤增加了168.03%。热能作为人类直接利用的能源，主要来自煤炭和石油的转化；尽管煤炭、石油等传统化石能源占据我国能源消费总量的主导地位，但天然气、水能、核能、风能、太阳能等清洁能源消费的比重正在逐年增加（如图1（b）所示）。工业生产是我国能源消耗的主要领域，占据总能耗的七成以上，在工业生产过程中，尤其是在钢铁、水泥、玻璃、化工等产业中，一半以上的能耗以余废热形式直接排放到空气中，降低了能源利用率。余热回收利用不仅可以减少能源浪费，而且可以减少环境污染。事实上，50%左右的工业能耗可通过不同的余热收集形式进行回收再利用，且余热资源的回收利用率可达60%。然而，我国余热资源的回收利用率仅为30%，这表明我国的余废热回收领域仍有很大发展空间，可以进一步开拓并加大投入，以提高回收利用率，为可持续发展作出更大贡献。
习近平总书记2023年在江苏考察时指出，能源保障和安全事关国计民生，是须臾不可忽视的“国之大者”。能源关系着国民生计和国家安全，开发可再生能源和高效利用现有化石能源是缓解能源危机的有效措施，也是减少环境污染的重大举措。相变材料具有高效的储热潜力和近似恒温储释热的能力，相变储能技术以相变材料为核心，辅以相应的传热技术，可有效回收利用多余热能，解决太阳能、风能等新能源和可再生能源在时间和空间上不匹配的问题，提高能源利用率，减少温室气体的产生和排放。
一、相变材料概述
相变材料是一类具有近似恒温发生固—液—气物态变化并吸收或释放大量热量的物质，它作为潜热储热技术的核心，具有高储能密度、温和的相变过程和低应用成本的优点。相变材料种类繁多，目前已经发现超过500种有应用价值的相变材料，其中，固—液相变材料因其较高的相变潜热和较小的体积变化率，常作为潜热储热系统的储热介质。图2给出了100℃—800℃范围内不同种类相变材料的相变温度和相变潜热，发现不同种类相变材料的单位体积相变焓呈现随相变温度增加而增大的趋势，因此不同的应用环境中存在着最优的相变材料。温度相同时应选用潜热大、导热良好和过冷度较小的相变材料，同时封装材料应选用传热性好、耐腐蚀和承压性较好的材料，以延长潜热储热系统的服役寿命。研究表明，建筑能耗占社会总能耗的30%—40%，主要来自供暖和空调能耗。将相变材料和建筑结构相结合，可以通过调控室内温度变化提高热舒适度，从而降低建筑能耗。因此，目前主要研究80℃以下的低温相变材料可广泛应用于新型节能建材、供暖与空调节能以及电力的“移峰填谷”等领域，从而使建筑能耗控制在合理范围内。
相变材料的发展得到各国政府的高度重视，通过设立科研项目，为相变材料领域的科学家和企业提供资金和技术支持，推动成果转化，并举办相关会议，促进学术交流与合作。《中国能源科学2035发展战略》中明确指出，要进行高能量密度、紧凑化、微型化的潜热储热单元设计与优化和开发潜热储能—可再生能源耦合集成系统，实现可再生能源的提质增效与就地消纳。国家发展改革委发布的《产业结构调整指导目录（2024年本）》中将低成本相变储能墙体材料及墙体部件纳入鼓励类项目。此外，欧盟委员会在《能源2020战略》等文件中，明确提出加大对相变材料研究与应用的投入，推动其在节能减排、能源转换和储存方面的应用；美国国家科学院、工程院和医学科学院公布的《材料研究前沿：十年调查》同样指出，2020—2030年材料研究的机遇包括开发具有较大熔化热变化的新型相变材料，以提高太阳能热存储效率。政府的大力支持将大大缩短相变材料的产业化应用进程，有望在节能减排中发挥优势作用。
二、相变材料在建筑供暖中的效果分析
现行供暖标准规定住宅室内设计温度为18℃—24℃，在北方寒冷地区，冬季居住建筑供暖是增加室内温度、提高人体舒适度的有效措施。峰谷电价政策的推行对于优化能源结构，降低发电成本，发挥有限电力的最大经济效益有着重要意义。随着清洁能源的应用，国家大力推广电供暖，但白天峰电价格较高，且夜晚谷电得不到有效利用，造成发电成本和用电成本增加。选择将谷电转换的热能在用电高峰期释放，可实现电网削峰填谷。相变材料具有高储能密度，在用电低谷时储存大量热能，并在用电高峰期释放，以热代电，可优化资源配置，减少用电高峰期的用电量，保障电网安全运行。此外，充分利用太阳能集热技术搭建相变供暖系统可提高供暖效果，为了满足阴天的采暖需求，一般还需要配置辅助加热器。
相变材料较低的导热系数严重影响整个储热系统的换热效率，造成材料内部高潜热无法及时释放，因此高效的换热技术与相变储能技术相结合对于实现相变供暖有着重要意义。对水平及竖直放置套管式相变蓄热单元进行传热仿真，发现熔化过程中自然对流占主导，凝固时导热占主导，且水平放置时蓄热速率最大，但垂直放置顶部入射时放热速率最大。相比于光管、环形翅片套管相变储热系统，纵向翅片套管相变储热系统的充放热效果最佳。此外，多管式换热器通过增加传热面积加快相变材料熔化和凝固的速度。螺旋管式换热器具有结构紧凑、传热面积较大等优点，换热强度在一定范围内随单螺旋管式相变蓄热系统中螺旋直径的增大而变强。双管螺旋管换热器中相变材料的熔化时间比水平双管和垂直双管式换热器分别节省25.7%和60%。由于自然对流的影响，非等距螺旋管换热器（底部螺距较小）相对于等距螺旋管换热器，储热容量至少提高12%，并且相变材料的温度分布更加均匀，增加了蓄热能力。许多学者对相变供暖系统进行研究并有所创新。张亚磊等搭建的基于低谷电驱动的太阳能—地源热泵相变蓄热供暖系统在整个供暖季的低谷电利用率可达98%以上。蒋绿林等建立的温室用太阳能热泵土壤蓄能系统可提高环境温度3℃—8℃。常健等提出的高温复合相变储热材料电热装置可充分利用夜间低谷电进行储热，供暖费用较直热式供暖系统降低了57.76%。
三、相变材料对建筑调温的效果分析
随着全球气候变暖，夏季高温天气越来越频繁，迅速增加的空调使用频率使得建筑能耗急剧增加，据统计，空调能耗占整个建筑总能耗的40%—60%，并且很多企业的空调面积能耗在80kW·h/㎡—200kW·h/㎡，是普通住宅单位耗能的5—10倍。因此，如何在保证舒适度的前提下降低空调能耗，是值得社会高度重视的一项课题。
相变建材是指具备相变特性，能够通过主动或被动调节室内热环境降低建筑能耗的建筑材料，包括墙板、地板、吊顶、百叶窗等，利用相变材料的特性耦合夜间通风技术可实现调节室内温度的作用，可以在高温时段吸收和储存室内热量，在低温时段释放热量，从而平衡室内温度，降低空调系统的运行时间，减少能耗。5G基站是一种对温度湿度要求较高的公共建筑，可以基站为例探讨相变材料对建筑调温的效果。根据2023年10月工业和信息化部新闻发言人介绍的情况，截至2023年9月底，我国累计建成5G基站数量约318.9万个。国家电网能源研究院指出，2023年通信基站耗电量占社会用电量的1.3%，到2060年，通信基站耗电量将上升至社会用电量的2.1%，其中空调能耗占基站能耗的30%—50%，平均每个基站的空调电费支出约占整个基站电费支出的54%，5G基站节能减碳已迫在眉睫。2005年魏巍等在基站内部安装一定数量的相变调温模块，利用夜间冷量对流换热降低室内温度，试验发现可节能30%以上。2008年饶中浩等通过分析基站空调能耗结构及其节能潜力，设计出了结合基站专用空调使用的包含自适应控制、相变材料和新风系统的智能型“3+1”综合节能方案，其可节省用电成本40%以上。2013年张泉等在砖混建筑基站中试验安装与自然冷源耦合的相变储能单元，并对沈阳、郑州、长沙、昆明和广州五个典型城市进行模拟，发现节能率最低可达52.62%。2014年程利双充分利用室外的自然冷源与政府的峰谷电价策略设计了新风相变蓄冷空调系统，这项技术既可利用夜间电价低谷空调对相变材料进行蓄冷，待白天电价尖峰时通过相变材料放冷或与制冷机联合制冷，也可利用新风冷却技术对基站进行降温和蓄冷，从而实现建筑结构的节能减碳，基站平均节能率为35%以上。
四、相关建议
虽然对于相变材料已有了初步应用，但仍然存在成本高、稳定性较差以及传热难等问题，相变储能材料以及相变储能系统的研发仍需要政府、企业和科研机构通力合作。
第一，政府的支持可推动相变材料的研发和产业化；企业和科研机构应加大相变材料的研发投入，不断创新，推动相变材料发展应用；研发人员应抓住机遇，积极参与国际合作，加强技术交流，借鉴他国有益经验。
第二，针对相变储能材料，应对不同类型的相变材料进行筛选和性能测试，确定不同应用环境下的最优相变材料，分析其相变温度、相变潜热等关键性能参数。
第三，针对相变储能系统，开展相变储能系统的节能效果仿真与验证，通过数据分析和实测结果，不断优化相变储能系统的设计和应用，以提高经济效益；开发智能化的温度控制系统，实现对相变储能系统的实时监测和控制。
【本文系绿色建筑材料国家重点实验室预研项目（ZA-69）研究成果】
（作者为马超、解帅、王永超、冀志江、王静。马超系中国建筑材料科学研究总院博士；解帅系中国建筑材料科学研究总院环境材料科学与环境保护研究所副所长；冀志江系中国建筑材料科学研究总院教授级高级工程师；王永超系中国建筑材料科学研究总院工程师；王静系中国建筑材料科学研究总院教授级高级工程师）