相变材料提高屋面节能效率

为提高建筑物的舒适度和节能效果，科学家研究了一种新的屋面材料。这种建筑材料是一种织物复合材料——相变材料（PCM）,具有高效的储热功能。随着温度变化，PCM就会开始吸收或者释放热量，PCM通过这种方式来控制建筑物屋顶的热量运动，从而提高屋面的保温效应。

屋顶系统可能是建筑热功能的最大薄弱环节。白天，太阳辐射产生的大部分热量通过屋顶系统进入建筑物。炎热的天气下，屋顶系统下的生活空间常常过热，导致热舒适度严重降低，增大降温需求。相反，寒冷的天气下，建筑物白天所储存的大量热量通过屋顶系统流失出去，增大了建筑物的升温需求。采用一种可以调节屋顶结构中的热功能的建筑制品就可以有效地解决以上问题，相变材料（一种大量贮热介质）就是一种具有热调节性能的建筑材料。

在一定的温度范围内，PCM会改变自身的物理状态。在加热过程中，一旦达到熔点，PCM就会从固态转化成液态。在这个熔化过程中，PCM将会吸收并贮存大量的潜热。在整个过程中，PCM及周围的温度基本保持不变。

在冷却过程中，PCM所贮存的潜热将会向外界释放，PCM将会发生从液态变成固态的逆向相。同样，在这一结晶过程中，PCM及周围的温度也基本保持不变。当相变过程结束，继续加热/冷却将会造成周围温度的进一步增加/降低。PCM吸收或释放大量热量，而材料的温度保持不变，这就是使用PCM作为一种贮热介质，可提供巨大潜能的原因。

雪融化变成水，这是一个十分经典的相变例子。雪在融化过程中，将会吸收约355J/g的潜热量。进一步加热水，每升高一摄氏度水仅需要吸收4J/g的热量。因此，水必须从约1℃加热到约84℃才能吸收在冰融化成水期间所吸收的相同热量。除冰（水）外，世界上海存在500多种相变材料，例如石蜡、盐水化合物、盐共晶体等。这些相变材料在相变温度范围和潜热贮存能力上具有很大差异。

对于屋顶系统，一旦温度身高或降低到某一值后PCM就会吸收或者释放潜热，从而控制建筑物通过屋顶吸收或排出的热流。借控制通过屋顶的热，PCM可提高屋面的隔热能力。例如，即使外界超过给定温度，PCM可以通过吸收潜热降低进入建筑物的热流，从而减小屋顶隔热层的压力。由于可以随着温度变化吸收或者释放潜热，以相变材料处理的建筑材料可以认为是一种智能材料。

根据对普通屋顶结构中热量进行测试和使用电脑模拟程序，PCM应当在教堂顶棚或者保温屋顶结构中，安放在以下两个位置：

1、在屋顶系统上层部位（PCMA）:在屋面瓦和隔热层之间

2、在屋顶系统下层部位（PCMB）:在隔热层和石膏板（顶棚）之间

PCM安排在屋顶系统的上部分的主要作用是炎热夏天的热保护。太阳辐射的热通过屋面瓦传导至PCM A 和其周围包容结构，一旦温度升高至设定值，PCM A 将会开始吸收热量，PCM A 及其周围包容结构的温度将会基本保持不变。因此，白天进入建筑物的热流将会最少，在屋顶下生活空间的温度将会大大低于没有铺设相变材料的建筑物。此外，PCM A 的放置位置很好地阻止太阳辐射的热量直接进入隔热层（给隔热层降温非常困难）等下面的屋顶各部分。再则，PCM A 的放置位置保证其能够在夜晚完全释放贮存的潜热，因而PCM可重复加注，准备好第二天再用。

PCM第二种放置是放在屋顶结构较低水平，紧靠石膏板（顶棚）以上，其目的是在寒冷冬夜提供临时附加保温层。在这一情况下，PCM将贮存白天透过石膏板在屋顶系统下生活空间产生的热。夜晚，当PCM B 及周围包容结构的温度下降到设定值时，潜热将会释放出来。PCM直接铺设在石膏板（顶棚）以上能够保证白天在屋顶以下生活空间内产生的并往往上升到顶棚的热保存下来，到 夜晚时释放出来，在夜晚减少通过屋顶的热对流。此外，吸收热且不太升高白天顶棚的温度导致在不改变自身及周围温度的条件下吸收热量，大大降低了生活空间地面和顶棚之间的温度梯度，进一步提高了房屋居住的热舒适度。PCM B 铺设在隔热层以下有利，还由于PCM B 释放的潜热首先渗进隔热层，从而缓慢散逸。

PCM必须适当包裹以防止处于液态时分离出来，需要把PCM包裹在基质材料当中。很少材料能够包裹住PCM，但发现硅橡胶却是一种适合的包裹材料。包裹着PCM的硅橡胶产品作为涂料涂抹在织物载体材料上面，在屋顶应用中，PCM-涂硅橡胶织物将替代垫层或隔汽层，一般铺设在隔热层的上面或下面。

两种PCM（PCM A 和 PCM B,见图1）都要认真选择，以提供理想的热效果。温度变化研究和电脑模拟研究用来确定在每一建筑制品中开始吸收潜热和释放潜热的温度。位于屋顶上部分的PCM A 应在温度上升55℃以上时，吸收热量。另一方面，位于石膏板上面的PCM B 应当在温度降低至20℃以下时开始释放热量。PCM A 和 PCM B的相变温度范围不同，两者将在互不干扰的情况下发挥作用。

选择的相变复合材料都是不可燃的且具有高潜能热贮存能力的盐水化合物。在屋面材料中使用不可燃的盐水化合物，就可符合建筑制品的防火规范。PCM A 和 PCM B 所需要的潜热贮存能力根据太阳辐射进入量、模型建筑屋顶各部分的吸热量以及通过屋顶进、出建筑物的热流确定下来。

例如，热天特别是夏季的热保护，要求约450kJ/m2的潜热贮存能力。根据所选贮热能力为340J/g，每平米约需PCM 1.3kg。如果硅橡胶基体上约涂60%的PCM A，那么包裹PCM的硅橡胶涂层厚度需要约为2mm.因为垫层必须具备一定的水蒸气传递性，所以包裹着PCM 的硅橡胶基体应粘接在网格布上。最终的表面减小导致厚度增加到约3mm。

另一方面，为了防止寒夜特别是冬季期间通过屋顶的重大热损失，需求屋顶贮存大于300KJ/m2的潜热贮存能力。若所选PCM的潜热贮存能力为280J/g，在这一情况下，PCM的铺设需要量约为1.1Kg/m2.如果硅橡胶基体上约涂60%的PCM,那么包裹着PCM的硅橡胶基体完全覆盖织物载体材料。硅橡胶本身要提供所需求的隔水蒸气层和必要的气密性。

相变复合材料具有尺寸稳定性。带涂层的织物可以与隔热材料层合或者相互层合。织物也可以通过紧固件与其他材料连接。在PCM硅橡胶基体上穿孔会导致PCM泄露，因为PCM包裹在硅橡胶基体中。但是，如果要求材料具有一定的隔水蒸气性能，就不推荐使用紧固件。

PCM在反复经受热循环后还是稳定的。在开发的建筑物产品中使用不可燃的盐水化合物PCM，将导致其防火性能的改善。

热流控制特性对整个建筑物的热管理具有很大的影响。结果室内的热舒适度增加，设施的加热和空调的总需求降低，结构能效更高。特别是相变复合材料应用在屋顶系统上，将平缓和降低高峰能源需求。运用电脑模拟程序可以预测以相变复合建筑材料替代常用的垫层和隔水蒸气材料所带来的热舒适度和节能程度。运用德国的两层住宅作为模型，该住宅的总居住面积为160m2，屋顶面积为130m2，相变复合材料潜热贮存能力为97500kJ,潜热贮存能力中的60%用于炎热夏天的热防护，40%用于冬天支持屋顶系统的保温功能。

观察在屋顶系统中使用和不使用PCM的住宅屋顶下生活空间的情况，进一步运算定量热舒适度的改善，计算基于炎热夏日对建筑物外界温度和室内温度的实测，并基于预计通过屋顶的热效应。从图2可以看出一整天过程中，外界温度、铺设和未铺设PCM的建筑物室内温度的变化情况。

为了进一步计算相变复合材料在改变室内温度舒适度上起到的作用，本文测试了不同屋面结构下室内温度变化。在炎热的夏日，对建筑物的外界温度和室内温度进行测量，并对所得的数据进行进一步换算从图2可以看出外界温度、铺设和未铺设相变复合材料的室内温度的变化情况。

当屋面铺设相变复合材料时，白天住宅二层室内温度升高幅度显著降低。夜晚，未铺设相变复合材料的住宅，二层室内温度可比铺设相变复合材料的住宅高出4℃。此外，由于PCM吸收潜热，防止白天通过层顶系统进入建筑物的热流增加，甚至在炎热夏日，在不使用空调的情况下，室内温度可保持在22-26℃之间的舒适范围内。

每年一套住宅的年加热总取暖需求约为13500kWh或生活空间为90kWh/m2.当屋顶铺设相变复合材料时，住宅的总加热需求将会降低约25%，仅为10200kWh或68kWh/m2.此外，如果夏天使用空调系统，总节能效果将达到40%左右。

新开发的带PCM 的复合建筑制品，具有以前从未达到的热调节性能。这种性能将大大改善建筑物的热管理能力，从而提高建筑物的的舒适度，并降低建筑物加热和空调需求。总之，相变复合材料的应用使建筑物能效更高，可以实现节能需求。