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20世紀70年代，能效首次出現在歐盟能源政策議程中，并隨著全球和歐盟能源與氣候政策和優先事項的變化而逐步改變。丹麥最早在20世紀70年代發布了有關于建筑節能方面的規定。英國、德國、日本也早在20世紀依據本國發展形勢制定了節能法，為促進全球建筑節能的發展打好了夯實的基礎。早在20世紀80年代，美國的太陽能公司就開始研究將相變儲能材料與建筑材料相結合并應用于建筑領域之中。這給全球建筑能源方面研究人員提供了很大的啟發。

我國是建筑能源消耗大國，自20世紀80年代以來開始不斷推動綠色建筑及建筑節能方面的相關工作。北京是中國第一個實施高水平住宅建筑節能和公共建筑節能設計標準的城市。在新標準基礎下，北京的能源效率達到75 %，遠超其他大多數城市僅有50 %的能源效率。我國總能耗中建筑領域的能耗總量占到27.8 %，隨著社會經濟的不斷發展，對建筑設施的要求不斷增高，消耗總量在未來只會不斷升高，如圖1所示。現階段控制能源消耗的增長乃至減少每年的能源消耗成為“碳達峰”“碳中和”的焦點。在貫徹落實 “雙碳”戰略目標的關鍵期，西部地區作為新能源發展的高地，其儲能行業的高效發展也是重中之重。傳統能源的逐步退出要建立在新能源安全可靠的基礎上，我國沿海地區與以高原地形為主的西部地區相比，有著豐富的水資源，而水作為顯熱儲能材料會吸收大量來自太陽能輻射的熱量，從而起到了調節周圍大陸環境溫度的作用。由于西部地區地勢地形的原因，日照時間長、太陽輻射強以及周圍環境保持困難等問題，因地制宜地開展新型儲能技術攻關成為西部地區新能源注意的重點。所以近年來，將相變儲能材料應用在建筑領域成為了國內外學者的重點研究熱點。

相變材料（PCMs）是一種可循環使用的綠色環保控溫材料，其可以智能調控建筑環境內的溫度波動，因此將相變儲能材料應用于實際建筑中是降低建筑能耗的有效手段。但目前相變儲能材料在建筑領域的應用還存在一定問題：（1）建筑用相變儲能材料的制備方法并不完善且成本較高、制備工藝困難，因此難以應用于建筑領域。（2）我國地域遼闊，氣候復雜多樣，在現有的研究中針對不同地域、氣候條件的具體研究還很少，這使相變儲能建筑材料實用性不高。（3）我國“十四五”規劃明確指出要加快推動能源綠色低碳轉型，加快推進安全高效的儲能手段。我國建筑能耗相對于其他發達國家處于較低水平，但這是以犧牲建筑服務質量和室內外空氣品質為代價換來的，總體綠色化水平偏低。建筑物的外表面受外界環境的影響，內表面與內部環境直接接觸，通過內外表面之間的熱交換實現對內部環境溫度的調控，環境既是建筑的熱源，也是建筑的熱井。

本文闡述了不同相變儲能材料的儲放熱原理，以此為基礎對相變儲能材料的分類進行了歸納總結，并著重討論了近年來文獻中報道的應用于建筑領域的相變儲能材料，對現階段PCMs的實際應用問題提出新展望，為建筑節能提供新思路。

PCMs有著不同的種類及不同的相變溫度，其應用范圍與不同的應用行業息息相關。《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》明確表示，到2025年，城鎮新建建筑全面建成綠色建筑，建筑能源利用效率穩步提升，建筑能耗和碳排放增長趨勢得到有效控制，基本形成綠色、低碳、循環的建設發展方式，為2030年前“碳達峰”奠定堅實基礎。選擇適宜溫度、適宜焓值、適宜相轉變的材料將更加有助于建筑相變領域的開發和研究。

1、相變儲能建筑材料的發展現狀

PCMs可隨環境溫度變化通過相態轉變儲存或釋放大量潛熱。將具有優異儲/放熱特性的PCMs與建筑基材復合，不僅可以增加建筑的保溫效果，還可以降低建筑能耗，提高能源利用率。因此相變儲能建筑材料在實際應用中有著很大的發展潛力。

根據不同分類方式顯示出多種不同的類型：（1）根據PCMs的相變方式可以分為固?固PCMs、固?液PCMs、固?氣PCMs、液?氣PCMs。（2）根據PCMs的相變溫度可以分為高溫儲能材料（>420 ℃）、中溫儲能材料（220~420 ℃）和低溫儲能材料（<220 ℃）。其中低溫相變儲熱材料的相變溫度在220 ℃以下，主要包括無機水合鹽和有機PCMs等，其主要應用在建筑節能領域和電子設備控溫技術方面。（3）根據PCMs的化學組成可以分為無機PCMs、有機PCMs、復合PCMs。不同分類的PCMs有著不同的物理性能和儲/放熱性能，但并非所有PCMs均能適用于建筑領域，必須綜合考慮其優缺點，選擇出適用于建筑的PCMs。

1.1、建筑領域相變儲能材料的選擇

建筑能耗占全球能源消耗的40 %左右，其中在一些國家的份額已經超過了總能耗的三分之一，其對溫室氣體排放和全球變暖有著直接聯系。PCMs與建筑材料復合可以有效改善建筑物內部溫度波動程度，延長室內熱舒適時間，從而減少建筑能耗。應用于建筑領域的PCMs須滿足以下要求：

1.1.1 相變過程體積變化小

固?液PCMs更適用于建筑領域。PCMs的不同相變方式中，固?氣、液?氣PCMs在相變過程中體積膨脹率大以及可能產生的氣相高壓，導致對儲熱設備要求很高，實用性較差，通常不易在實際中應用；固?固PCMs通過其晶體結構變化實現熱量的吸收或釋放，實際能量轉化過程中并不存在相態的變化，因存在成本高、導熱能力差、相變焓值過小，不易與其他結構材料相混合等問題導致制作成本較大，因此規模化應用潛力較低；相比之下固?液PCMs在相變過程中體積變化不明顯，因而應用范圍更廣，因其操作簡單、價格低廉、儲熱密度高等特質更適用于建筑領域。

1.1.2 相變溫度適中、具有足夠大的潛熱

由于舒適性的需要，建筑用相變儲能材料需選擇相變溫度在20 ℃至60 ℃之間的PCMs。用于建筑應用的PCMs的相變溫度應在人體舒適度（25~30 °C）的溫度范圍內，即PCMs的相變溫度須與室內環境溫度相近，且白天溫度和太陽輻射的波動能使材料發生相變。當環境溫度在其相變溫度附近波動時，能通過固?液相轉變釋放或儲存環境中的能量，從而保證室內溫度適宜，進而降低室內采暖/空調系統的能耗。

表1和表2給出了一些常用的固?液PCMs的相變溫度和潛熱焓值。

1.1.3 長期穩定性好

固?液PCMs通過相變與外界環境進行能量交換（從外界環境吸收熱量或者向外界環境放出熱量），從而達到控制環境溫度和利用能量的目的，其將在使用壽命期間反復性進行固?液相轉變，因此在近萬次相轉變期間，PCMs的儲/放熱性能應當保持穩定，才能保證建筑在使用期間能夠長時間起到調控室內溫度波動的目的。

1.1.4 無毒、無腐蝕

建筑用PCMs需對環境友好，安全無毒。隨著能源消費不斷上升和過度使用化石資源生產能源，相關的生態問題成為一個主要問題。因此，環境影響也是設計PCMs復合建筑結構時應考慮的一個關鍵因素。建筑結構相變層中的PCMs必須保證在使用過程中安全性能較高，無毒、無腐蝕，避免PCMs在使用過程中揮發或泄漏對室內人員造成危害，杜絕一切建筑在使用過程中可能造成的危險。同時要考慮到復合建筑節能修復和拆除時，PCMs的泄漏不會對環境造成影響，以達到綠色建筑的目的。

1.1.5 生產原料價格低廉

經濟效應是設計PCMs復合建筑結構時應考慮的重要因素。成本分析是一種表達經濟效果的方法，對規劃、監控和決策有著重大貢獻。PCMs應用于建筑結構中吸收/釋放的能量往往不能達到理論值，其中有超過5 %的能量損失。作為建筑節能的主要手段，不僅要做到建筑在工作中可以節約能源，還應保證建造材料成本低、原料易得，保證相變儲能建筑材料能夠大規模批量生產才能更有利于實際應用。

綜上所述，對于建筑領域PCMs的選擇總結可以從3個方面敘述，如表3所示。

1.2、相變儲能材料在建筑應用中的限制

根據PCMs的化學組成，PCMs可分為有機、無機和復合PCMs。有機PCMs具有過冷度小、無相分離、儲熱能力強等優點；無機PCMs種類繁多，且單位體積潛熱大、導熱系數大、體積變化小，在選擇過程中不僅要考慮到這些優勢，也要將PCMs自身具有的缺陷納入考慮范圍，保證其在建筑領域實際應用中能發揮出優異的儲/放熱性能，在建筑應用中的限制如下：（1）有機PCMs導熱系數低，降低了儲熱和熱交換效率。有機相變儲能材料熱導率往往都很低，影響實際使用效果，因此需要增強PCMs的熱導率。為了提高PCMs的熱導率，一種方法是擴大熱交換面積，另一種方法是在儲熱系統中使用納米材料或者高導熱材料，以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成新的傳熱介質。現常見的導熱增強劑有Al₂O₃、石墨烯納米顆粒、碳纖維等。（2）有機PCMs固?液相轉變過程中PCMs可能發生泄漏。PCMs在相變過程發生固?液態轉變，直接使用可能會導致液相泄漏，液相的泄漏可能會影響建筑的壽命和強度甚至對建筑內人員生產生活造成影響。可以通過PCMs和多孔材料復合的方法來克服該問題，現常用的多孔材料有硅藻土、膨脹石墨、多孔二氧化硅等。（3）無機PCMs可能相分離，過冷大。水合鹽類作為無機相變儲能材料中的一種，儲熱密度高、原料豐富且環保，但其在實際應用過程往往因自身缺陷問題受到限制。如相分離，一些水合鹽相變儲能材料溶解度不高，在達到溶點以后仍不能完全溶解，使得不能溶解的鹽沉降于容器底部，形成晶液分離的狀態。隨著循環次數的增多，溶質顆粒不斷析出，從而導致儲放熱性能和使用壽命下降；過冷現象也是水合鹽相變儲能材料常見的一個問題，主要是相變儲能材料在達到其自身的相變溫度不發生凝固結晶，而是在低于相變溫度的某一個溫度點才產生該現象，并伴隨著釋放熱量的現象。過冷度較大會導致結晶放熱時間延長，最終降低相變儲能材料的儲放熱效率。往往通過加入成核劑的方法使其異相成核，有效改善過冷度問題。成核劑一般是與儲能材料的同種或同類結構的物質。過冷、相分離及易腐蝕等問題，導致無機水合鹽PCMs使用壽命有限，因此在建筑節能領域應用較為困難。

固?液有機和無機PCMs分別有自身優勢，但又因為各自的缺陷限制了其單獨應用于實際儲能領域。將PCMs和其他支撐材料復合制備而成的相變復合材料，可以有效彌補其自身的缺陷，再將相變復合材料與建筑材料相結合，不僅能克服固?液有機和無機PCMs在實際應用中的限制，還能保證優異的儲/放熱性能，因而吸引了廣大研究人員的深入探索。

1.3、相變儲能建筑材料的節能原理

在建筑領域應用最多的是固?液PCMs，其在相變過程中，可以通過固態和液態之間的相轉變吸熱/放熱來儲存/釋放環境中的熱能，從而調節周圍溫度的變化。圖2展示了PCMs與非相變材料隨溫度改變自身溫度變化的對比，當外界溫度升高時，非相變材料的溫度與之同步升高，但PCMs在t₁到t₂時間段出現了溫度平臺，即時間滯后現象，說明在此期間PCMs自身溫度沒有改變并通過固?液相態轉變將能量以潛熱的形式儲存了起來，且在t₂時完成全部相轉變，溫度繼續隨外界環境同步升高。

同樣加熱到t₂，普通建筑的溫度已升高到T₂（T₂>T₁）；而復合PCMs建筑因能量儲存出現的時間滯后現象，使得該建筑的溫度將在t₁到t₂時間段維持在T₁，PCMs的加入有效降低了整體建筑的溫度波動。反之亦然，當外界溫度降低時，復合PCMs建筑中的PCMs會通過液?固相態轉變將儲存的潛熱釋放出來，與周圍環境進行熱交換，并在t₁到t₂時間段將環境溫度維持在T₃，從而降低環境溫度的波動，提高熱舒適性。其中溫度恒定時間（t₂-t₁）、儲存能量T₁（t₂-t₁）以及釋放能量T₂（t₂-t₁）可以通過改變PCMs的種類和相變溫度進行調控。

圖3模擬了實際白天和夜晚情況下，無/含PCMs的建筑室內外溫度和熱量傳遞變化情況，圖3（a）、（c）為普通建筑，圖3（b）、（d）為復合PCMs建筑。

從圖3（a）、（b）對比可以看出當白天太陽輻射較強時，普通建筑溫度會隨室外溫度快速上升，相比之下，復合PCMs建筑因PCMs的相轉變將大部分太陽輻射的能量以潛熱的形式儲存起來，使得室內溫度波動較小。圖3（c）、（d）在夜晚時室外溫度降低，普通建筑也隨之急劇下降，相反，復合PCMs建筑中在白天儲存了大量熱量的PCMs，在夜晚溫度降低至其相轉變溫度以下時，通過液態?固態相轉變的方式將儲存的能量釋放至建筑內部，從而降低溫度波動，提高熱舒適性。由此可知，普通建筑內部溫度容易受到外界環境溫度的影響，將PCMs應用于建筑中可有效緩解這一狀況，從而降低制冷/采暖設備的使用頻率，在較低的建筑能耗下維持建筑內部的熱舒適性，從而提高能源利用率，為全面建成綠色建筑，穩步提升建筑能源利用效率，拓寬建筑節能的發展領域。

1.4、相變復合儲能建筑材料的封裝

PCMs由于其顯著的熱能儲存能力而被廣泛用作建筑物中的有效潛熱儲存單元，但在實際應用中很難實現PCMs的單獨使用。為實現“十四五”規劃中建筑節能的目標，提高建筑結構的儲熱能力，PCMs應以適當的方式加入到建筑基體或輔料中。圖4描述了將PCMs與建筑材料復合的各種方法，一種是將未封裝的PCMs直接與建筑材料混合，另一種是將PCMs封裝在殼材料或支撐材料中再與建筑材料混合。這些方法必須滿足2個條件：PCMs和支撐材料不得干擾建筑材料的水化過程；不得與混合物的任何成分發生反應。

具有高儲熱密度和較小泄漏率的定形相變材料（SSPCMs）是一種通過特定加工工藝將相變儲能材料固定在支撐材料中而制成的相變復合材料，有效地改善了傳統PCMs易泄漏和低熱導率的缺點。其通常由兩部分組成：一部分是用作工作物質的PCMs，另一部分是用作保護容器的支撐材料。通常支撐材料自身并無焓值或焓值很低，加上支撐材料與PCMs之間產生的氫鍵或毛細作用，都會對PCMs的結晶行為有一定的影響，因此選擇合適的支撐材料進行封裝從而改善相變復合材料的儲/放熱性能尤為關鍵。圖5給出常見PCMs和支撐材料的主要類型及各自所占的比例。相變儲能技術與建筑結構相結合可作為研究建筑節能技術的主要方向，將相變復合材料應用于建筑領域將是提高可再生能源使用率的重要方法，也是未來降低能耗早日實現“雙碳”目標的重要一環。

2、相變建筑儲能材料的應用

將PCMs與建筑材料復合將有效增強建筑結構的儲/放熱性能，確保更好的室內熱舒適性。相變儲能技術可以從被動式相變儲能和主動式相變儲能兩方面進行研究。

2.1、被動式相變儲能

被動式相變儲能是利用太陽能熱源或外界天氣溫度降低等天然冷源來實現能量的存儲，既能提高人的舒適度也能降低成本。將PCMs與傳統建筑材料復合制成相變建材，并依靠室溫的變化或接受太陽輻射熱量等方式被動地吸收/釋放熱量。相變墻體、相變地板、相變屋頂、相變砂漿等都屬于相變儲能建筑結構。

通過將建筑涂料涂飾在建筑表面，使其與基體建筑材料黏結在一起，形成完整而堅韌的保護膜以達到保護、裝飾、特殊功能的作用。將PCMs引入涂料形成定形PCMs，除了起到美化、保護建筑外觀的作用，也能達到通過PCMs的儲放熱性能調控室內舒適性的目的。近些年已有不少研究通過實驗制備出了可用于建筑結構的相變涂料，并對其在實際應用中的熱能調控能力進行了分析。

張云峰等以石蠟（相變溫度28.6 ℃）為芯材，三聚氰胺樹脂為殼材，使用納米二氧化硅作為改性劑制備了改性PCMs微膠囊，并以建筑涂料質量的0、10 %、20 %、30 % 4種不同比例與建筑涂料混合形成復合涂料，將其置于試管中，60 ℃熱水浴和10 ℃冷水浴記錄其儲放熱性能。實驗結果表明，在升降溫過程中，與普通涂料相比，3種含PCMs微膠囊的復合涂料維持在溫度為24~32 ℃，有1個明顯的緩慢升（降）溫平臺，并且PCMs微膠囊含量越多，減緩效果越明顯。升溫過程中，從15 ℃升溫至31 ℃，無相變微膠囊的建筑涂料所需時間為13.5 min，隨著PCMs微膠囊用量的增加，所需時間也越長，最長時間為26.0 min。降溫過程中，從38 ℃降溫至20 ℃，無相變微膠囊的建筑涂料所需時間為16 min，隨著PCMs微膠囊用量的增加，所需時間也越長，最長時間為22.5 min。PCMs微膠囊的引入使得復合涂料的儲放熱性能依次增強，將其應用于建筑基材表面可有效改善室內溫度波動變化，維持室內溫度在宜居水平。

除了將PCMs微膠囊引入建筑涂料外，將PCMs與支撐材料復合形成定形PCMs也能起到相同改善環境溫度的作用。Zhang等以膨脹珍珠巖作為支撐材料吸附癸酸和棕櫚酸的二元PCMs制備出了SSPCMs，之后再與苯乙烯?丙烯酸乳液和乙烯?醋酸乙烯乳液涂層材料混合均勻形成相變涂料，并將其涂敷在石膏板材表面作為實驗組應用于墻壁內表面，與普通石膏墻壁的儲/放熱性能進行對比。將2組建筑模型置于恒溫40 ℃的加熱箱體中，普通石膏建筑模型內部溫度從22.32 ℃升高到29.86 ℃需要90 min，4 h后內部溫度升高到35.8 ℃；當實驗組模型中癸酸和棕櫚酸二元PCMs的質量比為7/3時，其內部溫度升高同樣溫度卻需要130 min，4 h后內部溫度僅為33.10 ℃。實驗結果表明，應用相變涂料的建筑模型能有效延長升溫時間并降低相同時間達到的峰值溫度，相變涂料的儲放熱性能可以明顯降低室內外傳熱速率，減緩室內溫度的波動，將溫度長時間維持在一定范圍，改善房屋居住舒適性。

由于被動太陽能加熱、室內通風和玻璃窗自身較差的儲/放熱性能等方面影響，房間內部環境的能量損失較大，其中建筑結構約60 %的能量損失可歸因于玻璃窗區域。將PCMs應用在玻璃窗中，不僅可以有效改善室內熱損失的問題，也能通過PCMs隨溫度變化而產生的光學效應實現在智能調光等領域的應用。如圖6（a）展示了傳統空心雙層玻璃的結構；圖6（b）為PCMs雙層玻璃，用PCMs填充代替空氣；圖6（c）為PCMs?空氣3層玻璃，增加了空氣腔可提高玻璃窗自身的整體熱阻，從而減少從室外環境到室內環境的對流換熱，從而避免PCMs完全融化后窗口內表面溫度過高。也有研究用其他儲熱或隔熱材料代替3層玻璃中的空氣形成PCMs?填料3面玻璃，其玻璃窗結構如圖6（d）所示。

Goia等在雙層玻璃窗的空氣層中填充RT35石蠟（相變溫度34 ℃， PCMs），并在夏天10∶00至19∶00對含此雙層玻璃的房屋進行了戶外測試，實驗過程中房屋的外觀和熱物理性能隨著其受太陽輻射的改變而逐漸發生明顯變化。實驗測試中玻璃透明度隨石蠟層熔化和凍結而變化：從10∶00至13∶00，因未達到石蠟的相變溫度，整個石蠟層都處于固態，玻璃窗具有半透明外觀；14∶00時，石蠟開始由固態轉為液態，熔融過程中大量固體石蠟漂浮在液體石蠟體積中；16∶00時，所有石蠟全部轉變為液態，玻璃窗外觀看起來完全透明；18∶00后，液態石蠟開始重新凝固；19∶00時，大多數石蠟再恢復為明顯的固態，并再次顯示出半透明外觀。試驗結果表明該相變雙層玻璃窗的視覺感受會在1天或1個季節中會發生顯著變化。引入PCMs的雙層玻璃窗不僅具有良好的儲/放熱性能和透光性，且其因相轉變而產生光學變化的特點對PCMs相變程度以及室內外熱交換程度的可視化觀察提供了研究方向。

Liu等 將石蠟（相變溫度25 ℃， PCMs）作為相變層制備了PCMs雙層玻璃，并測試了不同厚度相變層的雙層玻璃兩側表面溫差變化。在太陽輻射強度為950 W/m2下對雙層玻璃的上表面進行長時間照射，當中間石蠟層厚度為6 mm時，玻璃兩側表面的峰值溫差為22.5 ℃；當厚度為16mm時，峰值溫差為30.2 ℃。經過120 min照射后，前者下表面溫度升高到了58 ℃，而后者下表面溫度僅為45 ℃。PCMs有效儲存了上表面熱傳遞給下表面的熱量，且隨著相變層厚度的增加，兩側玻璃的溫差也隨之增大，將其應用于房屋建筑中可有效降低室內熱損失。當室外溫度低于室內溫度時，相變雙層玻璃窗也可以將自身儲存的熱能釋放到室內環境中，改善室內舒適性。

也有研究將夾有PCMs的玻璃窗應用在真實房屋模型中，并測試其在模擬實際應用中的熱能調控作用。李棟等在大慶地區室外環境對搭建的含石蠟層（相變溫度26 ℃， PCMs）雙層玻璃的磚型房屋模型進行動態傳熱實驗，分析不同天氣條件下屋內溫度動態變化規律。實驗結果表明，在陰雨、多云、晴朗天氣普通房內空氣溫度分別比含PCMs的實驗房高4、8、11 ℃，原因在于石蠟吸收大量的太陽能而發生相變并將熱能儲存起來，且未直接釋放到實驗房間內部。與普通房相比，石蠟的存在使房間內溫度顯著降低， 并且太陽輻射強度越高其降溫效果越明顯，同時含PCMs玻璃結構可導致傳熱量峰值降低，且峰值出現的時間發生延遲現象。

Zhang等以石蠟（相變溫度10 ℃）為相變芯材制備了PCMs?二氧化硅氣凝膠3層玻璃，二氧化硅氣凝膠的低熱導率以及石蠟的儲熱性能使得該玻璃具有良好的儲熱隔熱性能，用總能耗和節能率來表示玻璃窗的能效與傳統空心雙層玻璃進行了對比實驗（只考慮了窗玻璃的熱損失及其減少）。結果表明，該PCMs?二氧化硅氣凝膠3層玻璃（33.83 K）的內外表面溫差比傳統空心雙層玻璃（31.83 K）大2 K，而且其對太陽輻射的吸收系數和折射率分別為3.4和10，可以保證優異的透明性能。與傳統的空心雙層玻璃窗相比，石蠟層和二氧化硅氣凝膠層對室內溫度的調控使得房屋的總能耗僅為2 258 kJ/（m2·d）［傳統空氣玻璃窗的總能耗為7 700 kJ/（m2·d）］，節能率達到了70.16 %，既提高了玻璃自身對熱能的儲放性能，也提高了玻璃窗的絕緣性，良好的絕緣可以避免熱量損失，降低室內能耗。

玻璃窗的儲熱能力和隔熱性能越好，其對實際工程的應用就越廣，就越可以滿足采暖、照明、室內裝飾的各種要求。

2.1.3 PCMs在墻體和天花板中的應用

水泥和石膏作為開發建筑結構最常用的建筑材料能很好地黏結建筑基體結構以及具有隔熱、隔音的效果，被廣泛應用于建筑領域。石膏是建筑中一種與室內空氣直接接觸的重要建筑材料，也是一種良好的基體材料，其優異的隔熱性能可明顯改善室內熱舒適性，降低室內冷負荷。研究發現在水泥或石膏中加入PCMs對提高改善建筑結構的儲/放熱性能有著良好的效果，因而將PCMs引入由水泥和石膏為基材的墻體或天花板中成為研究人員關注的重點。已有很多文獻對不同PCMs應用于屋頂或墻體進行了大篇幅的實驗和報道，PCMs的加入能有效調控室內溫度波動，從而降低空調、采暖的建筑能耗。

Guardia等分析了在水泥石灰中分別添加10 %和20 %（質量分數，下同）相變微膠囊石蠟（相變溫度23 ℃）的儲/放熱性能。研究結果表明，摻有10 %、20 % 相變微膠囊的水泥砂漿的熱導率分別為0.26、0.20 W/m·K，比普通砂漿的0.23 W/m·K分別升高/降低0.03 W/m·K，由于微膠囊具有低熱導率的特點，大量的微膠囊會使整體水泥砂漿的熱導率降低，少量微膠囊反而會增大熱導率，而且PCMs的加入將復合水泥砂漿的焓值升高到20 J/g以上（無相變材料的普通砂漿焓值不到15 J/g，其焓值取決于比熱，與砂漿密度有關）且對力學和物理性能不會產生太大影響。

Al?Yasiri和Szab等制作了具有石蠟層（相變溫度44 ℃，PCMs）的屋頂結構，并將其置于房屋模型中，在伊拉克阿瑪拉市的炎熱天氣條件下進行模擬實驗。中午太陽輻射強度最大時，房頂溫度可達73 ℃，當外界環境溫度高于44 ℃，含石蠟層屋頂的建筑與普通屋頂建筑的峰值溫差可達9 ℃，溫度波動降低6.1~6.8 ℃，有效降低了室內的溫度峰值和波動，保證了在炎熱天氣下室內的涼爽舒適性。Boobalakrishnan等將石蠟（相變溫度45 ℃， PCMs）與屋頂復合在一起，與無封裝石蠟的普通屋頂在日平均輻射為700 W/m2的外界環境下同時進行模擬對照實驗。結果表明，普通屋頂和石蠟基屋頂建筑室內的最高溫度分別44.5 ℃和34 ℃，日平均室內溫度分別為36 ℃和31 ℃。普通屋頂室內溫度隨外界溫度升高而急劇上升，而石蠟基屋頂的房屋全天室溫變化很小。石蠟的引入不僅有效降低了室溫峰值和室內日平均溫度，而且改善了室內溫度隨外界環境溫度變化波動大的缺陷，使室內溫度趨于穩定，從而能夠滿足人民生活需求，提高人民生活品質，增強民眾幸福感，同時實現建筑節能。

Louanate等在地中海氣候區賈迪達市選定4月中的3天，將有/無相變材料的集成簡化房屋模型溫度變化進行了實際模擬對比實驗，PCMs為不同種類商用高容量石蠟 （包括RT18、21、25、28HC，相變溫度范圍22~26 ℃）。PCMs熔融?結晶循環通過相轉變而引起的儲放熱使得白天房屋內峰值溫度平均降低2 ℃，而晚上峰值溫度平均增加了1.8 ℃，將溫度長時間控制在人體舒適的溫度，實驗結果表明，PCMs的加入可以顯著降低房屋模型室內的溫度波動。單一PCMs房屋結構中，RT18HC房屋模型的冷卻和供暖節能值最低，分別為169.6 kW·h和147.4 kW·h，RTHC18、21、25、28單一組分結構的節能率在30.42 %和41.42 %之間；而對于2種RTHC復合相變模型，冷卻和供暖節能值分別在401.1~423.3 kW·h和118.1~160.4 kW·h之間，其全年節能率可以達到51.25 %~55.41 %。其中使用RT21HC/RT28HC復合結構的房屋模型節能效率最高，為55.41 %。

近年也有許多研究將PCMs以微膠囊的形式封裝起來再添加到混凝土或墻板中，并在實驗中取得顯著效果。張家瑋等人采用真空吸附法以石蠟（相變溫度20 ℃）為芯材，粉煤灰微孔漂珠為壁材制備復合PCMs微膠囊，并等體積加入水泥砂漿制成相變儲能砂漿。相變微膠囊為粒徑毫米的光滑球體，并以主要成分SiO2和Al2O3的粉煤灰微孔漂珠為壁材，使得其與建筑用砂和水泥具有良好的相容性，可作為細料加入砂漿。將PCMs微膠囊引入到水泥砂漿中并應用于建筑房屋有著顯著降低能耗的效果，對之后PCMs應用于建筑領域的相容性有著指導性意義，對提高能源資源有效利用，實現能源可持續發展和建筑節能，早日建成建設資源節約型、環境友好型社會有著重要意義。

傳統住宅的墻體多用磚、石、泥土砌筑，其主要起到承重或圍護、分隔空間的作用。現代墻體往往在傳統墻體包覆一層隔熱層，其主要作用就是起到房屋保溫、隔熱的作用。2種墻體的主要結構如圖7（a）、（b）所示。復合墻體是在現代墻體隔熱層內側再補充一層相變層，如圖7（c）所示，相變層的引入對提高墻體儲熱性能提供了新方法。傳統墻體完全用建筑基體搭建，因此在夏天或者冬天需要室內主動開啟制冷或者供暖的設備維持室內溫度在人體體感舒適的溫度，會產生極大的能源消耗。現代墻體中的隔熱層可以將外界環境溫度的變化隔絕在室外，雖不能完全隔絕但也在一定程度上降低了室內供暖或供冷的能源消耗。復合墻體由于隔熱層和相變層的雙層復合不僅可以更長時間的起到隔絕外界溫度變化的作用，而且相變層的存在還能調控室內溫度的波動，提高室內舒適性。

各個建筑結構中的PCMs能有效地利用白天吸收的太陽能來達到維持夜晚室內正常溫度的目的，同時即使是白天處于長期陽光照射的條件下也能夠有效保持室內涼爽的環境，具有高效能源利用和儲存特性的PCMs在建筑領域的廣泛利用，為解決我國現階段能源短缺、供需不平衡的問題提供了可行的解決途徑。除了上述PCMs在各個建筑結構中的單獨應用，也可將多種復合PCMs的建筑結構搭建在一起實現房屋建筑全方位節能，實現協同調溫的功能。本文設想將PCMs加入到多種建筑構件中，如圖8所示，PCMs可同時在天花板、玻璃窗、墻壁及地板等建筑構件中添加，以期得到低能耗高控溫效果的綠色建筑，此建筑可在較低能源消耗的情況下，根據室外溫度變化自動調節室內舒適度，是降低建筑能耗、實現建筑節能的模擬示例。

2.2、主動式相變儲能

主動式相變儲能是指PCMs對外加冷熱源的能量先進行存儲，之后在使用的過程中將儲存的能量釋放出來的一種儲能方式，將PCMs和太陽能采暖、電加熱地暖、空調通風制冷等設備結合，成為主動式蓄能體，可以通過換熱裝置和換熱介質進行主動調節與控制，主要包括電加熱輻射采暖、熱泵系統等。

2.2.1 相變地板輻射供暖系統

由于PCMs具有較高的儲熱密度且相變過程中溫度和體積的變化可以忽略不計，這樣的潛熱儲存技術在地板輻射供暖系統中受到廣泛關注。相變儲熱地板是將PCMs與地板材料復合制成的儲熱地板。由于PCMs在吸熱、放熱過程中伴隨著相變過程，所以其在一定溫度范圍內能吸收或釋放大量的潛熱。采用相變儲熱地板可以省去儲熱水箱，還可以減少供暖地板結構厚度，能有效減輕建筑物自身負擔，既能達到改善舒適性的效果又能節約能耗。同時相變地板輻射供暖系統可以在非高峰時段儲存熱能，在高峰時段需要時釋放熱能，從而在能源供需之間取得平衡，提高能源效率。例如，利用夜間廉價電加熱PCMs使其發生相變以潛熱形式儲存熱量，白天再通過相轉變將儲存的潛熱釋放出來給房間供暖，電加熱相變儲熱地板模型如圖9所示。

Sun等探索了雙層輻射地板系統，下層采用十二水合磷酸氫二鈉基復合材料（相變溫度31.3 ℃，PCMs），上層采用六水氯化鈣基復合材料（相變溫度20.2 ℃， PCMs）。在環境溫度31 ℃和恒定冷水溫度10 ℃下，研究了試驗室在夏季氣候中的冷卻性能。由于持續供應冷水，實驗室的地板表面溫度和室內溫度逐漸降低，室溫從31 ℃降至19.5 ℃需要1.5 h，比無相變材料層的參照室延長了1倍的時間，且室內熱舒適持續時間長達8 h。相變儲能地板實驗室延長熱舒適時間有助于在實際應用中轉移峰值負荷和節約經濟成本。

盧奇等用以高密度聚乙烯作支撐材料，六水氯化鈣（相變溫度29 ℃）作為相變芯材制備了定形相變儲熱地板。當熱水（平均溫度40 ℃）停止供暖時，普通地板僅1.4 h就降低至24.9 ℃，而相變儲熱地板將自身儲存的熱能作為熱源為房間供熱。供暖熱水停止0.5 h后，相變儲熱地板表面平均溫度由40 ℃降低至34.6 ℃；1 h后，由于此時地板中PCMs處于固?液兩相轉變狀態，溫度恒定保持在29 ℃，地板表面溫度保持在28.8 ℃，此溫度在相轉變過程下可維持6.5 h；6.8 h后，相變儲熱地板存儲的潛熱完全釋放。所有供熱源消失，地板表面的溫度不斷降低至24.9 ℃，此時應主動開啟輔助熱源進行加熱滿足室內熱舒適性，整個過程維持了7 h。該相變儲熱地板可以通過將電轉化儲存的熱能緩慢釋放，以維持房間內熱舒適度。

用于地板輻射供暖系統的PCMs主要集中在有機化合物或其復合材料上，關于無機多晶聚合物的研究相對較少，但與有機PCMs相比，無機PCMs具有較高的熱導率和熱能儲存密度，材料來源廣泛且成本低，因此無機PCMs在地板輻射供暖系統的應用中具有廣闊的研究前景。但是無機水合鹽PCMs在實際應用中存在過冷度大、嚴重的相分離等一些固有的問題，也有研究指出添加成核劑和增稠劑可分別有效改善水合鹽PCMs的這些缺點。

2.2.2 熱泵系統

熱泵作為一種節能設備多年來廣泛用于建筑領域，但熱泵技術本身存在低溫性能差、換熱器結霜等應用上的限制。太陽能熱泵系統是指利用PCMs的儲熱性能將太陽能儲存起來，之后與熱泵技術相結合，用于供暖。

早在21世紀初期，Benli等就指出PCMs儲能系統與熱泵系統結合是一種可行的供暖方式。Kelly等針對英國獨立住宅，建立了2種太陽能熱泵系統模型，普通模型是在供熱非高峰時段準備1000 L熱水用于在高峰期提供足夠的熱量來供暖，實驗模型則是用500 L的市售無機水合鹽代替1000 L熱水進行高峰期供暖（PCMs，其特性如表4所示），通過對比分析了PCMs和緩沖熱水的儲能熱泵系統對房屋熱量轉移的區別。對比實驗表明， 當用500 L 的無機水合鹽代替1000 L熱水時，不僅能產生同等熱量用于高峰期供暖，也不會顯著降低使用用戶的房間溫度或熱水溫度，而且較前者可以減少3 %的能量消耗，同時節約出來的空間面積也可用于產生其他的經濟效益，從而實現高峰期供熱負荷轉移至非高峰期的目的。綜合分析，含PCMs的熱泵系統不僅增加了可用建筑面積帶來的經濟效益，也降低了傳統熱水儲能熱泵系統所產生的建筑能耗，有效實現了高峰期的能量轉移達到建筑節能的目的。

總的來說，由于使用可再生能源，被動儲能技術被認為是滿足當前熱需求的可持續技術。因此，僅僅依靠由常規能源驅動的供暖/冷卻系統已經導致現在乃至未來對不可再生能源的需求不斷增加，阻礙了全球建立基于可再生能源的熱能儲存。因此，在建筑中使用PCMs可以滿足未來的能源需求、減少化石燃料消耗，以促進與聯合國可持續發展目標相關的基礎設施的完善。

2.3、相變儲能材料在建筑領域的商業化應用

1982年，在美國能源部太陽能項目的支持下，相變建筑材料開始用于建筑工業。在20世紀90年代，相變儲能技術被用于建筑材料，如石膏板、墻板和混凝土構件開始發展。之后，PCMs在混凝土砌塊和石膏墻板等建筑材料的研究和應用中得到了應用。

2001年，世界最大的化學公司德國BASF公司將總部員工住宅區中一幢70年歷史的老建筑改造成了德國第一幢“3升房”——熱能消耗相當于3 L/（年·m²）的耗油量，約等于4.5 kg/（年·m²）煤，如圖10所示。而中國建筑平均是20 kg/（年·m²）煤，約為“3升房”耗油量的4.5倍。在對總部員工住宅改造過程中，BASF使用了具有內墻制冷作用的相變儲能砂漿技術，其研制的相變儲能材料Micronal?PCM是中心為石蠟（PCMs）的微小聚合物球體，混入水泥砂漿或石膏板后通過石蠟的熔融吸熱和結晶放熱來調節環境溫度，將其應用在樓房中可以減少30 %空調的使用頻率。3 cm厚含有該PCMs的石膏涂層的吸熱能力與18 cm的混凝土或23 cm的磚墻相同，該石膏涂層可使室內溫度平均保持在22 ℃，濕度保持在50 %左右之間，是優異的冬季保溫和夏季制冷材料 。

2013年，德國建造了一幢4層公寓樓 “BIQ”太陽能建筑。它是世界上第一座具有生物反應玻璃幕墻的太陽能建筑，幕墻可以收集太陽能并將其轉化為熱能，從而提供建筑內部的供暖和熱水，采用了PCMs作為一種新型的太陽能利用技術。其中使用硬脂酸（相變溫度22 ℃）作為PCMs，在太陽照射吸熱儲存能量后，可以在建筑需要供暖或熱水時釋放熱量，從而為建筑提供能量，實現太陽能的高效利用，同時還可以平衡室內溫度，保持舒適的室內環境。硬脂酸還可以吸收過剩的熱量，防止建筑過熱，并在有需要時釋放潛熱來提高建筑溫度。BIQ太陽能建筑中使用的硬脂酸可以重復使用，使得建筑物的能源利用更加可持續。因此PCMs的使用可以降低建筑的能耗，減少對全球環境平衡的影響。

2013年，美國的PCMs公司Cool Composites開發了一種無機水合鹽PCMs添加劑Cool Flux并投入生產和銷售。這種新型添加劑被廣泛用于建筑材料、紡織品、能源儲存等領域，可以有效加強建筑或材料的保溫、節能能力。在建筑領域，將Cool Flux添加在聚氨酯泡沫液中后，形成的聚氨酯泡沫會自然形成一層包裹，將Cool Flux密封在其中，保證無機水合鹽在相變時的產生的水分不會流失。復合泡沫在白天可以吸熱，到夜晚將儲存的熱量釋放出來，維持室內溫度恒定。聚氨酯泡沫在國內建筑業的應用還不像西方國家那樣普遍，主要原因是國內的建筑多為高層的鋼筋混凝土結構，本身的保溫性能好，而西方國家的房子一般只有2到3層，不需要鋼筋混凝土結構，可以直接用木板建造房屋，但是這種房子隔熱保溫性能并不好，需要在內部進行保溫處理。完成木板結構后，用噴槍在內壁上噴涂上聚氨酯混合溶液。混合溶液迅速發泡，就可以形成一定厚度的保溫層。而且Cool Composite在市場調研中發現，添加了Cool Flux的產品從外觀和手感和普通的聚氨酯泡沫并沒有差異，工人不需要其他時間或培訓就可以直接使用（圖11），承包商和生產商也不會對其有抵觸。隨著國內綠色、低碳、循環發展方式的不斷推進，添加了無機PCMs后同時具有了保溫和儲能作用的聚氨酯泡沫，在國內將有著巨大的發展潛力。

2015年，菲律賓Sunpower公司新總部大樓建造完成。該建筑使用了一種名為BioPCM的生物基PCMs，用于墻壁和屋頂的保溫。根據SunPower的官方發布的數據，使用PCMs后所帶來的經濟效益和環保效益非常顯著，最明顯的是每平方米墻體和屋頂的冷卻負載分別降低25 %和50 %。白天PCMs能夠將約30 %的熱量吸收并儲存，然后在夜間或低照度條件下釋放回室內，通過降低室內溫度波動來減少空調系統的使用，從而有效控制室內溫度保持在22 ℃到26 ℃之間，從而減少冷卻設備的負載并節省電費。因此PCMs的加入不僅可以使建筑物減少能耗，提高能源效率，還能降低運營成本。

2017年，德國柏林熱帶植物園在雙通風塔系統內部采用德國Rubitherm公司生產的CSM相變儲能模塊（相變溫度25 ℃），該相變模塊早在1975年就開始研發并投入生產，其運行原理就是白天儲能箱中的PCMs將熱量吸收并通過相轉變儲存在自身內部，晚上再將白天儲存的熱量釋放出來。溫室頂部空氣和通風塔入口空氣溫度在白天最高時為30 ℃左右，夜晚最低在22 ℃左右，通過相變儲能模塊的調節作用，通風塔出口空氣基本維持在26~27 ℃之間，從而維持溫室內的溫度恒定。整個溫室使用了約3 t的PCMs，通過吸/放熱循環，將白天儲存的熱量在晚間釋放出來，極大地降低了空調系統的使用率和能耗問題。按每年運行200 d計算，該系統每年可節約電量22000 kW·h，二氧化碳減排量可以達到5 t/年。

2018年12月，西安運維國際總部大廈專屬供熱機組調試成功，正式開始供暖，如圖12所示。該供熱機組采用2臺1000 kW·h的電鍋爐提供熱源， 99臺相變儲能（PCHS）機組以無機水合鹽復合PCMs Mg（NO₃）2·6H₂O/NaNO₃為相變儲熱單元進行儲熱/放熱，雖然該供熱機組占地僅200 m²，但供熱面積可達3.7萬平方米。供熱機組工作期間，晚上從23∶00到7∶00，進行蓄熱期為8 h的電鍋爐加熱，同時PCHS機組通過相變將能量儲存起來。白天7∶00關閉電鍋爐，7∶00至17∶00打開儲熱單元供熱10 h。17∶00停止供暖，利用儲熱單元和管道余熱保持室內溫度。在極端天氣下，如果儲熱機組釋放的熱量不足以滿足建筑物的供暖需求，電鍋爐就會重新啟動，提供補充熱量。與市政集中供熱相比，雖然投資成本增加了8 %左右，但供熱運行成本下降了53 %。經測試，在4個月的供暖期內PCHS機組的加入可節省81.246 MW·h的電力，減少碳排放246.1 t，同時減少了二氧化硫，灰塵和氮氧化物的排放，為建筑節能提供了一種節能減排的清潔供暖技術。

2021年12月，北京冬奧會和冬殘奧會期間利用相變蓄熱器中的高密度、高穩定性、無機納米復合相變儲能材料在固?液相變過程中產生的潛熱實現能量的儲存和釋放的特性，在冬奧會張家口賽區山地轉播中心建成小體積、模塊化相變儲熱?谷電清潔供暖示范工程，如圖13所示，解決了在極寒天氣及復雜山地結構條件下，以清潔能源為建筑供暖的難題。該工程總供暖面積為8000 m²，圓滿完成了為山地轉播中心在冬奧會期間供暖的保障任務，為實現綠色、低碳冬奧提供了科技保障，且其作為我國在宣布雙碳目標后舉行的首個大型國際賽事，積極向全世界展現了我國低碳理念的落實以及相關建筑節能技術的進步。