相变材料在装配式建筑中的应用

早在小学和中学时期，我们大多数人可能就学过相变。如果这仍然没有引起你的注意，请想想 H20（即水）如何从一种状态转变为另一种状态而不改变其化学成分。从化学角度来说，茶中的冰块、导致家中霉菌生长的水蒸气以及从我们的淋浴喷头中流出的东西都是同一种东西。然而，从固体变为液体或气体的过程需要能量。近年来，可持续建筑公司一直在探索允许建筑商利用和储存这种自然释放的能量以提高房屋能源性能的途径。

主要问题是，我们用于建造房屋的大多数材料的熔点和凝固点都太高，不适合人类的舒适度。有些人喜欢睡在温暖的毯子下面，但利用水变成冰的相变意味着我们将不得不忍受 32 华氏度的室内温度。然而，不同的合成和天然材料的熔点和凝固点接近舒适的室温。

相变建筑材料目前仍处于开发阶段。不过，在这篇短文中，我们将介绍相变建筑材料如何帮助打造更节能、更舒适的住宅。

为什么大多数现代建筑商放弃热质量

如今，大多数可持续建筑方法都注重 高性能隔热 和 紧密的建筑围护结构。将这两种建筑策略与 被动式太阳能供暖设计相结合，可以大大减少对机械冷却和供暖系统的需求。供暖和空调约占 所有住宅能源使用量的48% 。寻找减少对 HVAC 系统依赖的方法是低碳住宅 的核心目标之一 。

然而，在高性能泡沫隔热材料和节能 热泵出现之前，房主们使用其他策略来保持房屋温暖，而不必砍伐整片森林来获取柴火。 热质量 是指房屋质量的既定属性，它使房屋能够储存热量， 提供对温度波动的“惯性”  。

厚重、致密的建筑材料曾经是建造房屋墙壁和地板的常用材料，包括砖块、砌块、石头和土坯。这些材料的重量和质量使房屋能够“吸收”太阳的热量，并在凉爽的夜晚将热量散发回房屋。

不幸的是，如今许多建筑商都专注于轻质、快速的施工方法，重点是 2x4 和胶合板。这些建筑方法确实成本较低。然而，大多数建筑商选择不将热质量纳入他们的房屋，因为这会增加材料和人工成本。因此，如今美国绝大多数房屋几乎没有热质量来帮助自然调节室内温度。

特定的相变材料，例如石膏板（我们将在下面进行讨论），提供了享受热质量优势的机会，而无需增加这种建筑策略在当今住房市场中所带来的重量（和劳动力成本）。

什么是相变材料？它们如何工作？

正如我们在介绍中提到的，相变材料是可以从固体变为液体或从液体变为固体的元素。对于房屋建筑而言，某些熔点经过精心选择的物质用于储存和释放热量，以影响和控制房屋内的温度。

不用太科学，相变材料工作背后的必要过程如下：

1. 吸收热量会使给定温度下的给定材料或元素熔化。

2. 在熔化过程中，材料会吸收环境中的热量，从而导致内部空间变冷。

3. 随着温度下降，材料会重新凝固，释放热量，使空间变得更温暖。

4. 相变温度与舒适的室内温度相似的材料可以储存在建筑商所谓的“绝缘缓冲器”中。相变过程中释放的热量或冷量可以保留下来供以后使用——当温度波动通常会导致房主调高或调低恒温器时。

   
   

许多人没有意识到相变材料在变化过程中不会发生变化。最常引用的例子是，当冰融化时，当冰仍然存在时，温度将稳定在 32 华氏度。相变材料在家庭中的潜在用途取决于能否储存产生的潜热以供日后释放。

相变建筑材料对可持续住宅的潜在益处

正如我们上面所述，每当一种材料熔化或凝固时，它都会吸收或释放能量。在室温下熔化或凝固的材料可能有助于调节室内温度。可持续家居产品中最常见的相变材料是石蜡和某些脂肪酸。

本质上，在 73 华氏度时融化的石蜡可以提供与热质量类似的益处。在温暖的午后，这种蜡可以融化，并且该升温过程的潜在能量可以储存起来，以便在凉爽的夜晚释放。借助现代技术，主要的好处是石蜡的纳米颗粒可以融入胶合板或干式墙等轻质建筑材料中。

相变材料可以提供与大规模土坯、砖块或石墙相同的好处，而无需承担这些传统 乡土建筑方法 所带来的成本和增加的重量。

相变材料的一个有趣例子

相变材料为可持续建筑策略和方法提供了令人兴奋的机会。熔化或凝固过程中释放的能量是一种完全自然的能量形式。它可能会取代我们对家庭能源化石燃料的部分依赖。不幸的是，大多数相变建筑材料仍在世界各地的实验室和大学中进行研究。

图片来源：可耐福

一个令人兴奋和鼓舞人心的应用是Knauf Comfortboard，这是一种室内石膏板或干式墙，其中采用了合成的石蜡基相变材料。这种室内石膏板被宣传为“没有重量的热质量”，其中包括 Micronal，这是一种丙烯酸相变材料，旨在提供热调节以改善舒适度和气候条件。

照片来源：NationalGypsum 2011

石膏板内的 Micronal 可在白天吸收热能，并在夜间释放。这样可使室内温度更稳定，而无需依赖人工加热和冷却。这种石膏板在欧洲和南美洲的某些国家有售，可像普通石膏板一样安装，便于在装修中使用。

虽然相变材料仍需要更多的研究和开发，但它们为可持续住宅提供了令人兴奋的机会和前沿。

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