相變材料及其在建筑節能中的應用

孫 燁，陳藝軒，王 輝

（1. 東北育才學校， 遼寧 沈陽 110179； 2. 遼寧省實驗中學北校，遼寧 沈陽 110148）

隨著石油、煤等不可再生的礦物燃料資源儲量的減少及使用這些燃料引起的環境問題日趨嚴重，對節能和太陽能等可再生資源的利用日益受到重視。同時，隨著社會的發展人們對舒適度的要求越來越高，這又要求消耗更多的能源。

在發達國家建筑能耗占到總能耗的40%左右，預計到 2020年左右我國建筑領域的能耗將會達到能源消耗總量的40%以上。建筑用能是能源消耗的大戶，因而也是節能的重要領域，同時建筑采暖用能往往是大氣污染的主要因素，特別是我國以煤炭為主的能源結構條件下更是如此，因此建筑節能在節約能源和減少污染兩方面有著重要意義。

利用相變材料（Phase Change Material，PCM）儲存太陽能和低價電能方面的研究是目前非常活躍的領域。相變材料可用于解決熱能供給與需求失衡的矛盾，在航天、能源、建筑、軍事、制冷設備、通訊、電力等行業和領域得到廣泛的應用。利用相變材料在熔化或凝固過程中溫度變化不大但吸收或釋放的潛熱卻很大的特性，將其與建筑材料結合使用，可以起到減小室溫波動、利用太陽能取暖以減少空調和采暖系統能耗或利用夜間低價電能維持居室溫度等作用，從而作到充分利用能源、降低污染并滿足居住舒適的目的。

1 相變材料的分類、選擇及改性

國外關于相變材料及其潛熱的儲存和應用的報道從1977年開始大量出現[1]。20世紀80年代初，美國航天航空局（NASA）將有機相變材料應用于精密儀器防高溫侵襲并取得良好的應用效果，隨后軍方將其用于導彈核心電子元器件的恒溫和飛機表面抗熱沖擊等軍事目的。80年代末，NASA下屬的Triangle技術公司將相變材料與紡織纖維復合后應用宇航服。90年代中期隨著晝夜電價分計制的實施，美國開始研制將相變材料與建筑材料結合，利用夜間低價電儲熱。國內對有機相變材料的研究工作始于20世紀90年代初，主要是在應用方面，如定性化、微膠囊化、復合等的工作。

1.1 相變材料的分類與選擇

根據化學組成的不同，一般可將相變材料分為無機相變材料和有機相變材料。根據儲能過程中材料相態變化的不同，一般可將相變材料分為固―氣相變材料、液―氣相變材料、固―液相變材料、固―固相變材料四種。固―氣相變和氣―液相變過程由于有氣態存在，儲存需要更大的體積或更高的壓力，所以不常應用；固―固相變速度慢、價格高、優點不明顯，短期內不能實際應用；固―液相變材料是目前研究相對成熟的一類相變材料，也是目前常用相變材料類型。根據相變溫度的不同，一般可將相變材料分為高溫相變材料、中溫相變材料和低溫相變材料。用于建筑節能的相變材料為低溫相變材料。

良好的相變材料應具備以下性質[2]：(1)熱性質：適合的相變溫度、高的相變熱、良好的傳熱性等；(2)物理性質：有利的相平衡、低蒸氣壓、密度高、體積變化小等；(3)動力學性質：不過冷、適當的結晶速度；(4)化學性質：具有長期的化學穩定性、無毒、不易燃、無污染；(5)經濟性：原料豐富易得，成本較低。目前的相變材料都不同時具備上述要求，實際使用時都需要用其它方式加以彌補。

1.2 固―液相變材料的種類及特點

固―液相變材料主要包括無機水合鹽類和有機物類。

無機水合鹽類相變材料具有相變溫度明確、導熱系數比有機材料大、相變潛熱較大、密度大、價格低、不易燃等優點；但這類材料存在著較嚴重的過冷現象和相分離現象等缺點。雖然可以通過一些方法改進這些性能，但在某些應用領域，如建筑節能，其使用壽命無法達到使用要求。

有機物類相變材料主要包括正構烷烴、碳水化合物和油脂衍生物等，這類相變材料具有固態成型性好、不容易出現過冷現象和相分離現象、腐蝕性小、毒性小、成本較低、可循環使用等優點，并且與普通建筑材料的相容性好；但這類材料存在著導熱系數較小、密度較小、易揮發、易燃、易氧化等缺點。

有機-無機相變材料和低熔點液態金屬是較新的研究方向。有機-無機相變材料是將有機類相變材料與無機類相變材料相混合，既可以彌補單純有機物相變材料潛熱值低、導熱系數小的缺點，又能彌補單純無機類相變材料過冷度大、易出現相分離的缺點，但目前此方面的研究不是太多，其相變機理仍然不清楚[3]。低熔點液態金屬是一種熔點接近室溫的特殊金屬及其合金，具有熱導率高、相變潛熱大、相變時體積變化小、可靠性高等顯著優勢，是新一代高性能散熱儲熱技術的研究熱點[4]。

1.3 固―液相變材料的復合及組合

由于固―液相變材料相變過程存在液態相，為防止相變材料的流失及污染周圍環境，同時避免相變材料的某些缺點，如無機相變材料的腐蝕性及有機相變材料導熱系數較小、易燃等問題，實際使用時需要將相變材料與其它材料復合,這種復合主要起到增強導熱和對相變材料進行封裝定型的作用。

目前常用的提高相變材料傳熱性的方法有兩種：（1）在儲能構件中采用金屬翅片結構或蜂窩結構來擴大換熱面積，此種方法改變了傳統建筑構件的內部構造，加大了施工工藝的復雜程度。（2）在相變材料中摻加高導熱材料，如微米尺度的金屬粉末、石墨和碳纖維等，納米尺度的碳納米管、氮化鈦、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氮化鋁、氧化鋁和銀等多種金屬／氧化物／氮化物納米顆粒等[5]。

對相變材料封裝定型的方法有宏觀封裝、摻混和浸漬、層狀材料吸附、共混或與高聚物交聯、微膠囊化等。

宏觀封裝是將相變材料包封成臘腸形、管形、淺箱、袋、膠囊等形狀后使用。宏觀封裝能克服相變材料傳熱不良及與周圍介質產生化學作用等問題，并且裝配方便。

摻混和浸漬主要用于有機相變材料。摻混是將相變材料與多孔材料（膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、陶粒和硅藻土等）混合均勻后成型。浸漬是將成型后的多孔材料（如混凝土、屋頂瓦、泡沫材料、石墨等）浸于液態相變材料中吸附，此方法工藝簡單、費用低，但有時會出現滲漏問題。

層狀材料吸附是以層狀材料（膨脹石墨、膨潤土和蒙脫土等）為支撐材料吸附相變材料，達到定型化并提高到熱性能的目的。

共混或高聚物交聯主要用于有機相變材料。共混是利用載體（低密度聚乙烯、高密度聚乙烯等）與相變材料的相溶性,熔融后混合在一起制成成分均勻的相變材料。高聚物交聯是用高溫熔融態有機相變材料溶脹交聯的高聚物或水溶性單體在無機相變材料中進行交聯聚合形成。這些制品導熱系數低，因此還需要加入導熱物質。

微膠囊化是指利用聚合物將相變材料包覆起來形成粒徑一般在2～1 000 μm的具有核一殼結構的膠囊的方法，具有相變反應穩定、相變材料不易泄露等優點，但由于微膠囊技術相對復雜，生產成本較高，所以這類制品只用于紡織纖維等特殊用途。

利用多種相變溫度的相變材料而形成組合的相變儲能系統，不僅能加快儲能、放能速度，而且熱利用效率明顯提高[6]。

2 相變材料在建筑節能中的應用

將相變材料用于建筑節能一般是通過直接利用太陽能或余熱的回收再利用以及電力的“移峰填谷”兩種形式實現的。

在20世紀70年代，國外太陽能利用和廢熱回收的研究和開發工作中，一批低溫相變儲熱器件陸續投放市場。可以將無機相變材料經包封后制成板、管、棒等形狀，或制成家具放置在室內，利用它們儲存太陽能，甚至采用日間將太陽能蓄熱裝置放在陽光下曬熱，夜晚取回室內供采暖用[7]。也可將無機相變材料制成儲熱小丸（如美國Pennwalt公司研制的儲熱小丸，直徑9.5～12.7 mm），使用時將其嵌入混凝土中，對建筑設計方案限制較少[8]。

20世紀80年代后研究轉向將有機相變材料與建筑材料結合或微膠囊化后加入建筑材料或紡織品中制成相變蓄能圍護結構，如將相變材料與百葉窗或窗簾[9]、涂料[10]、水泥[11]、石膏[12]、相變蓄熱板材[13]等進行復合，可以使建筑物蓄熱能力強、熱惰性大、傳熱性能差，從而達到節能的目的。

供暖儲能系統方面，在相變蓄熱地板輻射供暖系統[14]中，供暖系統所需熱媒的溫度較低，熱舒適性好，是適合于太陽能集熱器、熱泵等作為熱源的理想供暖方式，節能效果顯著；在空氣源熱泵-相變蓄熱水箱供暖系統中，通過相變儲能技術優化了太陽能、空氣熱能等非連續能源的供能方式，有效提高了建筑中可再生能源的利用率[15]；將相變材料與火炕組合使用，顯著改善了炕面溫度分布的均勻性，有效延長了供暖時間并提高了室內溫度，因而有助于改善農居室內及炕面的熱舒適性[16]。

以乳化的相變材料[17]或相變微膠囊懸浮液[18]作為采暖用儲熱及輸送介質，可減小流量，從而輸送管路的尺寸、輸送泵功的功耗也隨著減小；可提高換熱系數，因此可以減小傳熱面積，從而節約了初投資。

在電力的“移峰填谷”方面，可以采用定型處理的相變材料置于地板下（使用相變溫度為 29 ℃的相變材料）或非承重墻體內（使用相變溫度為35℃的相變材料），達到“移峰填谷”的目的[19]。對于空調系統，潛熱蓄能裝置能將72%的用電推移到夜間[20]。采用這些技術可以有效地提高電網供電負荷率。

3 結語

相變材料在建筑節能領域的研究是近年來的熱點，主要的研究內容從對單一材料的研究發展到對系統化、工程化的研究，節能的效率也在逐漸提高。目前的研究已經比較全面，但是在實際應用上還是存在著一定的問題。因此，需要進行深入的研究，促進相變材料在建筑節能工程中的全面應用。

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