相变材料在建筑节能及其它领域的研究与应用*

肖力光 冯 铄

(吉林建筑工程学院材料科学与工程学院，长春 130118)

0 引言

全球能源危机日益加剧，使节约能源、有效利用能源变得尤为重要.目前，我国在建筑上消耗的能源已占社会能源消耗总量的近30%，而且还在以每年1%以上的速度增长，如果不加以控制，到2020年将可能占据能源总消耗的40%.因此，研发与应用既能降低建筑能耗，又能提高室内环境热感舒适度的新型节能建筑材料已势在必行.

相变储能材料［1］是一种在建筑节能领域具有良好发展前景的新型建筑材料.它可以将一定形式的能量在特定的条件下贮存起来，并在特定的条件下释放出来，将室内温度的波动幅度收窄，从而有效地降低能源消耗.最早将相变储能材料应用于建材领域的研究始于1982年的美国能源部太阳能公司，1988年，美国能量储存分配办公室进一步推动此项研究［2］.此项技术的应用研究大致经历以下3个阶段［3］:

(1)20世纪90年代前，主要是分析相变物质用于建材领域的可行性，筛选适用于建筑体系的相变物质;

(2)20世纪90年代，以完善相变物质与建筑基材的复合工艺为主，重点研究相变物质与建筑材料的相容性、稳定性及使用寿命;

(3)20世纪90年代后至今，研究的重点转移到开发新型相变材料和定型技术，研制实用化建筑制品，并推动其应用于工程实践.如今，相变储能材料在太阳能利用、废热回收、控温、智能空调建筑物调温和工程保温隔热材料等多方领域都有应用［4］.

1 相变材料及蓄热机理

1.1 相变材料的分类

相变材料(PCM)或称相变储能材料［5］，广义上是指能被利用其在物态变化时所吸收(放出)的大量热量用于能量储存的材料.狭义上是指那些在固－液相变时，储能密度高，性能稳定，相变温度适合和性价比优良，能够被用于相变储能技术的材料.相变材料的储能密度可达到同等体积显热储存物质的5～14倍［6］.按化学组成，相变材料可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材3类［7－8］.其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等;有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物;复合相变储能材料是无机相变材料与有机相变材料的结合使用，它既能有效克服单一的无机或有机相变材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果、拓展其应用范围.按相变方式，相变材料可分为固－固相变、固－液相变、液－气相变和固－气相变4类.

1.2 相变材料的蓄热机理

相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力.以固－液相变为例，将其加热至熔化温度时，会产生从固态到液态的相变，在熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热;当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内会释放到周围环境中，进行从液态到固态的逆相变.在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热.物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大.

固－液相变材料的熔化过程［5］可以通过自由能差来表达:

式中，H为焓;Tm为相变温度(K);S为熵.

如果是平衡的，则 ΔG=0，即:ΔH=TmΔS

从上式可以看出，给定相变温度Tm，熵的变化越大，相变材料的相变潜热(ΔH为相变焓差)也就越大.

对于纯物质，在处于热力学平衡时，具有如下的性质:

式中，V和p分别为体积和压力.如果在熔化期间，压力保持恒定，那么，对纯(单成分)相变材料而言，就有:

化合物在熔化过程的熵的变化，可以近似地用组成化合物元素的熵变之和得到.

1.3 相变材料的选择

用于建筑节能领域的相变材料应具有以下几个特点［9］:①熔化潜热高;②相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少;③有合适的相变温度，能满足需要控制的特定温度;④导热系数大，密度大，比热容大;⑤相变材料无毒，无腐蚀性，成本低，制造方便.

2 相变材料在建筑节能领域的研究与应用

相变建筑材料的复合工艺主要有:①将PCM封装后(包括容器封装、微胶囊封装等)置入建筑材料中;②通过浸泡将PCM渗入多孔的建材基体(如石膏墙板、水泥混凝土等);③将PCM直接与建筑材料混合;④将有机PCM乳化后添加到建筑材料中.

相变储能建筑材料的优点是:①相变潜热大，相变时温度基本恒定，具有温度自动调节能力.可降低夏季室内最高温度，提高冬季室内最低温度，减小室内空气温度波动，提高人体舒适度;②可以转移用电高峰时期的电力负荷，在电力供需时间上削峰填谷，缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾;③节约建筑能耗，减少温室气体排放;④减小建筑外墙厚度，减轻建筑物自重，节约建筑材料的使用量;⑤可以吸收部分大体积混凝土水化所放出的热，减小混凝土结构内部的温差应力，达到控制混凝土温度裂缝的效果［3］.

相变储能材料作为一种高效的热能储存介质，在建筑节能领域中具有重要的应用价值，并具有显著的经济、环境和社会效益.目前，相变材料在建筑节能领域的应用主要体现在两大方面［10］:①自动式节能.能量边储存边释放，充分利用自然界的冷热源储存能量，如太阳能等;②主动式节能.能量先储存后释放，利用人工或自然冷热源储存能量;如采用“移峰填谷”的方式，错峰廉价电能或白天的太阳能在白天储存，夜间需要时再释放，以节省电费.

2.1 相变材料自动式节能研究与应用

2.1.1 PCM 墙体材料

邓安仲等［11］对轻质相变墙体在被动式轻钢结构房屋中的应用效果进行了研究，结果表明，相变墙体的应用，显著提高了轻质结构建筑的蓄热能力，同时满足其结构和强度的要求.而且，相变墙体可有效保持室内适宜的温度环境，比普通轻钢结构房夜间室内温度高7℃ ～10℃.李德魁等［12］发明了一种相变隔热砖，砖体包括中部相变材料芯层及覆盖在外部的砖体外围硬质结构保护层.经研究，该相变隔热砖可以应用于建筑墙体，有效改善室内的温度环境.A.Castell等［13］将相变材料掺入普通砖和泡沫砖中，制成相变砖.然后分别使用相变砖与普通砖建造房子，对两种砖表现的热性能进行测试比较.测试结果显示，相变砖可降低房子室内峰值温度1℃，同时起到平稳日常室内温度波动的作用.此外，该相变砖的使用具有显著的节能减排效果，经计算，整个夏季相变砖总共降低了电能消耗量15%，减少二氧化碳排放约(1～1.5)千克/年/平方米.

2.1.2 PCM 建筑板材

Kedl R J等［14］研究将18烷石蜡浸入墙板，制成一种有相变性质的墙板，应用于被动式太阳房.A.L.S.Chan［15］将PCM墙板应用于一个模拟住宅的内墙，并对其节能作用进行研究.结果发现:安装PCM墙板后，该住宅每年可节约空调系统能耗2.9%.Colas Hasse等［16］对短期蓄热蜂窝板的热学性质进行研究.他们选择相变温度27℃的石蜡为相变材料，将其填充于蜂窝板中，制成一种相变板材.经检测，在蜂窝板填充相变材料后，蜂窝板的热传导性得到增强，而且，所加入的相变材料无泄漏现象.测试相变蜂窝板在24h时间内对温度变化(从11℃ ～39℃)的响应，温度及热通量的测量结果显示，相变蜂窝板较普通蜂窝板的热惰性有明显提高.See－Hoon Lee［17］检测一个装有微胶囊相变墙板的实验房在冬季和夏季气候条件的性能与节能特性.墙板中微胶囊相变材料的平均用量为0～4kg/m2，相变材料的相变温度为23℃，相变潜热211 J/g.房子的外部温度人工控制在12℃ ～35℃之间.实验结果显示，当墙板中微胶囊相变材料的量低于500磅/平方英寸时，房子具有稳定的机械强度.随着微胶囊相变材料用量的增加，房间的温度波动幅度降低.安装相变墙板后，房间内的温度变得相对稳定，温度变化宽度在人体感到舒适的范围内.在节能效果方面，微胶囊相变材料在墙板中的用量约为3 kg/m2时墙板的节能效率最佳.

2.1.3 PCM 建筑涂料

杨韶勇［18］研究利用植物临界萃取、真空冷冻析层、蒸馏、皂化等新工艺复合制成一种新型自调温相变节能材料，并尝试将其涂抹于墙体、顶棚等表面，经自然干燥后，形成了无缝整体密闭的稳定绝热层.此相变材料具有无毒无害、绿色环保、粘结牢、抗压抗拉、防水及综合造价低等优点，在建筑节能领域具有良好的应用前景.王蕊等［19］研发了一种玻化微珠相变保温蓄热材料，将其涂抹于日光温室的内外墙，测量温室涂抹前后的温度变化，对比两者的能耗指标.结果表明，这种材料不仅可以减小墙体厚度，而且可降低能耗，同时满足室内人体舒适度要求.沈志明等［20］以硬脂酸丁酯为相变材料、膨胀珍珠岩为载体，采用减压吸附法制成定型相变材料，然后掺加脱硫石膏和外加剂配制成一种名为脱硫石膏基的相变砂浆.经研究，当添加的定型相变材料达到质量15%时，该相变砂浆的性能最佳.对比相变砂浆和普通砂浆的降温曲线发现，相变砂浆具有温度调节功能，将其投入使用能够实现能源的合理利用.T.Karlessi等［21］将有机相变材料作为蓄热材料与涂料结合，制成相变涂料，就其在城市建筑应用的调温节能等效果进行研究.经研究发现，该相变涂料的表面温度低于普通涂料.对涂料的日常温度差异分析得到:上午7点至10点，相变涂料与普通涂料的温差最大.在此段时间，相变涂料的温度梯度低于普通涂料.从上午10点至12点，相变涂料与普通涂料的温度梯度值接近.最后得出结论，相变涂料能够提高建筑的热惰性，实现建筑节能，保持室内环境的舒适度，将其应用于建筑可抵御城市热岛效应.

2.1.4 PCM 混凝土

通过在普通混凝土中加入相变材料制成具有较高热容的建筑结构，可有效解决使用环境舒适度、节能与环境污染等问题之间的矛盾.

刘福战［22］以月桂酸与月桂醇二元低共熔体作为相变材料，选择膨胀珍珠岩作为载体，利用真空吸附法制备成一种相变材料，将其与普通混凝土配制出建筑节能用相变储能混凝土，对其储能效果进行了测试.测试结果表明，在相变混凝土中，月桂醇、月桂酸二元复合相变材料起到了延缓混凝土温度增长的作用，对环境温度的峰值有明显的推后作用.此现象说明相变混凝土已具有储能控温的性能.刘福战用膨胀珍珠岩吸附石蜡作为相变材料，替代部分普通混凝土细骨料配制成相变混凝土，对相变混凝土的力学性能及热性能进行了测试［23］.发现当相变材料吸入量不大于100%且替砂率不大于50%时，相变混凝土的强度较普通混凝土相比降幅不大，且具有较好的储能控温效果.

相变材料其他自动式节能应用还包括相变天花板［24］、相变地砖［25］、相变地板［26］、相变阳台栏板等［27］.

2.2 相变材料主动式节能研究与应用

2.2.1 PCM用于蓄冷空调系统

相变蓄冷技术是利用夜间用电低谷期，采用电动制冷机制冷，利用物质潜热将冷量储存在某种相变材料中，在白天用电高峰时，将冷量释放出来，从而满足建筑物空调或生产工艺用冷的需求.

蓄冷空调系统应用相变蓄冷技术，在夜间进行冷量储存，使用电网的基荷电负荷，从而可以避免常规空调在高峰负荷时使用峰荷电量.相变蓄冷空调技术的应用不能直接增加电网高峰负荷的电能，但能依靠减少对电网高峰的用电需求，将高峰用电量转移到低谷用电时间，从而缓解高峰用电紧张的矛盾［28］;

2.2.2 PCM 用于供热系统

(1)太阳能相变蓄热系统.太阳能相变蓄热系统是以太阳能为主要能源，利用低谷电作为辅助热源，选择蓄能密度大的相变材料作为蓄热体，在阳光充足的白天，把集热器收集的太阳辐射热贮存在相变蓄槽中，以供阴雨天、晚间或者其他需要的时候使用.根据设计的规模、用途的不同，释放蓄存的热能可作为供应生活热水或者采暖之用［29］;

(2)太阳能热泵系统.太阳能热泵是太阳能热利用技术与热泵技术的有机结合，可提高太阳能集热器的效率和热泵系统的性能［30］.太阳能是可再生能源，但存在能流密度低、不均匀性、间歇性等特点，利用相变材料的蓄热能力将热量储存在相变蓄热水箱中，可使太阳能热泵系统保持稳定、高效的运行状态.经研究，脂肪酸类低共融混合物具有相变温度低、相变潜热大、性能稳定、无过冷度和价格适中的优点，适用于太阳能热泵系统［31］;

(3)电热相变储能锅炉系统.电热相变储能锅炉系统通过定时和温控装置，把谷期的电力转变成热能在相变储能元件内储存起来，用于加热水和空气供峰期使用.相变储能材料具有储能密度高、储释能过程近似等温等优点，因此，使用其作为介质的储热设备要比以水等其他介质做成的储热设备具有更大优势.对200 kW电热相变储能锅炉与普通200 kW电热热水锅炉指标进行对比分析，电热相变储能锅炉每天比电热热水储能锅炉节省电费909元［32］;

(4)相变自循环供热系统.相变自循环供热系统由热交换器和装有相变材料的储液容器构成.其中，应用的相变材料为气液相变材料，储液容器与外接热源连接，由外接热源与相变材料发生热交换而使相变材料发生相变.热交换器安装于供热建筑内用于与供热建筑室内空气进行热交换.本系统充分利用其它低品位热源向室内供热，使室内温度保持稳定;系统具有无运动部件、损耗小、使用寿命长、结构简单和成本低廉的优点.不但能满足随时供热的要求，还不受应用位置的限制，可以满足建筑物内不同位置的供热要求［33］.

3 相变材料在其它领域的研究与应用

(1)PCM电池.现行电动汽车上用的蓄电池主要是镍氢电池和锂离子电池，无论是哪一种，都有其最佳工作温度范围.超过或低于最佳工作温度会使电池的性能和寿命受到影响.因为相变材料具有热管理均匀性好，系统质量轻等优点，所以可以利用其作为电动汽车蓄电池的冷却介质，Said Al.Hallaj等［34］通过实验证明，PCM在常温下应用于电动汽车用蓄电池包热管理系统的可行性.沈云飞等［35］研究发现，用PCM结合发泡材料可有效改善PCM导热系数低的问题，应用于电动汽车用锂离子蓄电池包热管理能保证锂离子电池在适宜温度下工作，且维持电池间的均匀性;

(2)PCM热管.热管是一种在封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件.Ying－Che?Weng等［36］就相变热管在电子冷却的应用进行研究.他们在热管绝热段覆盖一个装有相变材料的存储容器，存储容器可根据蒸发器热力和冷凝器风扇速度吸热或放热.本实验以3种相变材料、相变材料填充量、风扇速度、热功率为参数对相变材料的冷却性能进行研究.结果显示，相变热管具有较好的冷却性和节能性.以二十三烷为相变材料的相变热管可比传统热管节省46%的风机能耗;

(3)PCM蒸发器与压力调节器.M.Gumus等［37］将相变材料应用于以液化石油气为燃料的汽车蒸发器与压力调节器中，通过相变材料储存热能，解决汽车的冷起动耗能与排污问题.研究发现，装有相变材料的蒸发器与压力调节器能够解决汽车发动机的冷启动问题.相变蒸发器与压力调节器可以在发动机冷却15h后立即启动，避免了冷启动能耗，同时降低了一氧化碳排放量17.32%，碳氢化合物排放量28.71%;

(4)PCM散热器.S.C.Fok等［38］以正二十烷为相变材料置入翅片散热器中，用于冷却手提式电子设备.他们就相变材料、翅片数量、装置方位以及功率(从3到5瓦)对散热器瞬态热性能的影响进行研究.结果发现，该相变翅片散热器能够用于冷却移动设备，其使用效果与相变材料的含量、翅片数量、热源的功率，以及装置的使用模式有关;

(5)射流冲击及喷雾冷却用PCM浆体.W.Wu等［39］使用聚合物胶囊封装粒径为100 nm的石蜡颗粒，以防止石蜡的泄漏与结块，制成一种石蜡胶囊，加水后形成一种纳米胶囊相变浆体.经研究，应用此浆体，可增强射流冲击及喷雾冷却的传热性能.其中，石蜡纳米粒子的体积分数对相变浆体的降压与传热起到重要的作用.与碱溶液相比，颗粒体积分数为28%的相变浆体可分别提高射流冲击冷却及喷雾冷却传热系数50%和70%;

(6)PCM服饰.相变材料在相变时吸收和释放潜热，可用于制作控温服饰.Gao Chuansi等［40］在一个人工气候室使用衣着相变服饰的人体模型，研究相变服饰冷却速率与温度梯度、相变材料质量和覆盖面积的关系.研究结果表明，相变衣服的冷却速度与温度梯度相关，当在炎热的气候下使用该相变衣服，温度梯度需高于6℃.在温度梯度相同的情况下，冷却速率主要取决于覆盖面积.此外，相变材料的质量和相变潜热决定了相变衣服冷却效果的持续时间.Cardoso Isabel等［41］将一种具有阻燃作用的相变微胶囊材料应用于服装的内衬，使相变服饰增加了阻燃功能;

(7)PCM电子器件冷却系统.相变材料的固液相变具有较高的相变潜热且相变体积变化小，可以广泛应用于间歇性工作的电子器件温控中.经研究，将石蜡应用于体积和功率较小的电子器件冷却系统中已经取得了良好的温控效果［42］;

(8)PCM潜热输送系统(LHT).潜热输送系统(LHT)是一种热量回收与输送系统.Takahiro Nomura等［43］研究以固固相变温度293℃，熔点320℃的NaOH为相变材料，回收炼钢厂温度高于300℃的余热，将热能向化工厂输送，供给蒸馏塔蒸馏苯，甲苯，二甲苯(苯).经评估，LHT系统的蓄热密度是感热输送系统(SHT)的2.76倍;该系统的能量要求、火用损失以及CO2排放量仅为无热回收能力的普通系统的8.6%，37.9%，17.5%.

4 结语

从可持续发展战略出发，研究如何在满足使用者舒适度的前提下，尽可能地提高建筑物对能源的有效利用率，对于当前的能源形势具有重大的意义.随着人们对节能问题的日益重视，环境保护意识的逐步增强，相变储能材料必将在今后的建筑节能及其他领域大有用处，其应用前景也会越来越广阔.

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