相变储能建筑材料的制备和应用研究

阚丽虹 沈霁 郑同鑫

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730000）

1 相变材料定义和分类

物质存状态有三相：固相、液相和气相。物质有一种相态变化到另一种相态叫相变。在相变过程相变的温度保持不变，物质的状态发生了改变[6]。在这种变化过程中要吸收或释放一定的能量，这部分能量称为相变潜热。相变潜热是多种蓄热方式中的一种。利用相变过程中吸热或释放热量来进行潜热储能的物质简称相变材料（Phase Change Material，简称PCM）。

相变材料的种类很多，按照物态变化的规律可以分为固态-固态的相变材料、固态-液态的相变材料、固态-气态的相变材料；根据PCM的化学组成可以分为有机相变材料、无机相变材料和有机和无机混合的相变材料三种；按照相变温度的高低可以分为低温相变材料、常温相变材料和高温相变材料三种相变材料。低温相变材料的相变温度在0℃～120℃，主要用于各种工业或者公共设施中回收废热和储存太阳能；高温相变材料的相变温度在120℃～850℃主要用于小功率的电站、太阳能发电和低温热机等方面。相变材料的种类虽然很多，但是能用于建筑中的只有固态-液态这种相变材料，当温度高于相变材料的相变温度时，相变材料发生等温熔化或者等温凝固，在熔化过程中吸收外界的热量，使外界温度降低；起到降温的作用；当温度低于相变材料的相变温度时，相变材料发生等温凝固现象，并将自身的热量释放出来，给外界供热在这吸收或者释放能量的过程中，调节了居住环境的舒适度。

2 相变蓄能建筑材料

相变蓄能是物质在相变过程中发生物态变化，产生能量变化，这种能量以潜热的形式存储的方式。相变储能材料是把相变材料通过混合、浸泡或者封装等方式加入到普通的建筑材料中，制成一种新型的相变储能建筑材料。（Phase Change Building Materials，PCBM）。相变储能建筑材料是一种智能热工复合材料，能够将热量以潜热的形式进行储存，实现热量在同一空间位置不同时间段之间的热量转换。

在建筑中使用的相变材料，应具备以下几个特点：1）熔化或凝固的潜热高；2）相变过程的可逆性要好；3）膨胀收缩性要小；4）热稳定性要好，不要出现过冷或过热现象；5）相变温度在20℃～30℃范围内；6）热导率要大，储热密度要大；7）没有毒性、没有腐蚀性；8）成本要低，制造要方便；9）与建筑材料相容性要好，容易被吸收。目前建筑上常用的相变材料有：四水氟化钾、六水氯化钙、硬脂酸丁酯、1—十二醇、质量分数93%～95%的硬脂酸丁酯+质量分数5%～7%的硬脂酸甲酯、质量分数49%硬脂酸丁酯+质量分数48%的棕榈酸丁酯、正十八烷等[6]。

3 相变储能材料的制备方法

1）直接合成法是将熔化的相变材料或粉末状的相变材料直接掺在建筑材料（如石膏板、混凝土板）的制造过程中[5]，制成相变储能石膏板或相变储能混凝土板材。用于建筑物外墙的内壁材料，减弱建筑物室内温度的波动幅度，保持室内舒适度。其优点是结构简单，性质稳定，容易做成各种形状和大小不同的建筑构件，以满足不同场合的需要，缺点是易泄漏且性能不稳定。

2）浸入法是将普通建材如砖、石膏板、混凝土块等材料直接浸泡在加热熔化的相变材料中，靠表面毛细孔的作用将相变材料吸入建材的孔隙中，然后将浸泡过的这种材料取出来降温冷却，这种建材的孔隙中就有相变材料存在[5]。优点是工艺过程简单，可以在任何时间和任何地方根据需要将普通建材制备成相变建材，缺点是这种相变建筑材料在应用多年以后，相变材料有可能渗漏。

3）胶囊法是将相变材料制成胶囊以后再与建筑材料复合。胶囊法有宏观封装技术和微观封装制成微胶囊两种。宏观的封装技术是将相变材料直接装在管、袋、球壳、板或其他容器中。这种方法的优点是表面热流量大，但是缺点是需要保护措施免遭破坏，而且在后期使用过程中与建筑材料复合的工作量大，成本高。微封装方法是将相变材料颗粒封装在高分子聚合物薄膜中，聚合物薄膜应与相变材料和建筑材料都相同。这种方法的优点是易用、传热面积大、传热效果好以及不用另外的保护措施等，但是缺点是可能会影响建筑物的强度[5]。另一种封装方法是用胶囊技术对相变材料进行封装，将相变材料做成胶囊再与建筑材料复合这种方法的优点有以下几条：1）相变材料的比表面积增大和热导率增大；2）在胶囊内完成相变过程，解决了相变材料在使用过程中的泄漏现象。3）提高了相变材料的稳定性，降低了相变材料的毒性；4）增加了相变材料的耐久性，延长了相变材料的使用寿命；5）相变材料微胶囊便于封装，可以满足绿色环保新型材料的要求；6）选择合适的微胶囊材料，避免了在使用过程中相变材料和普通建筑材料不相容性造成的对建筑材料热性能和承重能力的影响。这种微胶囊在建筑材料中使用还要解决几个问题：1）提高胶囊的热导率；2）提高胶囊的长期稳定性和寿命；3）解决胶囊和建筑材料的相容性；4）降低胶囊制备的成本[6]。如果能制备这种相变微胶囊，就可以用这种微胶囊来制备相变储能砂浆、相变石膏板、相变混凝土等。

4 相变储能材料在建筑节能中的应用

微胶囊的相变储能材料主要可以用在建筑物的墙体、采暖地板、屋顶、窗户等地方；在夏季，主要利用昼夜温差较大并且进行通风，夜间储存蓄冷，白天将冷能释放，降低空调用电量[2]。人体感到舒适的温度在18～28℃之间，可以将相变温度设定为25℃。当白天室内温度高于相变温度时，相变储能墙体中的PCM发生相变、熔化，吸收室内多余的热量，从而降低了室内空调冷负荷，相应的也就减少了空调系统的运行费用；当夜间温度下降到低于相变温度时，PCM再次发生相变，相变储能墙体将白天储存的热量释放出来，提高室内温度，改善了室内环境的热舒适度。在冬季，采用相变蓄热与地板采暖结合，相变温度设定为29℃。用相变蓄热地板和空调采暖结合增加室内温度、或者是相变蓄热地板与太阳能结合实现冬季的间歇式采暖。这种方式有以下几点优点 1）相变储能地板的潜热蓄能作用可以消减供热峰值；2）相变蓄热地板蓄热效率大于混泥土地板；3）减少建筑物供暖、空调设备的运行时间，达到节能降耗和提高舒适度的双重目的。

用相变石膏板、相变储能混凝土作为墙体材料，减少建筑物室内温度的波动幅度，保持室内的舒适度；还可以将相变材料掺入保温材料中制成相变保温材料，用于节能建筑外围护结构的高效节能型建筑保温隔热材料，提高了轻质材料的储热能力，改善了材料的热稳定性，提高了材料的热惰性，同时还不影响材料的强度、粘结能力、耐久性等性能[2]。

5 相变储能材料的应用前景展望

相变储能材料对缓解能源紧张，提高建筑物舒适度、节能降耗等方面有积极的意义，与普通建筑材料的被动节能方式相比，相变蓄能建筑材料具有稳定室内温度、耐久性高等优点。在使用过程中，相变储能材料会发生相变，在相变过程中能吸收或者释放出一定热量，从而使室外的热量通过房屋向室内传递时产生时间延迟和衰减，可以显著提高室内环境的舒适度。同时如果配合空调、太阳能、传统的采暖、用电采暖等效果更加明显，降低了空调系统、采暖系统的投资成本和维修作业费用，开辟了暖通空调技术发展的新空间[4]。相变蓄能材料还可以用来制备储热调温纤维、织物、恒温服装、电子元件等方面。