相变材料在建筑节能中的研究进展

时浩，刘红敏，钱嘉鑫，孙亚松

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

现如今，全球能源危机问题愈加严重，人们赖以生存的石油、煤矿和天然气等不可再生能源紧缺。为解决能源危机，除了寻找风能、太阳能、潮汐能等可再生能源之外，节能也是解决能源危机的一个重要方式。节能以应用技术可靠、经济合理、社会可接受度高为特点，其主要目的是为了更好地利用不可再生能源。建筑是人类社会的重要组成部分，人们为满足对高舒适度的追求，利用空调、地暖等设备对室温进行调节，增加了建筑的能耗。建筑消耗的能源占社会总能耗的很大一部分，在中国，建筑物消耗的能源超过了30%[1]。我们面临的问题是如何在减少能源消耗和提供舒适的室内环境之间取得适当的平衡[2]。在这种情况下，相关研究人员开始致力于相变材料的研究，相变材料的应用不仅可以降低建筑能耗达到节能减排的效果，而且对室内舒适度的提升也有极大帮助，因此具有十分重要的意义。

1 相变材料的分类与建筑用相变材料的特性

1.1 相变材料的分类

相变材料(简称PCMs)又称相变储能材料，是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。相变过程指的是相变材料吸收或释放大量的潜热，转变物理性质的过程。PCMs的工作原理是根据环境温度改变它们的状态，当温度升高时，PCMs会从固态转变为液态，吸收和储存能量。另一方面，当温度降低时，材料具有释放先前储存能量的能力，在这种情况下，从液态变为固态[3]。

相变材料按照化学组成不同可以分为有机相变材料、无机相变材料、复合相变材料[4]，其材料种类及优缺点见表1。相变材料按照其状态不同可以分为气-液相变材料、气-固相变材料、固-液相变材料、固-固相变材料。气-液相变材料和固-液相变材料中存在大量气体，在相变过程中会出现体积增加、气压增大的现象，而固-固相变材料相变速度缓慢，价格较高[5]，因此建筑节能方面多使用固-液相变材料。相变材料还可以按照温度的高低进行分类，但温度划分的标准并不统一，一般情况下可根据相变材料的实际使用温度分为低温相变材料(-50～90 ℃)、中温相变材料(90～400 ℃)和高温相变材料(>400 ℃)[6-8]。

表1 相变材料的种类及优缺点Table 1 The types，advantages and disadvantages of phase change materials

1.2 建筑用相变材料的特性

早在1980年，PCMs就已用于建筑物的热能储存，Biswas和Lane对这种材料用于加热和冷却的应用进行了初步研究[9-10]。20世纪90年代，用PCMs处理建筑材料的技术开始发展起来。1999年，国外研究出新型的固-液相变材料，用在墙板或者混凝土中，可以调节室内的温度。国内相变材料的研究起步较晚，90年代初中国科学院广州化学所、中国科技大学、清华大学、华中理工大学、北京航天航空大学、重庆大学等多所大学和研究单位相继开展了相变储能材料的开发和研究工作。总的来说，我国相变储能材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱，但是近年来我国研究相变材料的速度正在加快，内容也在不断加深，中国建筑材料科学研究总院研发的有机-无机复合相变材料现已经可以在建筑围护结构上大面积使用[11]。

用于建筑围护结构的相变建筑材料的研制，选择合适的相变材料至关重要，需具有以下几个特性：①熔化潜热高，使其在相变中能贮藏或放出较多的热量；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，容易获得。

2 相变材料在建筑外围护结构的应用

PCMs在建筑围护结构上的应用主要包括石膏板、砂浆、混凝土等，将传统的建材与相变材料通过直接加入法、浸渗法或者封装法制备成新型建材[12]。将相变材料放置于建筑外墙中，白天融化吸收墙体热量，夜晚凝固缓慢对外界和室内释放出热量[13]。建筑物传热方式主要包括对流、辐射和导热，其中导热占据建筑物热量的很大比例。研究证实，将PCMs用在建筑围护结构上，通过减少室内温度的每日波动和降低建筑物的能耗成本，提高了建筑物室内舒适度[14]。

2.1 相变石膏板

石膏广泛应用在建筑中，具有良好的隔音、隔热、防火、调节湿度的性能，是一种环保型材料。石膏的微孔结构和加热脱水的性能使之成为与相变材料复合的良好的基体，可以制备出一种环保兼具性能良好的新型建筑材料[15]。

张建武等[16]将癸酸和棕榈酸与石膏板通过浸渍法混合，用扫描电镜和差示扫描量热分析等手段对相变石膏板结构特征、热特性进行了研究，结果表明，相变储能石膏板的潜热储热量、调温性能较好，能够长时间调节温度并满足人体舒适度要求，而且热稳定性较好。

魏婷等[17]采用共混法将十八烷微胶囊和石膏板混合制备了新型相变石膏板，研究了该相变材料的力学性能和储热性能，研究结果表明虽然相变微胶囊含量的增加会导致相变石膏板的抗压和抗折强度下降，但是含量为13.6%时仍然符合等级要求。当石膏板温度低于23 ℃时，普通和相变石膏板储放热性能相同，当温度在26～30 ℃之间时，相变石膏板则表现出优势。

Zhang等[18]采用溶胶-凝胶法制备了微胶囊相变材料(MePCMs)，用二氧化硅为外壳，石蜡为芯材，与石膏混合，研究了MePCM的结构、稳定性、导热性，结果表明，由于SiO2的紧密性好，微胶囊具有较高的热稳定性和良好的抗渗透性，当MePCMs的质量百分比为10%时，石膏材料具有较高的机械强度、致密性、导热性和良好的热调节性能。

Liu等[19]用硅藻土/石蜡复合相变材料与石膏基按不同比例混合，研究了石膏基材料的蓄热性能。用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线荧光光谱(XRF)等进行测试，结果表明，石蜡与硅藻土有良好的相容性，石膏基复合材料稳定性较好。通过比热性能的实验表明，随着硅藻土/石蜡含量的增加，石膏基相变复合材料的储热性能显著提高。

2.2 相变水泥砂浆

相变水泥砂浆是由相变材料经过载体吸附和封装包裹后与水泥砂浆混合制备而成，制备流程完成后还需制成涂层应用在建筑表面，可以起到储热调温的作用[20]。

杨籍等[21]采用共混搅拌法将癸酸-月桂酸二元低共熔物/改性硅藻土定形相变材料与水泥砂浆混合，制成新型的相变控温砂浆，研究了相变砂浆的热物性，并且模拟相变砂浆在建筑物上的储热调温性能。研究结果表明，相变砂浆热工性能良好，比普通砂浆的温升、温降速率低，模拟结果表明，夏季时砂浆能使建筑温度显著降低，具有良好的调温性能。

陈金平等[22]利用膨胀珍珠岩吸附石蜡的性能制成了膨胀珍珠岩-石蜡相变储热材料，将其与普通水泥砂浆直接混合制成了相变储能砂浆，并研究了其热物理性能。结果表明，相变砂浆的温度变化率和潜热变化率较小、稳定性好。

2.3 相变混凝土

普通混凝土的导热系数大，在混凝土施工中水化热量使内部温度升高，不仅会导致混凝土产生裂缝，还会使能耗增加[23]。在混凝土中加入由相变材料制成的新型相变混凝土，可以有效弥补普通混凝土的不足，而且还能发挥储能调温的优势。

王永伟等[24]在聚乙二醇(PEG)/SiO2复合相变材料的基础上加入石墨来改善PEG/SiO2复合材料的导热性能，并将这三种相变材料直接掺入到混凝土中，研究了PEG和石墨加入量对相变混凝土的导热性能的影响，以及PEG/SiO2/石墨相变混凝土的性能。结果表明，当PEG含量为80%，石墨含量为6%时，PEG/SiO2/石墨相变混凝土具有良好的导热性能，并且能有合适的相变温度和相变焓，解决了混凝土水化热量大使混凝土裂开的问题。

聂志新等[25]采用吸附法制成了月桂酸(LA)/膨胀石墨(EG)相变材料，将其与混凝土混合，研究了相变混凝土的抗压强度以及导热系数的变化规律。结果表明，LA的加入会使相变混凝土的抗压强度大大降低，但还是满足抗压强度的基本要求，并且导热系数随着LA/EG相变材料的加入有所提高。

3 相变材料在室内的应用

PCMs主要应用于室内地板，地板辐射采暖与散热器采暖相比，具有节省空间和舒适性更高的特点。PCMs可与地板辐射采暖相结合，其原理是将白天温度较高时产生的热量储存在地板中，当晚上温度较低时将白天储存的热量释放出来以调节室内温度。因此PCMs与地板辐射采暖相结合会更加的节能环保。

庄孙歧等[26]将相变蓄热地板(相变填料为石蜡和水泥)的地面辐射供暖系统房间进行数值模拟，研究了相变蓄热地板的理想相变温度，石蜡和水泥的最佳配比以及相变地板的储放热性能。结果表明，在房间供暖时，地板吸收并储存热量，在房间停止供暖时，地板释放出热量，其中水泥和石蜡最佳配比1∶1，最佳相变温度为30 ℃。

李鹏辉等[27]采用数值模拟的方法对比了相变地板(相变填充层材料为十八烷)与普通地板的蓄放热性能的差异。结果表明，相变地板由于材料优异的蓄放热性能，减少了地板内温度的波动，提高了舒适性，采暖性能比普通地板好。

Yun等[28]研究了PCMs应用于干式地板采暖后的热舒适性和节能效果，为了稳定相变材料的形状，使用了宏观填充PCMs(MPPCMs)。相变材料为石蜡基聚羟基(正十八烷、正十二烷、正二十二烷)，实验温度为28～35 ℃。结果表明，MPPCMs的蓄热性能良好，用于加热的能量减少了43%，正二十烷是用于地板加热的最有效的PCM，获得了舒适的地板温度。由此可见，PCMs可以降低峰值温度，实现节能。

4 结论与展望

基于以上研究，在建筑节能的理念中，PCMs将成为未来重点发展的对象，相变材料与建筑相结合具有显著降低能耗、节约资源、绿色环保和提高人们居住环境舒适度的特点。但是，PCMs存在的局部缺陷导致无法普及使用，比如耐久性问题、材料泄露问题、污染环境问题、复合材料制备时相容性问题以及如何控制成本等问题。在未来的研究中，解决这些局部缺陷是重点关注的方向。