相变储能材料

1 相变储能建筑材料

（南京工业大学 材科1102 号）

摘要 本文对相变储能材料，相变材料的原理、分类和应用情况进行了简要介绍。并综述了相变储能建筑材料的国内外的研究状况，相变储能材料与建筑材料基体结合的方法，着重介绍了微胶囊相变材料的制备工艺及在建材中的应用，展望了相变储能建筑材料的发展前景。

关键字 相变储能材料；建筑节能；微胶囊

Phase-changing energy-storing building materials

（the number ，Materials Science and Engineering1102）

Abstract： This paper introduces the phase change materials and its principle ，classification and application etc. And summarizes the research and application of

phase change materials in domestic and abroad，and the method of matrix between

phase change materials and building materials . Focusing on describing the

preparation methods of microcapsule phase change materials and the application in

building materials. The prospects of using phase change materials in building is also

analyzed.

Key words： phase change materials；building energy efficiency；microcapsule

0．前言

能源和材料是支撑当今人类文明和保障社会发展最重要的物质基础。20世纪80年代以来，随着世界经济的快速发展和全球人口的不断增长，世界能源消耗大幅上升，主要是化石燃料的匾乏和全球环境状况的恶化，传统能源工业已经越来越难以满足人类社会的发展要求和人类生存环境的要求。而能源材料的突破是解决能源危机和保护人类生存环境的关键。

近年来，国家大力提倡节能减排，成为各行各业急于解决的首要问题。节能技术因此受到了高度的重视，相变节能材料作为一种新兴的节能材料，以其储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点成为材料界的新宠，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用，以及工业与民用建筑和空调的节能等领域应用的越来越多，逐步成为国内外能源利用和材料科学方面研究的重点。

1. 相变节能材料概述

1.1 相变材料定义及原理

相变材料（Phase Change Materials，简称PCM）是指在一定温度范围内，物理状态或分子结构发生转变的一类材料。它们在物理状态或分子结构发生转变过程中，可以吸收环境的热量，并在需要时向环境释放出热量，从而达到控制周围环境温度的目的。[3] 利用相变材料的相变潜热（Latent Heat Storage，简称LHS）来实现能量的贮存和利用，有助于开发环保节能型的相变复合材料，是近年来材料科学和能源利用领域中一个十分活跃的前沿学科。

从储热方法来看，主要有显热储热、潜热储热和化学反应储热三种。显热储热是利用物质的温度升高吸收热能而存储热量的。化学反应储热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能，发生化学反应时，可以有催化剂，也可以没有催化剂。潜热储热与相变紧密相连，是利用物质在凝固（熔化）、凝结（气化）、凝华（升华）以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理来进行能量储存的技术。[5]

以固一液相变为例，将相变材料加热至熔化温度时，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。

1.2相变材料的分类

相变材料有多种分类方式。 3 可以按照材料的性质和组成进行分类，可分为无机材料类、有机材料类和混合类（定形复合相变材料）。其中，无机类主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类主要包括石蜡、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。

按照相变前后的物态，一般分为固—固相变材料、固—液相变材料、固—气相变材料和液—气相变材料。由于后两种相变方式在相变过程中伴随有大量气体的存在，使材料体积变化较大而使相变储能系统变得复杂，在实际应用中很少被选用。

1.3 相变节能材料的应用

随着人们对相变材料的关注越来越多，PCM在日常生活、航空航天等领域的研究逐步开展起来，而近年来的研究热点主要集中在民用，比较典型的应用有以下几类。

1.3.1 太阳能热水系统上的利用

太阳能领域是目前PCM 应用的最主要领域之一，其基本原理如下图所示。

太阳能集热器收集到的热量通过工作介质（如水）传输到箱体的PCM中，PCM 发生相变（固态到液态），将多余的热量储存起来；当太阳能不足时，PCM再次发生相变（液态到固态），释放能量。

此种装置可在昼夜甚至冬夏太阳光照差别较大时保持供热的大致稳定。同常规热水箱比较，相变储热水箱储存等量的热量可以缩小体积50%同时减少散热面积，而且放热过程平稳，优点十分明显。

1.3.2 空调蓄冷

蓄冷是一种利用峰谷电价差（即电价处于谷位时让压缩机制冷冰储存下来，而电价处于峰位时压缩机不工作，靠储存的冷量用于空调）来减少大型空调花费

的技术，目前比较常用的是冰蓄冷和水蓄冷。前者储能密度大，但制冷成本高；后者制冷成本较低，但储能密度小，占地多。而PCM具有较大的储能密度，制冷成本又比冰低得多，在空调蓄冷中有很好的应用前景。

1.3.3 在医药工业中的应用

许多医疗电子治疗仪要求在恒温条件下使用，这样就需要利用温控储热材料来调节，使仪器在允许的温度内工作。

近年来国内市场有种热袋，相变材料是水合盐，相变温度55℃左右，利用一块金属片作为成核晶种材料，当用手挤压金属片时，使它的表面成为晶体生长中心，从而结晶放热，再配备某些具有活血作用的中药袋，从而达到理疗的作用，对于治疗类风湿等疾病具有一定的疗效。[8]

1.3.4 在现代农业中的应用

温室在现代农业中举足轻重，温室的核心是控制适宜农作物生长的温、湿度环境，在这方面相变材料大有用武之地。相变材料不仅能为温室储藏能量，还具有自动调节温室内湿度的功能，能够有效节约温室的运行费用和能耗。

1.3.5 在纺织行业中的应用

在纺织服装中加人相变材料可以增强服装的保暖功能，甚至使其具有智能化的内部温度调节功能。含相变材料的数量越多，同一时间内，能起作用的相变材料也就越多，引起温度调节的效果越明显。即使当穿着者在较低温度的户外环境中，处于静止或休息状态时，相变材料所贮存的热量会重新释放给人体，能使穿着者保持较长时间的舒适性。目前已有利用相变材料作的塑料取暖袋。

1.3.6 在电子行业中的应用

近年来随着电子设备向高速、小型、高功率等方向发展，集成电路的集成度、运算速度和功率迅速提高，导致集成块内产生的热量大幅度增加。在集成块上应用相变材料，可以有效缓解其过热问题。因为相变材料在其发生相变过程中，在很小的温升范围内，吸收大量热量，从而降低其温度上升幅度。

1.3.7 在建筑中的应用

随着建筑能耗的比例逐年增加，建筑节能已成为继交通节能、工业节能之后的第三大领域。按照新节能法的要求，我国的建筑节能指标从50%提高到65%，并要兼顾冬季供暖与夏季空调的能源平衡。

在众多的节能方法中，相变储能材料逐渐成为建筑节能的新宠。相变储能建筑材料可用普通建材的通用设备进行加工，使其兼备普通建材和相变储能材料两者的特点，在施工过程中能够和其他传统建筑材料同时施工，不需要特殊的知识和技能来安装使用相变储能建筑材料；在使用过程中，不需要消耗现有的能源， 5 在经济效益上具有竞争性。

本文主要对相变材料在建筑材料中应用的现状进行介绍，并对其现存问题进行探讨。

2. 相变储能建筑材料

建材轻质化是当今社会建材发展的重要趋势，但轻质建材带来的一个重大缺陷就是房屋保暖性变差、能耗增加，在建材中添加PCM是解决这个问题的有效途径之一。其结构去右图所示。相变材料掺入到基材中制备的相变储能建筑材料，应用于建筑墙体中，可以减少环境温度引起的室内温度波动，提高墙体的保温、隔热能力，减少室内空调等用电设施的使用，从而可实现环保节能的目的。

如前面所述，相变材料种类很多，分类也很多，并不是所有的相变材料品种都能用于建筑节能，建筑节能用相变储能材料要符合如下要求：

（1）具体较高的储热能力和热传导性能；

（2）相变温度要适合应用的环境要求，一般要求接近人体的舒适温度；

（3）发生吸放热温度变化时相变材料的体积变化小；;

（4）相变可逆性好，保证使用寿命长；

（5）材料价廉易得；

（6）材料无毒、无腐蚀性。

综合上述要求，多元醇类相变材料以及层状钙钛矿类相变材料是能够用于建筑节能材料的两类固—固相变材料。多元醇类相变材料具有性能稳定，使用寿命长，相变焓较大，无液相产生，体积变化小等特点，应用广泛。而层状钙钛矿因其相变温度高、价格较贵使用的较少。

此外，在建筑相变材料中值得一提的是定形复合相变材料。它仍采用固—液相变形式，但不同的是在相变储热时，这一类相变材料的外形一直保持固体形状而没有流动性。其主要成分是工作物质和载体基质。工作物质是固—液相变材料，以有机类固—液相变材料居多；载体基质是一类相变温度较高、在工作物质的相变温度范围内保持固体形状、物化性能稳定、有一定机械性能的物质，目前主要采用一些交联高分子树脂类物质。工作基质和载体基质通过熔融下共混或封装的方法结合在一起。有学者以高密度聚乙烯为载体制备了定形相变材料，这种材料兼顾了固—液相变潜热大以及固—固相变体积小的优点，并且物理性能和化学性能稳定，热导率高，使用过程中无需容器装封，与传统建筑材料复合工艺简单。它的出现使PMC在建筑中的应用成为可能。[9]