相變儲能材料的選擇制備及在建筑中的應用研究

石超，雷聲，謝斌

（1.安徽建筑大學，安徽合肥 230022；2.阜陽市建苑節(jié)能監(jiān)測有限公司，安徽阜陽 236000）

相變儲能材料的選擇制備及在建筑中的應用研究

石超1，雷聲1，謝斌2

（1.安徽建筑大學，安徽合肥 230022；2.阜陽市建苑節(jié)能監(jiān)測有限公司，安徽阜陽 236000）

相變儲能材料應用于建筑結(jié)構(gòu)中，可以有效的提高建筑物的隔熱保溫性能，并可以解決一部分能源消耗問題.本文綜述了相變材料在建筑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，對目前使用的相變材料進行分類和分析.并展望相變材料在建筑領(lǐng)域未來的研究熱點和方向.

相變儲能材料；建筑節(jié)能；應用發(fā)展

1 引言

隨著我國人民的物質(zhì)生活水平的顯著提高，人們對于所居住環(huán)境的關(guān)注度也是同步的增加，尤其表現(xiàn)在室溫這一方面，理想的室溫應該維持在20℃左右這一舒適的范圍.為了滿足這種要求，人們使用空調(diào)變的更加頻繁，而這將會造成更的多能源消耗和對環(huán)境的污染等一系列問題.所以，對房間的舒適度、室內(nèi)溫度和環(huán)境污染等問題的研究已成為建筑和節(jié)能設計中必須考慮的問題.

相變材料是指在一定溫度下，自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理化學狀態(tài)發(fā)生改變，同時伴隨著熱量的吸收和釋放，可以利用這種原理對室內(nèi)溫度進行調(diào)控，使其達到舒適理想的范圍.將相變儲能材料（PCM）加入建筑基體結(jié)構(gòu)中，可以很好的改善室內(nèi)溫度、房間的舒適度和減少環(huán)境污染.

相比于國外，國內(nèi)的相變儲熱技術(shù)的技術(shù)成果，包括研究理論還是比較薄弱.本文綜述了相變儲能材料在建筑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，對目前使用較多的相變儲能材料進行了分類并分析其優(yōu)缺點，最后還展望相變儲能材料在建筑領(lǐng)域未來的研究熱點和發(fā)展方向.

2 相變儲能材料的發(fā)展研究現(xiàn)狀

1982年，相變儲能材料的研究最早是由美國能源部發(fā)起的，并且是應用在建筑方面.上個世紀90年代，一些學者已經(jīng)開始對相變儲能材料進行了研究探討，如Feldman對脂肪酸及其衍生物進行了廣泛的研究，包括對相變儲能材料的物理性質(zhì)、化學穩(wěn)定性和環(huán)境保護等問題進行了研究[1]. 1992年，美國的P.Kanramen研究出了一種熔化溫度可調(diào)的有機相變蓄熱的材料貯熱系統(tǒng)[2].法國FittinaldiE等人曾報道過一些有機金屬化合物，這類材料的固—固轉(zhuǎn)變是可逆的，相變潛熱較高，在0～120℃的范圍內(nèi)可供選擇進行溫度轉(zhuǎn)變[8].日本Hokkaido大學工程研究生院人類環(huán)境工程所的K.Naganno和S.Takeda等人采用了顆粒狀的相變材料來進行研究，主要用于增大建筑蓄熱能量的地板空調(diào)系統(tǒng)[9].該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種加入了相變儲能材料的空調(diào)系統(tǒng)可以將室內(nèi)夜間的熱量進行冷熱轉(zhuǎn)化，從而來滿足白天的熱量負荷的需求.

中國科技大學的葉宏、葛新石[10]從1978年開始研究相變材料，并對其做了大量的理論闡述和研究工作[10].其試驗研究發(fā)現(xiàn)了熔點在32℃左右的定形相變儲能材料，該材料是新型的地板輻射采暖系統(tǒng)中較為理想的貯熱材料，最后研究表明這種采暖系統(tǒng)不僅能源消耗少、易于簡單操作，而且還可以提供舒適的熱環(huán)境.1985年，河北省科學院能源研究所唐鈺成等對相變儲能材料進行研究，并且研制和試驗了太陽房相變蓄熱器[11].華南理工大學張正國等人將一種有機相變材料RT20與有機蒙脫土進行混合，研制出一種新型的復合相變儲能材料[12].實驗研究表明，這種材料的物理化學性質(zhì)與RT20材料的數(shù)據(jù)很接近，但是相比RT20材料，該復合材料具有更高的熱流量和更好的穩(wěn)定性.

隨著科學研究技術(shù)的進步，采用的相變儲能材料從固—液狀態(tài)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣獭虪顟B(tài)材料和固液共晶相變材料.在這方面已經(jīng)有些成功的研究案例，如姜勇等采用了化學方法制備固—固高分子相變儲能材料[3].Hawlader等利用微膠囊技術(shù)[4,5]和張羽中等采用納米制備技術(shù)制得了固—固相變儲能材料[6].俄國俄州戴頓大學在1999年成功的研制出一種新型的建筑相變材料—固液共晶相變材料[7].這種材料的固液共晶溫度是在23℃，當溫度高于23℃時，該材料的晶相就會出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，并吸收外界熱量；當溫度低于23℃時，該材料的結(jié)晶開始固化，內(nèi)部重新出現(xiàn)晶相結(jié)構(gòu)，并同時釋放熱量.這種材料與建筑墻體或是混凝土板結(jié)合可以有效的控制室內(nèi)溫度變化.

以上研究表明，相變材料可以成功應用于建筑結(jié)構(gòu)中，并有利于建筑節(jié)能和環(huán)境保護.

3 相變蓄熱建筑材料的分類和分析

3.1 目前使用的相變蓄熱建筑材料

3.1.1 無機相變材料

無機相變儲能材料的種類比較多，其中較為典型的就是結(jié)晶水和鹽類，被頻繁采用的是堿金屬、硝酸鹽、硫酸鹽、乙酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽的水合物和堿土金屬的鹵化物.這類相變材料普遍相變溫度不高，但都具有恒定的熔點值和很大的溶解熱.其優(yōu)點是：導熱系數(shù)高、相變體積小，熔解熱大、價格比較便宜等.但是這類相變材料的缺點是容易出現(xiàn)過冷和相分離現(xiàn)象.

表1 常用的無機相變材料

3.1.2 有機相變材料

常用的有機相變材料有：脂肪酸或其酯或鹽類、芳香烴類、醇類、高級脂肪烴類、多羥基碳酸類和氟利昂類等，另外高分子類材料主要包括：聚酰胺類、聚烯烴類、聚多元醇類以及其他的一些高分子材料.一般來說，同系的有機物會隨著其碳鏈的不斷增長，其相變溫度和相變焓也隨著增大，這樣就容易得到許多類似的相變儲能材料，但隨著材料分子中的C鏈的不斷增長，其相變溫度所增加的數(shù)值會逐漸的減小，并且熔點也會趨近于某一固定值.目前學者們研究的較多的有機相變儲能材料主要包括脂肪酸類、石蠟類等固一液相變材料以及高密度聚乙烯、多元醇等固一固相變材料，其中用的最多的有機相變儲能材料是石蠟.這類儲能材料的優(yōu)點是：穩(wěn)定性好、不易發(fā)生相分離及過冷現(xiàn)象、固體成型好、腐蝕性較小.缺點是：易揮發(fā)、導熱系數(shù)較小、易燃和相變時材料的體積變化較大等.為了解決這類材料導熱系數(shù)較小的缺點，可以在其中加入鋁粉、銅粉等導熱系數(shù)高的金屬粉末.

表2 常用的有機相變材料

4 目前制備相變儲能建筑材料的主要方法

如何將相變材料融入建筑結(jié)構(gòu)中是制備相變儲能建筑材料的關(guān)鍵問題之一.目前制備相變儲能建筑材料的方法主要有三種:

4.1 浸漬法

即先將相變材料用水浸泡，然后選取多孔的建材基體進行滲透，比如這類建筑基體有水泥混凝土試塊、石膏墻板等.其優(yōu)點是工藝比較簡單，容易使傳統(tǒng)的建筑材料（如水泥混凝土試塊）按照特定的要求將其變成相變儲能建筑材料. Chahroudi在20世紀70年代就利用芒硝等無機相變儲能材料，采用直接浸泡法制備了相變儲能混凝土試塊，但是這類相變材料對混凝土的基體有腐蝕作用[13].Hawes利用脂肪酸類有機相變儲能材料、采用直接浸泡法制備了相變儲能混凝土，并對相變儲能混凝土作了深入的研究[14].Hadjieva等研究了無機水合鹽類作相變材料的混凝土，并用DSC測試儀測試了無機水合鹽類作相變材料的混凝土體系的蓄熱能力，用紅外光譜分析了該體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[15].

4.2 直接混合法

即將相變儲能材料直接與建筑基體材料相混合，如在具有流動性的粉末中添加相變材料，然后摻入建筑基體材料中，許多固—固相變儲能材料不斷的開發(fā)推動了這種工藝的應用發(fā)展.直接混合方法的優(yōu)點表現(xiàn)在性質(zhì)均勻，工藝簡單，更容易做成各種形狀和大小的建筑構(gòu)件，可以滿足不同的建筑需求.加拿大的Concordia大學建筑研究中心采用49%丁基硬酯酸鹽和48%丁基棕桐酸鹽的復合物作相變材料[16].他們采用了直接混合法將相變材料與灰泥砂漿相混合，然后按照工藝要求制備出相應的相變儲能墻板，并對相變儲能墻板的導熱系數(shù)、凝固點、熔點等進行了實驗測試.測試結(jié)果表明，這種相變儲能墻板的貯熱能力比普通墻板增加了10倍.目前，直接混合法已經(jīng)成為相變儲能材料貯熱的熱門技術(shù).

4.3 微膠囊法

即采用微膠囊技術(shù)或納米復合技術(shù)將相變儲能材料封裝成膠囊，再把膠囊摻入建筑基體材料中，從而可以制備出相變儲能建筑材料.Takeshi等用95%正十八烷和5%正十六烷作復合相變材料[17]，并將其壓入聚乙烯中制成膠囊，然后再把這種膠囊加到其它多孔基體材料中，從而可以得到具有儲熱效果的相變儲能建筑材料.但是，由于微膠囊材料的制作成本高，且其技術(shù)比較復雜，使得微膠囊法只在某些領(lǐng)域適用.

5 相變儲能建筑材料的應用及其展望

對于相變儲能材料的應用研究，國外的發(fā)展水平高于國內(nèi).而我國的建筑耗能亦遠高于國外許多國家，受到能源消耗方面的危機和環(huán)境保護的影響，科學研究表明可以將相變儲能材料應用于建筑結(jié)構(gòu)中，從而有效的提高建筑物的隔熱保溫性能以及可以解決一部分能源消耗問題.如果在建筑墻體中加入相變儲能材料，這樣不僅可以減少能源的消耗，還減輕了建筑結(jié)構(gòu)的自重.相變地板、相變墻體、相變砂漿的研制成功為相變儲能材料在建筑領(lǐng)域的應用起到了巨大的推動作用.

Hawes等研究了不同類型的混凝土塊中多種復合相變材料的儲熱性能[14].Pause將相變材料融入窗簾之中，與普通的窗簾進行熱量損失對比，試驗研究表明，其熱流量可降低30%[18].Neeper研究了影響石膏板相變的三個主要因素：相變儲能材料的融化溫度、融化溫度的范圍、單位面積墻板的儲熱性能.

在具體的建筑應用中，相變儲能材料可以與建筑覆蓋材料混合，如石膏板、混凝土、石膏等.將相變材料用于不同的建筑結(jié)構(gòu)中會發(fā)生不一樣的功能效果，例如，它們可以用于太陽能利用、余熱回收等功能.

要想更好的將相變儲能材料投入到建筑領(lǐng)域中使用，還需要對以下許多問題進行研究和探討：

(1)對于各種不同的室內(nèi)外的環(huán)境因素，研究具有相適應的相變焓和相變溫度的相變材料，并將其加入建筑材料中，形成可以化學性能穩(wěn)定、長期使用且物美價廉的建筑儲能材料.

(2)耐久性.相變儲能材料的熱物理性質(zhì)在相變循環(huán)過程會有所改變，而且隨著時間的變化，相變材料可能會從基體材料中泄露出來，表現(xiàn)為在材料表面結(jié)霜[20].其次，相變材料在基體機構(gòu)中如果發(fā)生變化，會影響基體結(jié)構(gòu)材料的應力和應變減少.

(3)目前已經(jīng)投入使用的大部分相變儲能材料的導熱系數(shù)比較低，所以如何提高相變儲能材料的儲能效率也是需要急于解決的問題.

(4)實現(xiàn)生產(chǎn)工業(yè)化.在生產(chǎn)過程中，如何減低生產(chǎn)成本，改進工藝條件以及實現(xiàn)工業(yè)化也是相變儲能材料面臨的問題之一.

6 結(jié)束語

本文對相變儲能材料在建筑上的應用進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)在建筑結(jié)構(gòu)中，使用相變材料可以有效的儲存或釋放由太陽輻射或是內(nèi)部載荷產(chǎn)生的熱量.并應用于與建筑覆蓋材料相混合，如石膏板、混凝土、墻體材料等，相變儲能材料還可以與貨倉等其他系統(tǒng)有較好的結(jié)合，如地板采暖系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、太陽能熱泵系統(tǒng)等.

(2)一種材料的穩(wěn)定性如何是決定該材料是否可以在現(xiàn)實應用中被長期使用，對于相變儲能材料來說，其穩(wěn)定性的好壞在建筑領(lǐng)域上影響更為明顯.目前被研究出來的穩(wěn)定性較好的材料也有不少，其中高固固狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的具有高潛熱物質(zhì)可以作為良好的熱存儲材料.

(3)相變儲能材料種類很多，但應用于建筑領(lǐng)域的材料應優(yōu)先選擇相變潛熱更高和轉(zhuǎn)變溫度更低的相變材料.相變儲存材料在建筑領(lǐng)域被廣泛使用的一個問題是如何降低相變儲存材料的成本.

相變儲能材料在建筑上的應用研究仍然還是一個比較漫長的道路，這就需要科技人員去進行探索研究，以便使相變儲能材料（PCM）的技術(shù)更加成熟，提高室內(nèi)房間舒適度以及建設能源效率.

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TU5

A

1673-260X（2015）04-0043-03

安徽省科技廳2013年度第二批科技計劃項目（1305073037）；2013年安徽建筑大學教學團隊項目；2013年安徽建筑大學專業(yè)綜合改革試點項目