建筑節(jié)能用相變材料的研究現(xiàn)狀及展望

王東旭，孟　多,萬強(qiáng)強(qiáng)

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 遼寧 錦州 121001)

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建筑節(jié)能用相變材料的研究現(xiàn)狀及展望

王東旭，孟多*,萬強(qiáng)強(qiáng)

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 遼寧 錦州 121001)

摘要：相變材料能夠在接近恒溫的情況下儲存和釋放能量，起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和節(jié)約能源的作用，因此在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.本文論述了相變材料的分類及特點(diǎn)、復(fù)合相變材料的制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了復(fù)合相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用方式和發(fā)展?jié)摿?

關(guān)鍵詞：相變材料；建筑節(jié)能；儲能；調(diào)溫

0引言

近年，環(huán)境破壞和能源危機(jī)日漸被人們所重視，節(jié)能及開發(fā)和利用新的能源已是大勢所趨.在能源消耗中，建筑能耗所占的比例最大，據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年美國和歐洲大約40%的化石能源消耗在建筑業(yè)上〔1〕，建筑節(jié)能是世界建筑發(fā)展的重要趨勢，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要工程，提高建筑材料的保溫、隔熱性能，降低建筑能耗成為各國科學(xué)家努力的方向.隨著人們建筑節(jié)能意識的增強(qiáng)，木材、石材、水泥、混凝土、金屬、磚瓦、陶瓷、玻璃等單一建筑材料的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足人們對居住的舒適度、環(huán)保性及安全性等的要求.

相變儲能材料能夠在恒溫或接近恒溫的情況下儲存和釋放大量的相變潛熱，達(dá)到能量的相互轉(zhuǎn)換和充分利用.潛熱儲存或釋放是利用材料相態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)的，與顯熱儲存來相比單位體積的物質(zhì)所儲存和釋放的能量要多得多，能通量高〔2〕，可廣泛應(yīng)用于儲能和控溫領(lǐng)域，因此相變儲能材料與建筑材料相結(jié)合能很大程度上提高建筑材料的保溫、隔熱性能.下面主要將從相變材料自身的優(yōu)勢、復(fù)合相變材料制備方法及在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹.

1相變材料的分類及特點(diǎn)

物質(zhì)在相態(tài)的變化過程中都會伴隨熱量及能量的改變，將這一類具有類似性質(zhì)的物質(zhì)統(tǒng)稱為相變材料.相變材料按照相變時(shí)材料狀態(tài)的變化情況分類可以分成固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料、液-氣相變材料四類.固-氣相變材料、液-氣相變材料在相變發(fā)生后，體積增加明顯，安全性難以得到保障，使用時(shí)容易發(fā)生危險(xiǎn)，實(shí)際應(yīng)用很少.固-固相變材料雖然體積無明顯變化，但是相變潛熱很小，目前研究很少.而固-液相變材料潛熱適中，相變前后體積變化不明顯，所以是最可行的相變儲能方式.

能用作固-液相變材料的物質(zhì)很多，例如石蠟、烷烴、脂肪酸、醇類、水合鹽、熔融鹽、金屬等，大體上可以分為有機(jī)類和無機(jī)類相變材料.有機(jī)和無機(jī)相變材料均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，無機(jī)相變材料的融點(diǎn)變化范圍廣泛，價(jià)格便宜、導(dǎo)熱系數(shù)較大，但是容易出現(xiàn)過冷和相分離的情況，造成相變材料性能發(fā)生改變.雖然無機(jī)相變材料具有廣泛的應(yīng)用潛力，不過因其使用過程中性能穩(wěn)定性較差，限制了其發(fā)展.相對而言有機(jī)相變材料相變前后不容易出現(xiàn)過冷、過熱和相分離的情況，相變過程可逆性好，而且有機(jī)相變材料一般較溫和，腐蝕性和毒性很小，適合與建筑材料相結(jié)合應(yīng)用.局限性相對也較明顯，如導(dǎo)熱系數(shù)小，儲能密度小，而且溫度變化范圍較窄，溫度過高會出現(xiàn)揮發(fā)，燃燒等問題.為了彌補(bǔ)有機(jī)和無機(jī)相變材料單獨(dú)使用時(shí)不可避免的缺陷，可以將二者放在一起制成復(fù)合相變材料來使用，復(fù)合相變材料主要指由二元或多元化合物組成的混合體系.復(fù)合相變材料特點(diǎn)是相變溫度適中，潛熱值較大，與其他材料相容性好，而且復(fù)合相變材料可以有效的解決固-液相變材料相變后泄露的問題〔3〕.目前的復(fù)合相變材料大多采用基體材料與相變材料相結(jié)合的方法制備而成.

理想的建筑節(jié)能相變材料應(yīng)具有的特點(diǎn)為：①相變材料無毒無害，對人身安全及健康無影響，且與其他材料相容性好；②相變溫度適宜，滿足人們需要的溫度范圍；③相變前后材料的體積不發(fā)生明顯變化；④廉價(jià)易得，便于市場推廣；⑤使用壽命長，經(jīng)過多次循環(huán)使用后，材料的熱物性不變，儲能性能良好.

2復(fù)合相變材料制備方法

相變材料在實(shí)際應(yīng)用中為了提高其穩(wěn)定性、防止泄露，增加傳熱效率，一般要將其進(jìn)行封裝或與其他材料相混合制備成復(fù)合相變材料再加以利用，此方法已成為目前最行之有效的解決方法〔4〕.大致可以分為多孔吸附法、封裝法、溶膠——凝膠發(fā)、壓制燒結(jié)法、聚合法五種制備方法.

2.1多孔吸附法

有些復(fù)合相變材料的基體材料本身具有很多微孔，這些孔隙為與相變材料的結(jié)合提供了天然的場所，再依靠空隙的毛細(xì)管力、范德華力、氫鍵等分子間作用力使相變材料與基體材料相結(jié)合的更加穩(wěn)定，牢固，這種制備復(fù)合相變材料的方法稱為多孔吸附法(表1)，主要包括真空浸漬和共混法〔5〕.李敏等〔6，7〕以脂肪酸為相變材料，硅藻土為基體，采用共混法成功制備了脂肪酸/硅藻土定型相變材料.李海建〔8〕等以膨脹珍珠巖為無機(jī)載體，石蠟為有機(jī)相變材料，在真空條件下利用載體多孔的性質(zhì)制備了復(fù)合想變材料，經(jīng)DSC及TG實(shí)驗(yàn)測試復(fù)合相變材料性質(zhì)穩(wěn)定.用多孔吸附法制備復(fù)合相變材料時(shí)，首先需要考慮基體材料的微孔結(jié)構(gòu)及形狀、基體與相變材料的兼容性等問題.制備過程中要注意材料的用量、添加速度、混合均勻性及溫度等一系列的影響因素.

多孔吸附法操作相對簡單、制得的復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較高，但由于毛細(xì)管力、范德華力等分子間作用力很弱，而分子間作用力又是影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)等物理性質(zhì)的主要因素，所以此方法制得的復(fù)合相變材料容易泄露及受到環(huán)境因素的影響.

表1　多孔吸附的特點(diǎn)

2.2封裝法

為了防止相變材料泄露，最理想有效的方法是將他們密封包裝起來，根據(jù)包裝大小進(jìn)行區(qū)分可以分為宏觀封裝和微膠囊封裝兩種.宏觀封裝是利用機(jī)械方法，根據(jù)實(shí)際需要，將相變材料貯存在不同形狀尺寸的固定模具之內(nèi).宏觀封裝能有效將相變材料與環(huán)境彼此分離，避免了相變材料的泄露對環(huán)境造成的破壞，但宏觀封裝技術(shù)用于封裝的模具較大，所以僅用于大規(guī)模的儲熱放熱系統(tǒng)，而且其傳熱性能較差，與建筑等其他材料相容性較差〔9〕.

與宏觀封裝相對應(yīng)的是微膠囊技術(shù)，微膠囊技術(shù)是在相變材料微粒的表面包裹一層性能穩(wěn)定的膜而構(gòu)成的具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合相變材料(圖1、圖2)，大致可分為原位聚合法、界面聚合法、凝聚相分離法等三種方法〔10〕.王立新〔11〕等采用原位聚合法，用三聚氰胺甲醛樹酯包裹相變材料制備了微膠囊復(fù)合相變材料，所得復(fù)合相變材料粒徑均勻、熱性能顯著、熱物性及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.微膠囊法制備的復(fù)合相變材料由于體積小、相變材料無泄漏、導(dǎo)熱性能好等特性已經(jīng)應(yīng)用于紡織、食品等多個(gè)領(lǐng)域，而且也可以和石膏等多種建筑材料相混合，起到調(diào)節(jié)溫度的作用.

圖1三聚氰胺微膠囊SEM圖片圖2三聚氰胺微膠囊POM圖

2.3溶膠—凝膠法

無論是多孔吸附法，還是封裝法很大程度上都是依靠基體及相變材料的物理特性來制備復(fù)合相變材料的，而溶膠凝膠法是通過溶劑化、水解、縮聚等一系列化學(xué)反應(yīng)最后制得所需產(chǎn)品(圖3).賈超等〔12〕采用溶膠-凝膠法以SiO2為基體，硬脂酸為相變材料制備了復(fù)合相變材料，其中硬脂酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%，復(fù)合相變材料的相變溫度為53.9 ℃，相變潛熱91.46J/g.溶膠-凝膠法具有反應(yīng)條件溫和、制的產(chǎn)品純度較高、且孔隙率可控，而且可以用來制備納米級相變材料，由于納米材料與其他材料具有很好的相容性，將納米級復(fù)合相變材料摻混在其他材料中能夠很大程度上提高其熱性能.例如將納米材料摻入納米陶粒中，制得的納米陶瓷制品理論上既具有納米材料延展性的特點(diǎn)，又會具有自身調(diào)節(jié)溫度的能力，應(yīng)用到實(shí)際中將會為生活提供更大的便利.孟多〔13〕等以工業(yè)水玻璃為納米SiO2為前驅(qū)物，二元脂肪酸的低共熔物為相變芯材，采用溶膠-凝膠法一步制備了納米級復(fù)合相變材料.經(jīng)過分析測試，結(jié)果表明相變芯材在熔化后不會產(chǎn)生流動和泄露，而且復(fù)合相變材料中脂肪酸含量為46%時(shí)，復(fù)合相變材料具有良好的蓄熱性能和熱穩(wěn)定性.復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)良好，可作為一種良好的隔熱、保溫建筑材料.溶膠-凝膠法優(yōu)勢顯而易見，但缺點(diǎn)也不容忽視，如成本較高、制備周期較長〔14〕及有殘留的微孔存在〔15〕.

壓制燒結(jié)法主要用于制備高溫的相變儲能材料.首先將基體及相變材料磨成直徑很小的粉末，使相變材料之間空隙減小，然后通過壓制法進(jìn)一步排除材料內(nèi)部的空氣，增加密度，最后經(jīng)電爐燒結(jié)等到成品.張仁元〔16〕等成功的制備了Na2CO3-BaCO3/MgO、Na2SO4/SiO2兩種無機(jī)鹽/陶瓷基復(fù)合儲熱材料，此材料可應(yīng)用于高溫工業(yè)爐，起到節(jié)能降耗、減小蓄熱室的體積、降低成本等作用.此方法制得的成品密度大、質(zhì)硬、導(dǎo)熱良好，而且材料的利用率很高，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛.

2.4聚合法

以有機(jī)聚合物為定形機(jī)體，在聚合物聚合過程中，將相變材料固定、封裝在聚合物中.孟多等以癸酸-肉豆蔻酸二元脂肪酸為相變芯材，甲基丙烯酸甲酯為基體材料，利用聚合法，將相變材料嵌入有機(jī)材料基體中，并添加石墨粉末增加導(dǎo)熱系數(shù)，通過FT-IR、SEM、DSC等測試，復(fù)合相變材料性質(zhì)穩(wěn)定，蓄熱性能良好.

3復(fù)合相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用

復(fù)合相變材料因其諸多的特點(diǎn)在建筑行業(yè)、服裝紡織業(yè)、電子行業(yè)、工業(yè)余熱利用等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景.但在建筑行業(yè)的應(yīng)用作用尤為突出，起著降低能耗，節(jié)約能源，調(diào)節(jié)溫度，提高人們居住舒適性等作用.目前，相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面.

3.1相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)

相變材料可以利用自身的相變過程進(jìn)行蓄(放)熱，與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以產(chǎn)生相當(dāng)于幾倍等量傳統(tǒng)保溫材料的保溫隔熱效果，是當(dāng)前節(jié)能建筑材料發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向.首先可以將建筑材料直接摻入到建筑材料中，制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如相變石膏板、相變砂漿(圖4、圖5)、相變混凝土〔17〕.呂石磊〔18〕等將癸酸與月桂酸形成的低共熔相變混合物與石膏板相結(jié)合制成的相變墻板熱物性能滿足人們的要求.周靚等〔19〕以石蠟、PEG為相變材料，普通粘土陶粒和天然多孔浮石兩種輕集料為載體，研究了相變材料對水泥混泥土性能的影響，實(shí)驗(yàn)測試了復(fù)合相變材料的摻入量對水泥泥漿強(qiáng)度、水化和導(dǎo)熱性能的影響.實(shí)驗(yàn)表明輕集料保水狀態(tài)下?lián)饺肷皾{時(shí)對水泥水化的影響并不顯著，甚至某種程度上有利于水化的進(jìn)行，這就為復(fù)合相變建筑材料的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù).相變石膏板、相變混凝土等在房屋方面的應(yīng)用能夠有效的降低室溫的波動，從而減少電能、化石能源的消耗，既節(jié)能環(huán)保又為人們提供了舒適的環(huán)境，可謂一舉兩得.

圖4FTC相變蓄能保溫砂漿 圖5OP-E高純度相變材料

溫室在我國農(nóng)業(yè)中舉足輕重，溫室中正常的日光照射往往不能滿足植物對溫度的要求，傳統(tǒng)的溫室常常需要利用電力、煤炭等方式來提供熱量.在控制溫度的同時(shí)對環(huán)境也造成了一定的破壞，得不償失.在建造溫室時(shí)如果合理的應(yīng)用復(fù)合相變材料既能對室內(nèi)溫度起到調(diào)節(jié)作用，還能抵御惡劣的自然天氣帶來的危害.劉曉宇等〔20〕將以CaCl2為主的水合無機(jī)鹽復(fù)合相變材料均勻平鋪于日光溫室后墻夾層內(nèi)，與普通溫室內(nèi)的室內(nèi)及后墻溫度進(jìn)行對比，記錄顯示全天后墻內(nèi)表面平均溫度高于普通溫室3.9 ℃，夜間內(nèi)溫度高于普通溫室1.8 ℃，可見復(fù)合相變材料對室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的作用非同一般.

3.2相變蓄能裝飾材料

復(fù)合相變材料還可以應(yīng)用于涂料、地板等裝飾材料中，制成相變涂料和相變地板.他們除了具有調(diào)節(jié)溫度，降低能耗的作用外還能夠起到調(diào)節(jié)濕度、凈化室內(nèi)空氣的效果.劉成樓等〔21〕利用硅藻土為載體與兩種相變材料相結(jié)合制備了定型復(fù)合相變涂料，相變涂料的相變溫度為23 ℃、潛熱為104J/kg，將相變涂料粉刷在實(shí)驗(yàn)房的內(nèi)壁，通過對屋內(nèi)溫度的觀察發(fā)現(xiàn)此相變涂料具有優(yōu)良的調(diào)溫、控溫效果.目前人們構(gòu)想的相變蓄熱采暖地板的構(gòu)造大致是基層保溫層，其上為添加復(fù)合相變材料的盤管，最后上面是地面覆蓋層.加熱時(shí)，熱量貯存起來，待室內(nèi)溫度降低時(shí)再放出熱量.復(fù)合相變材料在裝飾材料中的應(yīng)用要更加重視他們的物化性質(zhì)，因?yàn)檠b飾材料大多用于室內(nèi)，我們在考慮其調(diào)溫、節(jié)能的優(yōu)勢時(shí)還要考慮對人體自身健康及安全的影響.應(yīng)該做到化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無有毒、有害氣體產(chǎn)生，不易燃燒，絕緣、絕熱.

3.3太陽能及空調(diào)制冷系統(tǒng)

太陽能容易受到季節(jié)，晝夜，天氣因素的影響，相變材料具有的儲能密度大、使用過程中溫度變化范圍小等特點(diǎn)〔22〕，對彌補(bǔ)不可抗拒的自然因素在太陽能利用方面的影響具有積極作用.從而使其在太陽能熱發(fā)電及太陽能熱泵系統(tǒng)應(yīng)用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢〔23，24〕. 姜益強(qiáng)等〔25〕人以CaCl2為相變材料應(yīng)用于太陽能熱泵系統(tǒng)中，對蓄熱裝置進(jìn)出口流體溫度、相變材料溫度等一系列參數(shù)進(jìn)行了模擬與分析，結(jié)果表明在太陽能熱泵系統(tǒng)中所應(yīng)用的相變材料能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的供熱工況，提高系統(tǒng)性能.王芳〔26〕等人也以CaCl2為相變材料應(yīng)用于水箱，制成相變蓄熱水箱，經(jīng)過兩個(gè)供暖期的實(shí)驗(yàn)測試及數(shù)據(jù)分析,COP的值高達(dá)6.49. 復(fù)合相變材料還可以應(yīng)用于相變空調(diào)蓄冷系統(tǒng)〔27〕，在用電量相對較小時(shí)進(jìn)行蓄能，待用電高峰期到來時(shí)再講能量釋放出來，有效的解決了電量供給與需求時(shí)間不相匹配的問題.李曉燕〔28〕等對相變空調(diào)蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)相變空調(diào)蓄冷系統(tǒng)雖然建設(shè)時(shí)投資可能較高，但是運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用較低，應(yīng)用前景廣泛.方貴銀〔29〕等發(fā)現(xiàn)了一種新型相變蓄冷材料，其合適的相變溫度及潛熱值都為其在相變蓄冷空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù).

復(fù)合相變材料雖然在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，而且國內(nèi)外研究報(bào)告也隨處可見，但是市場上卻很難見到復(fù)合相變材料類建筑材料產(chǎn)品的出現(xiàn).因?yàn)橄嘧儾牧吓c普通建筑材料的相容性、摻混后對建筑材料性能的影響等與建筑安全性能相關(guān)的方面還有待進(jìn)一步的研究測試.而且適宜的相變溫度，及相變材料自身存在的一些問題，如安全性，毒性等方面也需要完善〔30〕.

4結(jié)論與展望

隨著人們對能源領(lǐng)域認(rèn)識的加深，能源的有效利用及開發(fā)新的清潔、高效能源成為炙手可熱的問題，而復(fù)合相變材料因其具有的與眾不同的特性必將在此領(lǐng)域具有廣闊的前景.但復(fù)合相變材料在諸多方面仍存在著不盡人意之處，如相變材料的溶解性、毒性、腐蝕性等缺陷，載體的抗拉強(qiáng)度問題，復(fù)合相變材料在多次循環(huán)使用之后出現(xiàn)的泄露、相分離、物化性能衰退現(xiàn)象等.所以，繼續(xù)尋找經(jīng)濟(jì)實(shí)用的相變材料、優(yōu)化制備工藝，才能使相變材料在其應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用.主要的努力方向大致可以分為：在材料選取方面，要求相變材料具有經(jīng)濟(jì)性及耐久性；在制備工藝方面，簡化工藝流程，開發(fā)新的更具推廣價(jià)值的制備方法；在其應(yīng)用領(lǐng)域，造福人類的同時(shí)，還應(yīng)積極響應(yīng)國家號召，開發(fā)環(huán)境友好型產(chǎn)品，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展的道路.

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Researchandprospectofphasechange

materialsappliedforbuildingenergyconservation

WANGDong-xu，MENGDuo,WANQiqng-qiang

(SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,LiaoningUniversityofTechnology.Jinzhou121001,China)

Abstract：Phasechangematerialscanadjusttheindoortemperatureandsaveenergybystoringandreleasingenergyinanearlyconstanttemperature,sotheyareproposedtobewidelyusedinthefieldofbuildingenergyconservation.Inthispaper,classificationandcharacteristicsofthephasechangematerialswerediscussed.Preparationmethodsandtheirrespectiveadvantagesanddisadvantagesofthecompositephasechangematerialswereillustrated.Itwasintroducedtheapplicationmethodanddevelopmentpotentialofthecompositephasechangematerialsinthefieldofbuildingenergyconservationwasaswell.

Keywords：phasechangematerials;energy-savinginbuilding;energystorage;adjusttemperature

收稿日期：2015-04-08.

基金項(xiàng)目：國家自然基金項(xiàng)目(No:51308275)；遼寧省優(yōu)秀人才項(xiàng)目(No:LJQ2015049); 遼寧工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No:201501099).

作者簡介：王東旭(1989-)，男，遼寧工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事相變材料與建筑節(jié)能方面的研究.

通訊作者：mengduo39@163.com.

中圖分類號：TB33.TV55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-0569(2016)01-0075-06