相變材料及其在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

孫 燁，陳藝軒，王 輝

（1. 東北育才學(xué)校， 遼寧 沈陽(yáng) 110179； 2. 遼寧省實(shí)驗(yàn)中學(xué)北校，遼寧 沈陽(yáng) 110148）

隨著石油、煤等不可再生的礦物燃料資源儲(chǔ)量的減少及使用這些燃料引起的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，對(duì)節(jié)能和太陽(yáng)能等可再生資源的利用日益受到重視。同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展人們對(duì)舒適度的要求越來(lái)越高，這又要求消耗更多的能源。

在發(fā)達(dá)國(guó)家建筑能耗占到總能耗的40%左右，預(yù)計(jì)到 2020年左右我國(guó)建筑領(lǐng)域的能耗將會(huì)達(dá)到能源消耗總量的40%以上。建筑用能是能源消耗的大戶，因而也是節(jié)能的重要領(lǐng)域，同時(shí)建筑采暖用能往往是大氣污染的主要因素，特別是我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)條件下更是如此，因此建筑節(jié)能在節(jié)約能源和減少污染兩方面有著重要意義。

利用相變材料（Phase Change Material，PCM）儲(chǔ)存太陽(yáng)能和低價(jià)電能方面的研究是目前非?；钴S的領(lǐng)域。相變材料可用于解決熱能供給與需求失衡的矛盾，在航天、能源、建筑、軍事、制冷設(shè)備、通訊、電力等行業(yè)和領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用相變材料在熔化或凝固過程中溫度變化不大但吸收或釋放的潛熱卻很大的特性，將其與建筑材料結(jié)合使用，可以起到減小室溫波動(dòng)、利用太陽(yáng)能取暖以減少空調(diào)和采暖系統(tǒng)能耗或利用夜間低價(jià)電能維持居室溫度等作用，從而作到充分利用能源、降低污染并滿足居住舒適的目的。

1 相變材料的分類、選擇及改性

國(guó)外關(guān)于相變材料及其潛熱的儲(chǔ)存和應(yīng)用的報(bào)道從1977年開始大量出現(xiàn)[1]。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)航天航空局（NASA）將有機(jī)相變材料應(yīng)用于精密儀器防高溫侵襲并取得良好的應(yīng)用效果，隨后軍方將其用于導(dǎo)彈核心電子元器件的恒溫和飛機(jī)表面抗熱沖擊等軍事目的。80年代末，NASA下屬的Triangle技術(shù)公司將相變材料與紡織纖維復(fù)合后應(yīng)用宇航服。90年代中期隨著晝夜電價(jià)分計(jì)制的實(shí)施，美國(guó)開始研制將相變材料與建筑材料結(jié)合，利用夜間低價(jià)電儲(chǔ)熱。國(guó)內(nèi)對(duì)有機(jī)相變材料的研究工作始于20世紀(jì)90年代初，主要是在應(yīng)用方面，如定性化、微膠囊化、復(fù)合等的工作。

1.1 相變材料的分類與選擇

根據(jù)化學(xué)組成的不同，一般可將相變材料分為無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料。根據(jù)儲(chǔ)能過程中材料相態(tài)變化的不同，一般可將相變材料分為固―氣相變材料、液―氣相變材料、固―液相變材料、固―固相變材料四種。固―氣相變和氣―液相變過程由于有氣態(tài)存在，儲(chǔ)存需要更大的體積或更高的壓力，所以不常應(yīng)用；固―固相變速度慢、價(jià)格高、優(yōu)點(diǎn)不明顯，短期內(nèi)不能實(shí)際應(yīng)用；固―液相變材料是目前研究相對(duì)成熟的一類相變材料，也是目前常用相變材料類型。根據(jù)相變溫度的不同，一般可將相變材料分為高溫相變材料、中溫相變材料和低溫相變材料。用于建筑節(jié)能的相變材料為低溫相變材料。

良好的相變材料應(yīng)具備以下性質(zhì)[2]：(1)熱性質(zhì)：適合的相變溫度、高的相變熱、良好的傳熱性等；(2)物理性質(zhì)：有利的相平衡、低蒸氣壓、密度高、體積變化小等；(3)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)：不過冷、適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶速度；(4)化學(xué)性質(zhì)：具有長(zhǎng)期的化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒、不易燃、無(wú)污染；(5)經(jīng)濟(jì)性：原料豐富易得，成本較低。目前的相變材料都不同時(shí)具備上述要求，實(shí)際使用時(shí)都需要用其它方式加以彌補(bǔ)。

1.2 固―液相變材料的種類及特點(diǎn)

固―液相變材料主要包括無(wú)機(jī)水合鹽類和有機(jī)物類。

無(wú)機(jī)水合鹽類相變材料具有相變溫度明確、導(dǎo)熱系數(shù)比有機(jī)材料大、相變潛熱較大、密度大、價(jià)格低、不易燃等優(yōu)點(diǎn)；但這類材料存在著較嚴(yán)重的過冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象等缺點(diǎn)。雖然可以通過一些方法改進(jìn)這些性能，但在某些應(yīng)用領(lǐng)域，如建筑節(jié)能，其使用壽命無(wú)法達(dá)到使用要求。

有機(jī)物類相變材料主要包括正構(gòu)烷烴、碳水化合物和油脂衍生物等，這類相變材料具有固態(tài)成型性好、不容易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象、腐蝕性小、毒性小、成本較低、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，并且與普通建筑材料的相容性好；但這類材料存在著導(dǎo)熱系數(shù)較小、密度較小、易揮發(fā)、易燃、易氧化等缺點(diǎn)。

有機(jī)-無(wú)機(jī)相變材料和低熔點(diǎn)液態(tài)金屬是較新的研究方向。有機(jī)-無(wú)機(jī)相變材料是將有機(jī)類相變材料與無(wú)機(jī)類相變材料相混合，既可以彌補(bǔ)單純有機(jī)物相變材料潛熱值低、導(dǎo)熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，又能彌補(bǔ)單純無(wú)機(jī)類相變材料過冷度大、易出現(xiàn)相分離的缺點(diǎn)，但目前此方面的研究不是太多，其相變機(jī)理仍然不清楚[3]。低熔點(diǎn)液態(tài)金屬是一種熔點(diǎn)接近室溫的特殊金屬及其合金，具有熱導(dǎo)率高、相變潛熱大、相變時(shí)體積變化小、可靠性高等顯著優(yōu)勢(shì)，是新一代高性能散熱儲(chǔ)熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)[4]。

1.3 固―液相變材料的復(fù)合及組合

由于固―液相變材料相變過程存在液態(tài)相，為防止相變材料的流失及污染周圍環(huán)境，同時(shí)避免相變材料的某些缺點(diǎn)，如無(wú)機(jī)相變材料的腐蝕性及有機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較小、易燃等問題，實(shí)際使用時(shí)需要將相變材料與其它材料復(fù)合,這種復(fù)合主要起到增強(qiáng)導(dǎo)熱和對(duì)相變材料進(jìn)行封裝定型的作用。

目前常用的提高相變材料傳熱性的方法有兩種：（1）在儲(chǔ)能構(gòu)件中采用金屬翅片結(jié)構(gòu)或蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大換熱面積，此種方法改變了傳統(tǒng)建筑構(gòu)件的內(nèi)部構(gòu)造，加大了施工工藝的復(fù)雜程度。（2）在相變材料中摻加高導(dǎo)熱材料，如微米尺度的金屬粉末、石墨和碳纖維等，納米尺度的碳納米管、氮化鈦、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氮化鋁、氧化鋁和銀等多種金屬／氧化物／氮化物納米顆粒等[5]。

對(duì)相變材料封裝定型的方法有宏觀封裝、摻混和浸漬、層狀材料吸附、共混或與高聚物交聯(lián)、微膠囊化等。

宏觀封裝是將相變材料包封成臘腸形、管形、淺箱、袋、膠囊等形狀后使用。宏觀封裝能克服相變材料傳熱不良及與周圍介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用等問題，并且裝配方便。

摻混和浸漬主要用于有機(jī)相變材料。摻混是將相變材料與多孔材料（膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、陶粒和硅藻土等）混合均勻后成型。浸漬是將成型后的多孔材料（如混凝土、屋頂瓦、泡沫材料、石墨等）浸于液態(tài)相變材料中吸附，此方法工藝簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)滲漏問題。

層狀材料吸附是以層狀材料（膨脹石墨、膨潤(rùn)土和蒙脫土等）為支撐材料吸附相變材料，達(dá)到定型化并提高到熱性能的目的。

共混或高聚物交聯(lián)主要用于有機(jī)相變材料。共混是利用載體（低密度聚乙烯、高密度聚乙烯等）與相變材料的相溶性,熔融后混合在一起制成成分均勻的相變材料。高聚物交聯(lián)是用高溫熔融態(tài)有機(jī)相變材料溶脹交聯(lián)的高聚物或水溶性單體在無(wú)機(jī)相變材料中進(jìn)行交聯(lián)聚合形成。這些制品導(dǎo)熱系數(shù)低，因此還需要加入導(dǎo)熱物質(zhì)。

微膠囊化是指利用聚合物將相變材料包覆起來(lái)形成粒徑一般在2～1 000 μm的具有核一殼結(jié)構(gòu)的膠囊的方法，具有相變反應(yīng)穩(wěn)定、相變材料不易泄露等優(yōu)點(diǎn)，但由于微膠囊技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，所以這類制品只用于紡織纖維等特殊用途。

利用多種相變溫度的相變材料而形成組合的相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅能加快儲(chǔ)能、放能速度，而且熱利用效率明顯提高[6]。

2 相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

將相變材料用于建筑節(jié)能一般是通過直接利用太陽(yáng)能或余熱的回收再利用以及電力的“移峰填谷”兩種形式實(shí)現(xiàn)的。

在20世紀(jì)70年代，國(guó)外太陽(yáng)能利用和廢熱回收的研究和開發(fā)工作中，一批低溫相變儲(chǔ)熱器件陸續(xù)投放市場(chǎng)。可以將無(wú)機(jī)相變材料經(jīng)包封后制成板、管、棒等形狀，或制成家具放置在室內(nèi)，利用它們儲(chǔ)存太陽(yáng)能，甚至采用日間將太陽(yáng)能蓄熱裝置放在陽(yáng)光下曬熱，夜晚取回室內(nèi)供采暖用[7]。也可將無(wú)機(jī)相變材料制成儲(chǔ)熱小丸（如美國(guó)Pennwalt公司研制的儲(chǔ)熱小丸，直徑9.5～12.7 mm），使用時(shí)將其嵌入混凝土中，對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案限制較少[8]。

20世紀(jì)80年代后研究轉(zhuǎn)向?qū)⒂袡C(jī)相變材料與建筑材料結(jié)合或微膠囊化后加入建筑材料或紡織品中制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如將相變材料與百葉窗或窗簾[9]、涂料[10]、水泥[11]、石膏[12]、相變蓄熱板材[13]等進(jìn)行復(fù)合，可以使建筑物蓄熱能力強(qiáng)、熱惰性大、傳熱性能差，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

供暖儲(chǔ)能系統(tǒng)方面，在相變蓄熱地板輻射供暖系統(tǒng)[14]中，供暖系統(tǒng)所需熱媒的溫度較低，熱舒適性好，是適合于太陽(yáng)能集熱器、熱泵等作為熱源的理想供暖方式，節(jié)能效果顯著；在空氣源熱泵-相變蓄熱水箱供暖系統(tǒng)中，通過相變儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化了太陽(yáng)能、空氣熱能等非連續(xù)能源的供能方式，有效提高了建筑中可再生能源的利用率[15]；將相變材料與火炕組合使用，顯著改善了炕面溫度分布的均勻性，有效延長(zhǎng)了供暖時(shí)間并提高了室內(nèi)溫度，因而有助于改善農(nóng)居室內(nèi)及炕面的熱舒適性[16]。

以乳化的相變材料[17]或相變微膠囊懸浮液[18]作為采暖用儲(chǔ)熱及輸送介質(zhì)，可減小流量，從而輸送管路的尺寸、輸送泵功的功耗也隨著減??；可提高換熱系數(shù)，因此可以減小傳熱面積，從而節(jié)約了初投資。

在電力的“移峰填谷”方面，可以采用定型處理的相變材料置于地板下（使用相變溫度為 29 ℃的相變材料）或非承重墻體內(nèi)（使用相變溫度為35℃的相變材料），達(dá)到“移峰填谷”的目的[19]。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，潛熱蓄能裝置能將72%的用電推移到夜間[20]。采用這些技術(shù)可以有效地提高電網(wǎng)供電負(fù)荷率。

3 結(jié)語(yǔ)

相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究是近年來(lái)的熱點(diǎn)，主要的研究?jī)?nèi)容從對(duì)單一材料的研究發(fā)展到對(duì)系統(tǒng)化、工程化的研究，節(jié)能的效率也在逐漸提高。目前的研究已經(jīng)比較全面，但是在實(shí)際應(yīng)用上還是存在著一定的問題。因此，需要進(jìn)行深入的研究，促進(jìn)相變材料在建筑節(jié)能工程中的全面應(yīng)用。

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