相變儲能建筑材料的制備和應(yīng)用研究

闞麗虹 沈霽 鄭同鑫

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 相變材料定義和分類

物質(zhì)存狀態(tài)有三相：固相、液相和氣相。物質(zhì)有一種相態(tài)變化到另一種相態(tài)叫相變。在相變過程相變的溫度保持不變，物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生了改變[6]。在這種變化過程中要吸收或釋放一定的能量，這部分能量稱為相變潛熱。相變潛熱是多種蓄熱方式中的一種。利用相變過程中吸熱或釋放熱量來進行潛熱儲能的物質(zhì)簡稱相變材料（Phase Change Material，簡稱PCM）。

相變材料的種類很多，按照物態(tài)變化的規(guī)律可以分為固態(tài)-固態(tài)的相變材料、固態(tài)-液態(tài)的相變材料、固態(tài)-氣態(tài)的相變材料；根據(jù)PCM的化學(xué)組成可以分為有機相變材料、無機相變材料和有機和無機混合的相變材料三種；按照相變溫度的高低可以分為低溫相變材料、常溫相變材料和高溫相變材料三種相變材料。低溫相變材料的相變溫度在0℃～120℃，主要用于各種工業(yè)或者公共設(shè)施中回收廢熱和儲存太陽能；高溫相變材料的相變溫度在120℃～850℃主要用于小功率的電站、太陽能發(fā)電和低溫?zé)釞C等方面。相變材料的種類雖然很多，但是能用于建筑中的只有固態(tài)-液態(tài)這種相變材料，當(dāng)溫度高于相變材料的相變溫度時，相變材料發(fā)生等溫熔化或者等溫凝固，在熔化過程中吸收外界的熱量，使外界溫度降低；起到降溫的作用；當(dāng)溫度低于相變材料的相變溫度時，相變材料發(fā)生等溫凝固現(xiàn)象，并將自身的熱量釋放出來，給外界供熱在這吸收或者釋放能量的過程中，調(diào)節(jié)了居住環(huán)境的舒適度。

2 相變蓄能建筑材料

相變蓄能是物質(zhì)在相變過程中發(fā)生物態(tài)變化，產(chǎn)生能量變化，這種能量以潛熱的形式存儲的方式。相變儲能材料是把相變材料通過混合、浸泡或者封裝等方式加入到普通的建筑材料中，制成一種新型的相變儲能建筑材料。（Phase Change Building Materials，PCBM）。相變儲能建筑材料是一種智能熱工復(fù)合材料，能夠?qū)崃恳詽摕岬男问竭M行儲存，實現(xiàn)熱量在同一空間位置不同時間段之間的熱量轉(zhuǎn)換。

在建筑中使用的相變材料，應(yīng)具備以下幾個特點：1）熔化或凝固的潛熱高；2）相變過程的可逆性要好；3）膨脹收縮性要小；4）熱穩(wěn)定性要好，不要出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象；5）相變溫度在20℃～30℃范圍內(nèi)；6）熱導(dǎo)率要大，儲熱密度要大；7）沒有毒性、沒有腐蝕性；8）成本要低，制造要方便；9）與建筑材料相容性要好，容易被吸收。目前建筑上常用的相變材料有：四水氟化鉀、六水氯化鈣、硬脂酸丁酯、1—十二醇、質(zhì)量分數(shù)93%～95%的硬脂酸丁酯+質(zhì)量分數(shù)5%～7%的硬脂酸甲酯、質(zhì)量分數(shù)49%硬脂酸丁酯+質(zhì)量分數(shù)48%的棕櫚酸丁酯、正十八烷等[6]。

3 相變儲能材料的制備方法

1）直接合成法是將熔化的相變材料或粉末狀的相變材料直接摻在建筑材料（如石膏板、混凝土板）的制造過程中[5]，制成相變儲能石膏板或相變儲能混凝土板材。用于建筑物外墻的內(nèi)壁材料，減弱建筑物室內(nèi)溫度的波動幅度，保持室內(nèi)舒適度。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)穩(wěn)定，容易做成各種形狀和大小不同的建筑構(gòu)件，以滿足不同場合的需要，缺點是易泄漏且性能不穩(wěn)定。

2）浸入法是將普通建材如磚、石膏板、混凝土塊等材料直接浸泡在加熱熔化的相變材料中，靠表面毛細孔的作用將相變材料吸入建材的孔隙中，然后將浸泡過的這種材料取出來降溫冷卻，這種建材的孔隙中就有相變材料存在[5]。優(yōu)點是工藝過程簡單，可以在任何時間和任何地方根據(jù)需要將普通建材制備成相變建材，缺點是這種相變建筑材料在應(yīng)用多年以后，相變材料有可能滲漏。

3）膠囊法是將相變材料制成膠囊以后再與建筑材料復(fù)合。膠囊法有宏觀封裝技術(shù)和微觀封裝制成微膠囊兩種。宏觀的封裝技術(shù)是將相變材料直接裝在管、袋、球殼、板或其他容器中。這種方法的優(yōu)點是表面熱流量大，但是缺點是需要保護措施免遭破壞，而且在后期使用過程中與建筑材料復(fù)合的工作量大，成本高。微封裝方法是將相變材料顆粒封裝在高分子聚合物薄膜中，聚合物薄膜應(yīng)與相變材料和建筑材料都相同。這種方法的優(yōu)點是易用、傳熱面積大、傳熱效果好以及不用另外的保護措施等，但是缺點是可能會影響建筑物的強度[5]。另一種封裝方法是用膠囊技術(shù)對相變材料進行封裝，將相變材料做成膠囊再與建筑材料復(fù)合這種方法的優(yōu)點有以下幾條：1）相變材料的比表面積增大和熱導(dǎo)率增大；2）在膠囊內(nèi)完成相變過程，解決了相變材料在使用過程中的泄漏現(xiàn)象。3）提高了相變材料的穩(wěn)定性，降低了相變材料的毒性；4）增加了相變材料的耐久性，延長了相變材料的使用壽命；5）相變材料微膠囊便于封裝，可以滿足綠色環(huán)保新型材料的要求；6）選擇合適的微膠囊材料，避免了在使用過程中相變材料和普通建筑材料不相容性造成的對建筑材料熱性能和承重能力的影響。這種微膠囊在建筑材料中使用還要解決幾個問題：1）提高膠囊的熱導(dǎo)率；2）提高膠囊的長期穩(wěn)定性和壽命；3）解決膠囊和建筑材料的相容性；4）降低膠囊制備的成本[6]。如果能制備這種相變微膠囊，就可以用這種微膠囊來制備相變儲能砂漿、相變石膏板、相變混凝土等。

4 相變儲能材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

微膠囊的相變儲能材料主要可以用在建筑物的墻體、采暖地板、屋頂、窗戶等地方；在夏季，主要利用晝夜溫差較大并且進行通風(fēng)，夜間儲存蓄冷，白天將冷能釋放，降低空調(diào)用電量[2]。人體感到舒適的溫度在18～28℃之間，可以將相變溫度設(shè)定為25℃。當(dāng)白天室內(nèi)溫度高于相變溫度時，相變儲能墻體中的PCM發(fā)生相變、熔化，吸收室內(nèi)多余的熱量，從而降低了室內(nèi)空調(diào)冷負荷，相應(yīng)的也就減少了空調(diào)系統(tǒng)的運行費用；當(dāng)夜間溫度下降到低于相變溫度時，PCM再次發(fā)生相變，相變儲能墻體將白天儲存的熱量釋放出來，提高室內(nèi)溫度，改善了室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度。在冬季，采用相變蓄熱與地板采暖結(jié)合，相變溫度設(shè)定為29℃。用相變蓄熱地板和空調(diào)采暖結(jié)合增加室內(nèi)溫度、或者是相變蓄熱地板與太陽能結(jié)合實現(xiàn)冬季的間歇式采暖。這種方式有以下幾點優(yōu)點 1）相變儲能地板的潛熱蓄能作用可以消減供熱峰值；2）相變蓄熱地板蓄熱效率大于混泥土地板；3）減少建筑物供暖、空調(diào)設(shè)備的運行時間，達到節(jié)能降耗和提高舒適度的雙重目的。

用相變石膏板、相變儲能混凝土作為墻體材料，減少建筑物室內(nèi)溫度的波動幅度，保持室內(nèi)的舒適度；還可以將相變材料摻入保溫材料中制成相變保溫材料，用于節(jié)能建筑外圍護結(jié)構(gòu)的高效節(jié)能型建筑保溫隔熱材料，提高了輕質(zhì)材料的儲熱能力，改善了材料的熱穩(wěn)定性，提高了材料的熱惰性，同時還不影響材料的強度、粘結(jié)能力、耐久性等性能[2]。

5 相變儲能材料的應(yīng)用前景展望

相變儲能材料對緩解能源緊張，提高建筑物舒適度、節(jié)能降耗等方面有積極的意義，與普通建筑材料的被動節(jié)能方式相比，相變蓄能建筑材料具有穩(wěn)定室內(nèi)溫度、耐久性高等優(yōu)點。在使用過程中，相變儲能材料會發(fā)生相變，在相變過程中能吸收或者釋放出一定熱量，從而使室外的熱量通過房屋向室內(nèi)傳遞時產(chǎn)生時間延遲和衰減，可以顯著提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度。同時如果配合空調(diào)、太陽能、傳統(tǒng)的采暖、用電采暖等效果更加明顯，降低了空調(diào)系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)的投資成本和維修作業(yè)費用，開辟了暖通空調(diào)技術(shù)發(fā)展的新空間[4]。相變蓄能材料還可以用來制備儲熱調(diào)溫纖維、織物、恒溫服裝、電子元件等方面。