相變儲能材料在建筑領域的研究進展

1引言

隨著全球能源需求增長和環(huán)境問題日益突出，建筑領域的節(jié)能技術(shù)研究成為現(xiàn)代建筑設計的重要議題。國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗占全球能源消耗的20-30%¹¹ 。我國建筑能耗約占社會能源總消耗的 46.7%^[2] 如何有效提高建筑能效、減少能源損耗，是當前面臨的緊迫問題。近年來，在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標指引下，越來越多科研人員聚焦新型建筑材料的研發(fā)。相變儲能材料（PhaseChangeMaterials，PCM）作為可存儲調(diào)節(jié)能量的控溫材料，其在建筑領域的應用研究受到了廣泛關注。該材料通過在相變過程中吸收或釋放大量潛熱，調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部溫度，從而減少能源消耗，提高建筑能源利用效率。

本文對目前國內(nèi)外相變材料及其在建筑領域中的應用研究情況進行綜述，分析討論了相變儲能材料的分類、建筑領域相變材料的選擇和PCM在建筑領域的實際應用，以期對建筑節(jié)能的研究和應用提供參考。

2相變儲能材料概述

2.1相變儲能材料分類

相變儲能材料屬于能源材料范疇。廣義是指能被利用其在物態(tài)變化時所吸收或放出的大量熱能用于能量儲存的材料。狹義是指那些在固-液相變時，儲能密度高，性能穩(wěn)定，相變溫度適合和性價比優(yōu)良，能夠被用于相變儲能技術(shù)的材料4。

PCM有多種分類方式，但主要按化學成分、相變機制和相變溫度三種方式，具體分類方式如圖1所示。按化學成分分類PCM分為有機相變材料、無機相變材料和復合相變材料。其中，有機相變材料包括石蠟和非石蠟有機材料，非石蠟類常用的是脂肪酸、酯、醇和某些聚合物。無機相變材料包含結(jié)晶水合鹽、無機熔鹽和金屬及其合金。而復合相變材料以無機－無機、無機－有機和有機－有機三類為主。按相變機制分類PCM分為固-固、固-液、固－氣與液-氣四大類。固－液相變材料因相變過程體積變化小、相變潛熱較大、溫度范圍小等優(yōu)勢，所以目前最具實用價值。按相變溫度分類PCM分為低溫（ ?lt;100^°C） ！中溫 （100～200^°C） 和高溫 （gt;200^°C 相變材料。

2.2相變儲能材料選擇

為了節(jié)能環(huán)保減少能源損耗，PCM被考慮摻入到建筑材料中，制成有較高熱容的輕質(zhì)建筑材料。利用該材料構(gòu)筑圍護結(jié)構(gòu)，降低建筑物室內(nèi)溫度波動，從而減少采暖或空調(diào)供冷負荷及設備數(shù)量。當前已研制出具有相變材料性質(zhì)的混凝土、石膏板和灰泥等建筑材料。但并非所有相變材料都可用于儲能領域，僅有相變溫度接近人體適宜范圍的相變材料才適用于民用建筑儲能。故適用于建筑領域的相變材料要滿足以下幾點條件：第一，相變溫度與室內(nèi)設計溫度、供暖和空調(diào)系統(tǒng)要求的溫度相匹配；第二，相變潛熱足夠大；第三，相變時膨脹或收縮性??；第四，相變可逆性好；第五，無毒無腐蝕性；第六，原材料廉價易得。事實上能同時滿足所有條件的理想相變材料幾乎不存在，在實際應用中主要依據(jù)前兩項條件篩選合適的相變材料，再采取相應措施彌補材料的其他缺點。

按相變機制分類中，固－氣與液-氣相變材料在相變過程中會釋放大量氣體，材料體積變化大，難以應用在建筑節(jié)能領域。固-固相變材料通過晶體結(jié)構(gòu)變化來釋放和存儲能量，因不涉及相態(tài)變化，所以該類材料導熱性能差，焓值較低，且與其它材料相容性差，在建筑領域應用受限。固-液相變材料在相變過程中體積變化小，潛熱較大且溫度范圍小，是最適合應用在建筑領域的一類相變材料。根據(jù)對多種水合鹽和有機相變材料的研究，得到表1中列出的適用于建筑領域的相變儲能材料。

3相變儲能材料在建筑中的設計與應用

3.1相變儲能材料在建筑中的應用分類

3.1.1相變儲能圍護結(jié)構(gòu)

相變儲能材料和建筑圍護結(jié)構(gòu)結(jié)合，構(gòu)成相變儲能圍護結(jié)構(gòu)。PCM能顯著增強整體結(jié)構(gòu)的儲熱能力，降低建筑物室內(nèi)外之間熱流波動幅度，延遲作用時間，進而提升建筑物溫度調(diào)節(jié)能力，改善室內(nèi)溫度以達到舒適節(jié)能的目標。普通墻體、空調(diào)及供暖系統(tǒng)、擠塑板和相變儲能圍護結(jié)構(gòu)對室溫的影響如圖2所示。相變圍護結(jié)構(gòu)研究較多的是將十水硫酸鈉或者六水氯化鈣用高密度聚乙烯管封裝，放置于建筑墻體、天花板或地板中。相變儲能材料和石膏建材復合而成的圍護結(jié)構(gòu)，白天可以吸收太陽光或者夜晚用低價電蓄熱儲能，降低建筑物采暖或者供冷負荷，進而降低電力供給的負荷峰谷差。常用于建筑墻體、天花板的相變儲能材料主要有十二烷酸、山羊酸、短環(huán)酸、乙酸酯、乙酸酯棕櫚酸和乙酸硬酸鹽混合物等。

3.1.2建筑保溫隔熱材料

保溫材料中加入相變儲能材料制成建筑保溫隔熱材料，可以改善室內(nèi)溫度和環(huán)境，降低能耗。常見的是將相變儲能材料包裹在微膠囊中，制備成微囊型相變儲能材料，再將其摻入到質(zhì)輕、有彈性、耐久、防震的纖維膜材中，制成建筑保溫隔熱材料。

3.1.3相變溫控混凝土

相變儲能材料和建筑用混凝土復合，制備出相變溫控混凝土，調(diào)節(jié)反應過程的溫度。該材料能夠降低混凝土內(nèi)部溫度的提升速率，延緩峰值出現(xiàn)時間，進而解決混凝土因水泥水化熱引起的早期開裂，提高材料耐久度。相變儲能混凝土成本低，可實現(xiàn)近似等溫儲能。混凝土中應用的相變儲能材料一般有石蠟、十二醇、丁基硬脂酸、十四酰等，這些材料可以將混凝土儲熱能力提升30% 以上。

3.2相變儲能材料在建筑中的應用現(xiàn)狀

3.2.1有機類PCM應用

石蠟類PCM因其高潛熱和化學穩(wěn)定性，廣泛應用于建筑墻體中，石蠟一般被嵌入石膏板或混凝土中，用于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。張忠擴等以石蠟和膨脹石墨為原材料，通過熔融吸附法制備石蠟/膨脹石墨復合相變材料，將相變材料摻入水泥中制備石蠟基復合相變儲能砂漿。PCM的添加降低了砂漿水化放熱速率和水化累積放熱量，添加量 20% 的儲能砂漿密度和導熱系數(shù)降低至最小值，分別為 1730.2kg/m³ 和 0.372W/（m?K） ，蓄熱系數(shù)和比熱容達到最大值，分別為 16.24W/（m²?K） 和 592J/（kg?°C） 。Sari等在普通水泥中摻入以浮石為載體復合癸酸（CA）和聚乙二醇（PEG）的相變材料，經(jīng)過測試表明，與用普通砂漿構(gòu)成的圍護結(jié)構(gòu)相比，摻入了癸酸和聚乙二醇的砂漿圍護結(jié)構(gòu)可以讓室內(nèi)中心溫度長時間保持在舒適的溫度范圍（ 18-28^°C ）。

建筑圍護結(jié)構(gòu)中地板集成相變儲能材料的方式一般分三種：一是將封裝的PCM或未封裝形狀穩(wěn)定的PCM布置在地板的蓄熱層；二是地板底部用于傳熱的水管外部添加一層額外的管道，該層填充PCM用于潛熱儲能；三是相變材料摻入漿料中制成地板。脂肪酸類相變材料（如月桂酸、棕櫚酸）因其環(huán)保性和可調(diào)節(jié)的相變溫度，常用于地板材料中，用于儲存和釋放熱量。Gencel等[]研究了一種形狀穩(wěn)定的相變材料，該材料是由膨脹蛭石經(jīng)過微粉化并浸漬了月桂酸和肉豆蔻酸的共晶混合物。按質(zhì)量比為 15%.30% 和 45% 添加在水泥砂漿中，建造的圍護結(jié)構(gòu)房間與周圍環(huán)境的溫差約為 3.6^°C U

3.2.2無機類PCM應用

在無機PCM中，水合鹽是研究最廣泛的。與石蠟等有機相變材料相比，水合鹽通常具有相變潛熱高、導熱系數(shù)高、價格低、不易燃等優(yōu)點。然而，大多數(shù)水合鹽都存在過冷和相分離，這不利于它們在建筑物中的長期穩(wěn)定性2]。此外，一些具有高度腐蝕性的水合鹽在泄漏后會損壞建筑物結(jié)構(gòu)，進而縮短建筑物的使用壽命。因此，推廣水合鹽在建筑溫度控制中的應用，關鍵在于如何提高水合鹽的蓄熱性能并找到有效的密封措施。Li等3采用浸漬法將 CaCl₂?6H₂O 加入硅藻土中，并在其外表面涂上石蠟，制成形狀穩(wěn)定的相變材料。隨后將其與氯氧鎂水泥混合，形成具有蓄熱能力的復合材料板。從實驗結(jié)果來看，添加了相變材料的圍護結(jié)構(gòu)表面在溫度變化方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，其溫度變化速度顯著慢于未添加相變材料的表面，這表明該相變材料在復合材料板中能夠有效發(fā)揮蓄熱作用，通過吸收和釋放熱量來調(diào)節(jié)周圍環(huán)境的溫度，從而實現(xiàn)對溫度波動的有效控制。

生活中最常見的玻璃窗通常是雙層或多層玻璃之間充滿干燥氣體的密封結(jié)構(gòu)，這樣可以確保良好的隔熱效果。用透明的水合鹽相變材料代替玻璃窗的空氣夾層，可以吸收和利用太陽能，進一步提高建筑環(huán)境的熱舒適度。Xie等4以 CaCl₂?6H₂0 作為測試的水合鹽，通過添加銫鎢青銅（ Cs_xWO₃ 納米粒子提高太陽能利用率，并將水合鹽復合相變材料填充到雙層玻璃中進行光照模擬實驗。研究發(fā)現(xiàn)，當加入 的 Cs_xW0₃ 納米粒子時，不僅滿足透光率要求，還能阻隔 90% 的近紅外光，有效控制測試室內(nèi)的溫度波動。

3.2.3生物類PCM應用

生物相變材料是一類利用生物來源物質(zhì)制備的具有相變特性的材料，主要來源于生物體內(nèi)的天然物質(zhì)或其衍生物，比傳統(tǒng)相變材料更環(huán)保。Eller等5在建筑的天花板上用椰子油PCM進行了基于氣候的分析，在不同的氣候條件下進行多次模擬試驗，其中熱帶和亞熱帶氣候顯示出更強的節(jié)能效果。Rahimi等研發(fā)出一種新型生物基PCM，采用油酸和蜜蜂為主體材料，用于從光伏板中存儲多余熱量。數(shù)據(jù)分析表明，當使用該生物基相變材料時，太陽能模塊的溫度由 58.92^°C 降低到 51.45^°C ，多余的熱量被存儲，在需要緩解電力負荷的時候釋放出來。

3.2.4微膠囊PCM的應用

相變材料的微膠囊化可以解決泄漏、腐蝕和體積變化等問題，在熔融吸熱過程中溫度可以保持恒定或變化很小，在熱能儲存和溫度控制領域有獨特的優(yōu)勢。微膠囊相變材料是用聚合物包覆相變材料，形成粒徑為 2～ 1000μm 微小粒子的新型功能材料。微膠囊相PCM制備方法多樣，常見的有物理法、化學法和物理化學法。Chen等使用乙二胺四乙酸（EDTA）鹽二鈉作為結(jié)構(gòu)導向劑，并通過乳液模板法控制沉淀，將正二十烷嵌入 BaSO₄ 殼體中，成功制備了相變溫度為 37^°C 、潛熱為 102.7J/g 的低溫微膠囊PCM，用于具有自調(diào)節(jié)溫度功能和良好耐腐蝕性的建筑涂料。Zhao等[8用正十八烷為核材料，苯乙烯-二乙烯基苯為殼材料，采用懸浮聚合制備微膠囊相變材料，并合成了水泥基板材。核殼比為1：2制備的微膠囊具有良好的熱性能，焓值為 111.5J/g ，在10至 50% 的溫度范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)建筑材料相比，含有 30% 相變材料微膠囊的板材多儲存了 67.82% 的熱能，并使溫度變化降低了 59% 。表2總結(jié)了建筑領域所使用的PCM類型、熱物理性質(zhì)和應用。

4相變材料在建筑領域未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

4.1材料選擇與性能優(yōu)化

相變儲能材料的選擇對于其在建筑領域的應用至關重要。當前PCM的應用主要面臨以下幾個問題：首先是PCM的熱導率較低，導致其在實際應用中的儲能和釋能效率不高，熱導率問題限制了其在建筑中的廣泛應用。其次，PCM的循環(huán)穩(wěn)定性也是一個重要問題。PCM在多次循環(huán)使用后，其儲能性能會顯著下降，這限制了其在長期使用中的可靠性。此外，PCM的相變溫度范圍有限，難以滿足建筑在不同氣候條件下的需求。PCM的相變溫度范圍需要進一步擴展，以適應不同地區(qū)的氣候條件。

為了提升相變儲能材料的整體性能，研究方向可以聚焦于材料的設計優(yōu)化。例如，復合材料的開發(fā)可以有效地彌補單一材料的不足。通過將高導熱性材料（如金屬、石墨等）與相變材料結(jié)合，可以顯著提高相變材料的熱導率，從而提升其熱響應能力。此外，開發(fā)新型的高性能相變材料（如納米顆粒增強相變材料）也是未來研究

4.2多功能集成與系統(tǒng)設計

相變儲能技術(shù)不僅僅局限于熱能存儲，還可以與其他功能集成，形成多功能的建筑材料。例如，結(jié)合光電轉(zhuǎn)換功能的相變儲能材料可以同時進行能量儲存和發(fā)電。這類集成型材料的開發(fā)將大大提升建筑的能效，降低建筑的整體能耗。相變儲能材料的系統(tǒng)設計也可以進一步優(yōu)化。目前，相變儲能系統(tǒng)多依賴于被動型建筑設計，主要通過建筑材料的相變來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。然而，隨著智能建筑和智能控制技術(shù)的發(fā)展，未來的相變儲能系統(tǒng)將可能與智能控制系統(tǒng)結(jié)合，實時監(jiān)控和調(diào)整建筑的熱能需求。例如，通過傳感器實時感知室內(nèi)溫度和濕度，控制相變材料的充放能過程，從而提高建筑的能源利用效率和舒適性。

4.3經(jīng)濟性與政策支持

雖然相變儲能材料具有顯著的能效優(yōu)勢，但其大規(guī)模應用仍然面臨一定的經(jīng)濟性挑戰(zhàn)。首先，許多高性能的相變材料成本較高，在一定程度上限制了其在建筑領域的普及。如何降低相變儲能材料的生產(chǎn)成本，尤其是在原材料選擇、加工工藝和大規(guī)模生產(chǎn)方面，將是未來研究的一個重要方向。其次，相變儲能技術(shù)的成本效益不僅僅體現(xiàn)在材料本身，還需要考慮整個系統(tǒng)的安裝、維護和運營成本。因此，如何實現(xiàn)系統(tǒng)的成本優(yōu)化，確保相變儲能技術(shù)在建筑領域的經(jīng)濟性，將是未來發(fā)展面臨的難題。當前，相變儲能材料在建筑領域的應用尚未形成統(tǒng)一的標準和規(guī)范。建立完善的相變儲能材料和系統(tǒng)的標準體系，制定相關的技術(shù)規(guī)范和測試方法，將是促進相變儲能材料應用的重要步驟。政策支持也是推動相變儲能材料應用的重要因素，可以通過出臺相關的激勵政策，鼓勵建筑行業(yè)采用相變儲能材料。

5結(jié)論與展望

本研究綜述了相變儲能材料在建筑中域的應用與研究進展，涵蓋材料分類、選擇原則、應用現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)及未來趨勢，具有一定的意義與價值。在材料分類方面，PCM按化學成分、相變機制和相變溫度可細分為多種類型，其中固-液相變材料因自身優(yōu)勢成為建筑應用的首選。在選擇標準上，明確了包括高儲能密度、適宜相變溫度、良好導熱性、穩(wěn)定性等在內(nèi)的關鍵指標，且民用建筑對相變溫度與室內(nèi)及系統(tǒng)適配性要求嚴苛，為材料篩選提供了科學依據(jù)。實際應用中，PCM在建筑圍護結(jié)構(gòu)、保溫隔熱材料及溫控混凝土等方面成效顯著，通過與墻體、天花板、地板等結(jié)合，有效調(diào)控室溫、削峰填谷。

有機類PCM（如石蠟、脂肪酸類）無機類水合鹽、生物類及微膠囊PCM在各自應用場景下均展現(xiàn)出獨特性能與潛力，豐富了建筑節(jié)能材料體系。然而，PCM應用仍面臨諸多困境，熱導率低、循環(huán)穩(wěn)定性差及相變溫度范圍窄嚴重制約其效能與普及，成為亟待攻克的關鍵難題。

展望未來，研究重點在于多維度提升材料性能。開發(fā)高導熱復合材料與新型高性能材料（如納米增強型材料），融合光電等功能并與智能控制系統(tǒng)協(xié)同，優(yōu)化系統(tǒng)成本與構(gòu)建標準體系，是突破瓶頸的核心路徑。在全球綠色發(fā)展浪潮下，兼顧環(huán)保與能效的綠色PCM研發(fā)至關重要，有望重塑建筑節(jié)能格局，推動建筑行業(yè)可持續(xù)轉(zhuǎn)型，對緩解能源危機、實現(xiàn)雙碳目標意義深遠。

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ResearchProgressofPhaseChangeMaterialsintheBuildingField

ZHOU Xin-yu，CHEN Si-yi，ZHOU Yu-ting， WANG Zheng-yun， LUAN Dao-cheng，HU Zhi-hua （School of Materials ScienceandEngineering，Xihua University，Chengdu 61Oo39，Chlina）

Abstract：Againsttebackdropofteicreasingglobalenergydemandandsevereenviroentalprobles，ldingenergyconseationhs becomethekeytosolvingthessues.Tispaperreviewedtheresearchprogressofphasechangematerialsinthebuldingfield.Fistlyte clssfcationofpasehangemateralsasitroduce，amongchsolidlqudaengmatealsdativelyghpacticalaue. Subsequently，heselectionprincipleswereexpounded.Phasechangematerialsforbildingswererequiredtomtcondionssuchasbeing compatiblewitmpaueentlcatiosiingsredled，ndlcatioausofos esofsge materialswasintroducedespetively.Altoughsignifcantprgressadbenadeinteapplicatioofasechangmaterials，probesuch aslowtheralductivirylesabltdlitedseangmperatueangtillmandIneuturetooldb focusedonmaterialdesignotiizationultifunctioalintegationandsstemsignanhile，theostshouldbeducdadte standardsystemandpolicsupportshouldeimprovedtohancetrpefoanceandaplicabilityandpromotethedevelopmentofbuilding energy conservation.

Keywords： Phase change materials; Building sector; Building energy eficiency; Enclosure structure