相变材料及其在建筑节能中的应用

2017-03-10陈艺轩

辽宁化工 2017年2期

孙烨，陈艺轩，王辉

（1. 东北育才学校，辽宁沈阳 110179； 2. 辽宁省实验中学北校，辽宁沈阳 110148）

随着石油、煤等不可再生的矿物燃料资源储量的减少及使用这些燃料引起的环境问题日趋严重，对节能和太阳能等可再生资源的利用日益受到重视。同时，随着社会的发展人们对舒适度的要求越来越高，这又要求消耗更多的能源。

在发达国家建筑能耗占到总能耗的40%左右，预计到 2020年左右我国建筑领域的能耗将会达到能源消耗总量的40%以上。建筑用能是能源消耗的大户，因而也是节能的重要领域，同时建筑采暖用能往往是大气污染的主要因素，特别是我国以煤炭为主的能源结构条件下更是如此，因此建筑节能在节约能源和减少污染两方面有着重要意义。

利用相变材料（Phase Change Material，PCM）储存太阳能和低价电能方面的研究是目前非常活跃的领域。相变材料可用于解决热能供给与需求失衡的矛盾，在航天、能源、建筑、军事、制冷设备、通讯、电力等行业和领域得到广泛的应用。利用相变材料在熔化或凝固过程中温度变化不大但吸收或释放的潜热却很大的特性，将其与建筑材料结合使用，可以起到减小室温波动、利用太阳能取暖以减少空调和采暖系统能耗或利用夜间低价电能维持居室温度等作用，从而作到充分利用能源、降低污染并满足居住舒适的目的。

1 相变材料的分类、选择及改性

国外关于相变材料及其潜热的储存和应用的报道从1977年开始大量出现[1]。20世纪80年代初，美国航天航空局（NASA）将有机相变材料应用于精密仪器防高温侵袭并取得良好的应用效果，随后军方将其用于导弹核心电子元器件的恒温和飞机表面抗热冲击等军事目的。80年代末，NASA下属的Triangle技术公司将相变材料与纺织纤维复合后应用宇航服。90年代中期随着昼夜电价分计制的实施，美国开始研制将相变材料与建筑材料结合，利用夜间低价电储热。国内对有机相变材料的研究工作始于20世纪90年代初，主要是在应用方面，如定性化、微胶囊化、复合等的工作。

1.1 相变材料的分类与选择

根据化学组成的不同，一般可将相变材料分为无机相变材料和有机相变材料。根据储能过程中材料相态变化的不同，一般可将相变材料分为固―气相变材料、液―气相变材料、固―液相变材料、固―固相变材料四种。固―气相变和气―液相变过程由于有气态存在，储存需要更大的体积或更高的压力，所以不常应用；固―固相变速度慢、价格高、优点不明显，短期内不能实际应用；固―液相变材料是目前研究相对成熟的一类相变材料，也是目前常用相变材料类型。根据相变温度的不同，一般可将相变材料分为高温相变材料、中温相变材料和低温相变材料。用于建筑节能的相变材料为低温相变材料。

良好的相变材料应具备以下性质[2]：(1)热性质：适合的相变温度、高的相变热、良好的传热性等；(2)物理性质：有利的相平衡、低蒸气压、密度高、体积变化小等；(3)动力学性质：不过冷、适当的结晶速度；(4)化学性质：具有长期的化学稳定性、无毒、不易燃、无污染；(5)经济性：原料丰富易得，成本较低。目前的相变材料都不同时具备上述要求，实际使用时都需要用其它方式加以弥补。

1.2 固―液相变材料的种类及特点

固―液相变材料主要包括无机水合盐类和有机物类。

无机水合盐类相变材料具有相变温度明确、导热系数比有机材料大、相变潜热较大、密度大、价格低、不易燃等优点；但这类材料存在着较严重的过冷现象和相分离现象等缺点。虽然可以通过一些方法改进这些性能，但在某些应用领域，如建筑节能，其使用寿命无法达到使用要求。

有机物类相变材料主要包括正构烷烃、碳水化合物和油脂衍生物等，这类相变材料具有固态成型性好、不容易出现过冷现象和相分离现象、腐蚀性小、毒性小、成本较低、可循环使用等优点，并且与普通建筑材料的相容性好；但这类材料存在着导热系数较小、密度较小、易挥发、易燃、易氧化等缺点。

有机-无机相变材料和低熔点液态金属是较新的研究方向。有机-无机相变材料是将有机类相变材料与无机类相变材料相混合，既可以弥补单纯有机物相变材料潜热值低、导热系数小的缺点，又能弥补单纯无机类相变材料过冷度大、易出现相分离的缺点，但目前此方面的研究不是太多，其相变机理仍然不清楚[3]。低熔点液态金属是一种熔点接近室温的特殊金属及其合金，具有热导率高、相变潜热大、相变时体积变化小、可靠性高等显著优势，是新一代高性能散热储热技术的研究热点[4]。

1.3 固―液相变材料的复合及组合

由于固―液相变材料相变过程存在液态相，为防止相变材料的流失及污染周围环境，同时避免相变材料的某些缺点，如无机相变材料的腐蚀性及有机相变材料导热系数较小、易燃等问题，实际使用时需要将相变材料与其它材料复合,这种复合主要起到增强导热和对相变材料进行封装定型的作用。

目前常用的提高相变材料传热性的方法有两种：（1）在储能构件中采用金属翅片结构或蜂窝结构来扩大换热面积，此种方法改变了传统建筑构件的内部构造，加大了施工工艺的复杂程度。（2）在相变材料中掺加高导热材料，如微米尺度的金属粉末、石墨和碳纤维等，纳米尺度的碳纳米管、氮化钛、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氮化铝、氧化铝和银等多种金属／氧化物／氮化物纳米颗粒等[5]。

对相变材料封装定型的方法有宏观封装、掺混和浸渍、层状材料吸附、共混或与高聚物交联、微胶囊化等。

宏观封装是将相变材料包封成腊肠形、管形、浅箱、袋、胶囊等形状后使用。宏观封装能克服相变材料传热不良及与周围介质产生化学作用等问题，并且装配方便。

掺混和浸渍主要用于有机相变材料。掺混是将相变材料与多孔材料（膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒和硅藻土等）混合均匀后成型。浸渍是将成型后的多孔材料（如混凝土、屋顶瓦、泡沫材料、石墨等）浸于液态相变材料中吸附，此方法工艺简单、费用低，但有时会出现渗漏问题。

层状材料吸附是以层状材料（膨胀石墨、膨润土和蒙脱土等）为支撑材料吸附相变材料，达到定型化并提高到热性能的目的。

共混或高聚物交联主要用于有机相变材料。共混是利用载体（低密度聚乙烯、高密度聚乙烯等）与相变材料的相溶性,熔融后混合在一起制成成分均匀的相变材料。高聚物交联是用高温熔融态有机相变材料溶胀交联的高聚物或水溶性单体在无机相变材料中进行交联聚合形成。这些制品导热系数低，因此还需要加入导热物质。

微胶囊化是指利用聚合物将相变材料包覆起来形成粒径一般在2～1 000 µm的具有核一壳结构的胶囊的方法，具有相变反应稳定、相变材料不易泄露等优点，但由于微胶囊技术相对复杂，生产成本较高，所以这类制品只用于纺织纤维等特殊用途。

利用多种相变温度的相变材料而形成组合的相变储能系统，不仅能加快储能、放能速度，而且热利用效率明显提高[6]。

2 相变材料在建筑节能中的应用

将相变材料用于建筑节能一般是通过直接利用太阳能或余热的回收再利用以及电力的“移峰填谷”两种形式实现的。

在20世纪70年代，国外太阳能利用和废热回收的研究和开发工作中，一批低温相变储热器件陆续投放市场。可以将无机相变材料经包封后制成板、管、棒等形状，或制成家具放置在室内，利用它们储存太阳能，甚至采用日间将太阳能蓄热装置放在阳光下晒热，夜晚取回室内供采暖用[7]。也可将无机相变材料制成储热小丸（如美国Pennwalt公司研制的储热小丸，直径9.5～12.7 mm），使用时将其嵌入混凝土中，对建筑设计方案限制较少[8]。

20世纪80年代后研究转向将有机相变材料与建筑材料结合或微胶囊化后加入建筑材料或纺织品中制成相变蓄能围护结构，如将相变材料与百叶窗或窗帘[9]、涂料[10]、水泥[11]、石膏[12]、相变蓄热板材[13]等进行复合，可以使建筑物蓄热能力强、热惰性大、传热性能差，从而达到节能的目的。

供暖储能系统方面，在相变蓄热地板辐射供暖系统[14]中，供暖系统所需热媒的温度较低，热舒适性好，是适合于太阳能集热器、热泵等作为热源的理想供暖方式，节能效果显著；在空气源热泵-相变蓄热水箱供暖系统中，通过相变储能技术优化了太阳能、空气热能等非连续能源的供能方式，有效提高了建筑中可再生能源的利用率[15]；将相变材料与火炕组合使用，显著改善了炕面温度分布的均匀性，有效延长了供暖时间并提高了室内温度，因而有助于改善农居室内及炕面的热舒适性[16]。

以乳化的相变材料[17]或相变微胶囊悬浮液[18]作为采暖用储热及输送介质，可减小流量，从而输送管路的尺寸、输送泵功的功耗也随着减小；可提高换热系数，因此可以减小传热面积，从而节约了初投资。

在电力的“移峰填谷”方面，可以采用定型处理的相变材料置于地板下（使用相变温度为 29 ℃的相变材料）或非承重墙体内（使用相变温度为35℃的相变材料），达到“移峰填谷”的目的[19]。对于空调系统，潜热蓄能装置能将72%的用电推移到夜间[20]。采用这些技术可以有效地提高电网供电负荷率。