工学论文：节能型相变储能建筑材料及其研究进展

   [摘 要]相变储能建筑材料是一种新型的功能材料，在建筑节能、储能等方面具有较好的应用前景。文章介绍了相变储能建筑材料的理论基础和相变储能材料在建材中的应用，并对相变储能建筑材料的三种复合技术，即浸泡法、掺加能量微球法和直接混合法，进行了简单的概述。最后指出相变储能建筑材料的主要研究方向和内容。
　　[关键词]节能；相变储能；建筑材料
    1 相变储能建筑材料理论基础相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。
　　在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，在这一熔化过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；反之在相变材料冷却的过程中，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，同时进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。相变所吸收或释放的潜热化工材料广 东 化 工相当大，但在相变过程中材料自身的温度几乎维持不变，产生了一个宽的温度平台。相变材的出现，体现了恒温时间的延长。并可与显热和绝缘材料在热循环时，储存或释放显热。利用相变材料的相变潜热来实现能量的贮存和利用，可用于开发环保节能型复合材料。通过将相变材料与建筑材料基体复合，可以制成相变储能建筑材料。它是一种热功能复合材料，能够将能量以相变潜热的形式进行贮存，实现能量在不同时空位置之间的转换。
　　2 相变储能材料在建材中的应用相变材料按照其相变过程可以分为固-固相变、固-液相变、固-气相变、液-气相变。固-固相变材料相变温度通常较高，而一般建筑用的相变材料温度要求较低，因此固-固相变材料一般不适合用于建筑材料。液-气相变材料在相变过程中体积变化非常大，不适合在工程材料的应用。固-液相变材料在较小的温度范围内发生相变，潜热大，而体积膨胀率小，是目前应用最为广泛的相变材料。目前国内外主要应用于建筑节能领域的相变材料有结晶水合盐类无机相变材料、石蜡、羧酸、酯、多元醇以及高分子聚合物等有机相变材料，为多元复合相变材料。
　　结晶水合盐类无机相变材料具有熔化热大、热导率高、相变时体积变化小等优点，同时又具有腐蚀性、相变过程中存在过冷和相分离的缺点；而有机类相变材料具有合适的相变温度、较高的相变焓，且无毒、无腐蚀性，但其热导率较低，相变过程中传热性能差。近年来，国内外主要研究了石蜡烃、脂肪酸、多元醇类等有机相变材料在建筑节能中的应用。正烷烃的熔点接近人体舒适温度，其相变焓大，但正烷烃价格较高，且掺入建筑材料中会在材料表面结霜；脂肪酸价格较低，相变焓小，单独使用时需要很大量才能达到调温效果；多元醇是具有固定相变温度和相变焓的固-固相变材料。
　　相变储能建筑材料则是将相变材料加入到传统建筑材料中。相变储能建筑材料应该具有较大的蓄热能力，能够做建筑结构材料承受荷载，能够和其它传统建筑材料同时使用。相变物质应用于建材开始于 1982 年，该研究由美国能源部太阳能司发起。1988 年起由美国能量储存分配办公室开始推动此项研究。80 年代 Dow 化学公司对的 20000 多种可以用作相变材料的纯物质进行筛选，结果表明只有 1 %的相变材料有实际应用价值。20 世纪 90 年代初人们开始对有机相变材料进行研究，如 Fe1dman 其研究合作者采用 2 种方法来制备相变储能石膏板。第一种方法是将普通石膏板浸泡在相变材料溶液中得到；第二种方法是在制作石膏板的过程中，加入相变材料。
　　通过 DSC 分析比较了这 2 种方法，结果为前者得到的相变储能石膏板，其里层和外层所含相变材料的量不均匀，后者则相变材料分布均匀。1999 年俄亥俄州戴顿大学研究所研制成功一种新型建筑材料-固液共晶相变材料。它的固液共晶温度是 23.3 ℃，当温度高于 23.3 ℃，晶相熔化，积蓄热量，一旦气温低于这个温度时，结晶固化再现晶相结构，同时释放出热量。在墙板或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料，可以保持室内适宜的温度。日本的 Takeshi Konda 等则将 PCM 压入交联聚乙烯中制成 PCM 小球。然后再把这种小球加到其它多孔材料，如石膏板中，从而得到具有储热能力的 PCM 石膏板。张东等采用多孔介质和有机相变物质制备颗粒型相变储能复合材料，具有优良的相变储能性能和耐久性能，与传统的保温隔热材料-膨胀珍珠岩相比，相变储能复合材料具有更优良的建筑综合节能功效。
　　3 相变储能建筑材料的复合技术将相变材料与建筑材料基体复合制成相变储能建筑材料的方法主要有三种:
　　(1)浸泡法，即通过浸泡将相变材料渗入多孔的建材基体中，如石膏墙板、水泥混凝土试块等。其优点是工艺简单，易于使传统的建筑材料(如石膏墙板)按要求变成相变储能建筑材料；Chahroudi 在 20 世纪 70 年代就利用芒硝等无机相变材料，采用直接浸泡法制备了相变储能混凝土，但是这类相变材料对混凝土基体有腐蚀作用。Hawes利用脂肪酸类有机相变材料、采用直接浸泡法制备了相变储能混凝土，并对相变储能混凝土作了广泛深入的研究。Hadjieva 等用 DSC 测试了利用无机水合盐类作相变材料的混凝土体系的蓄热能力，用红外光谱分析了该体系的结构稳定性。Lee 等
　　采用直接浸泡法制备了相变储能混凝土，并比较了普通混凝土块和浸渍相变材料的混凝土块的储热性能和气流速度对放热吸热的影响。美国Florida 科技大学分别用脂肪酸、短链酸和甲基脂的混合物以及短链酸的混合物作为相变材料，用灰泥板作基材，通过直接浸泡法制备出相变储能墙板。直接混合方法的优点在于工艺简单，性质更均匀，更易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同的需要。
　　(2)掺加能量微球法，即借助于微胶囊技术或纳米复合技术把相变材料封装成能量微球，再把能量微球掺入建材基体中，从而制备出相变储能建筑材料。Takeshi 等用 95 %正十八烷和 5 %正十六烷作相变材料，并将其压入交联聚乙烯中制成能量微球，然后再把这种能量微球加到其它多孔材料，如石膏板中，从而得到具有储热能力的相变储能石膏板。1996 年，德国莱比锡材料研究与测试中心的研究人员将相变材料包裹在微胶囊中，制成微囊型相变材料。考虑到纤维膜材料质轻、有弹性、耐久、防震等性能，又将微囊型相变材料掺入纤维膜材中，制成建筑保温隔热材料。研究表明，在 1 m2膜材料中掺入 40 g 微囊型相变材料后，膜材料的综合保温能力大约增加 4 倍，掺入 90 g 微囊型相变材料后，膜材料的综合保温能力大约增加 8 倍。因此，研究中心提出，应用微囊型相变材料来增加膜材料的蓄热能力，期望添加微囊型相变材料来改进膜材料的保温性能，达到改善建筑物室内环境、减少能耗的目的。
　　(3)直接混合法，即将相变材料直接与建材基体混合，如将相变材料吸入半流动性的硅石细粉中，然后掺入建材基体中。许多新型固-固相变材料的不断开发推动了这一工艺的应用。直接混合方法的优点在于工艺简单，性质更均匀，更易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同的需要。加拿大的 Concordia 大学建筑研究中心用 49 %丁基硬酯酸盐和 48 %丁基棕桐酸盐的混合物作相变材料，采用直接混合法与灰泥砂浆混合，然后再按工艺要求制备出相变储能墙板，并对相变储能墙板的熔点、凝固点、导热系数等进行了测试。结果表明，这种相变储能墙板比相应的普通墙板的贮热能力增加 10 倍。该中心还研究了把有机相变材料植入水泥中制备相变储能墙板的可能性，并研究了如何通过控制相变材料的吸收量和熔化量达到需要的贮热量。
　　4 相变储能建筑材料应用前景相变储能建筑材料作为环保节能型的建筑功能材料，可以在提高建筑物舒适性、节能降耗等方面发挥重要的作用。要使相变储能建筑材料在工程实际中能有广泛应用，还需要对许多问题作更深入的研究，今后的研究方向和主要内容有：
　　(1)研究更为合适的可用于相变储能建筑材料的相变材料；(2)研究如何制备稳定相变储能建筑材料的新方法；(3)提高相变储能建筑材料的传热性能；(4)建立相变储能建筑材料围护结构传热模型。相变储能建筑材料用于建筑节能领域，有利于降低建筑内部热波动，提高建筑物的舒适性，达到节能的目的。随着能源问题的日益突出以及人们对建筑节能问题的日益重视，相变储能建筑材料的应用前景必然越来越广阔。
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