相變材料在建筑節(jié)能中的研究進(jìn)展

時(shí)浩，劉紅敏，錢(qián)嘉鑫，孫亞松

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

現(xiàn)如今，全球能源危機(jī)問(wèn)題愈加嚴(yán)重，人們賴(lài)以生存的石油、煤礦和天然氣等不可再生能源緊缺。為解決能源危機(jī)，除了尋找風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生能源之外，節(jié)能也是解決能源危機(jī)的一個(gè)重要方式。節(jié)能以應(yīng)用技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、社會(huì)可接受度高為特點(diǎn)，其主要目的是為了更好地利用不可再生能源。建筑是人類(lèi)社會(huì)的重要組成部分，人們?yōu)闈M(mǎn)足對(duì)高舒適度的追求，利用空調(diào)、地暖等設(shè)備對(duì)室溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了建筑的能耗。建筑消耗的能源占社會(huì)總能耗的很大一部分，在中國(guó)，建筑物消耗的能源超過(guò)了30%[1]。我們面臨的問(wèn)題是如何在減少能源消耗和提供舒適的室內(nèi)環(huán)境之間取得適當(dāng)?shù)钠胶鈁2]。在這種情況下，相關(guān)研究人員開(kāi)始致力于相變材料的研究，相變材料的應(yīng)用不僅可以降低建筑能耗達(dá)到節(jié)能減排的效果，而且對(duì)室內(nèi)舒適度的提升也有極大幫助，因此具有十分重要的意義。

1 相變材料的分類(lèi)與建筑用相變材料的特性

1.1 相變材料的分類(lèi)

相變材料(簡(jiǎn)稱(chēng)PCMs)又稱(chēng)相變儲(chǔ)能材料，是指溫度不變的情況下而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。相變過(guò)程指的是相變材料吸收或釋放大量的潛熱，轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過(guò)程。PCMs的工作原理是根據(jù)環(huán)境溫度改變它們的狀態(tài)，當(dāng)溫度升高時(shí)，PCMs會(huì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收和儲(chǔ)存能量。另一方面，當(dāng)溫度降低時(shí)，材料具有釋放先前儲(chǔ)存能量的能力，在這種情況下，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)[3]。

相變材料按照化學(xué)組成不同可以分為有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料[4]，其材料種類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。相變材料按照其狀態(tài)不同可以分為氣-液相變材料、氣-固相變材料、固-液相變材料、固-固相變材料。氣-液相變材料和固-液相變材料中存在大量氣體，在相變過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)體積增加、氣壓增大的現(xiàn)象，而固-固相變材料相變速度緩慢，價(jià)格較高[5]，因此建筑節(jié)能方面多使用固-液相變材料。相變材料還可以按照溫度的高低進(jìn)行分類(lèi)，但溫度劃分的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，一般情況下可根據(jù)相變材料的實(shí)際使用溫度分為低溫相變材料(-50～90 ℃)、中溫相變材料(90～400 ℃)和高溫相變材料(>400 ℃)[6-8]。

表1 相變材料的種類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 The types，advantages and disadvantages of phase change materials

1.2 建筑用相變材料的特性

早在1980年，PCMs就已用于建筑物的熱能儲(chǔ)存，Biswas和Lane對(duì)這種材料用于加熱和冷卻的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究[9-10]。20世紀(jì)90年代，用PCMs處理建筑材料的技術(shù)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。1999年，國(guó)外研究出新型的固-液相變材料，用在墻板或者混凝土中，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度。國(guó)內(nèi)相變材料的研究起步較晚，90年代初中國(guó)科學(xué)院廣州化學(xué)所、中國(guó)科技大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、重慶大學(xué)等多所大學(xué)和研究單位相繼開(kāi)展了相變儲(chǔ)能材料的開(kāi)發(fā)和研究工作?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)相變儲(chǔ)能材料的理論和應(yīng)用研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還較薄弱，但是近年來(lái)我國(guó)研究相變材料的速度正在加快，內(nèi)容也在不斷加深，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研發(fā)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合相變材料現(xiàn)已經(jīng)可以在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上大面積使用[11]。

用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相變建筑材料的研制，選擇合適的相變材料至關(guān)重要，需具有以下幾個(gè)特性：①熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；②相變過(guò)程可逆性好、膨脹收縮性小、過(guò)冷或過(guò)熱現(xiàn)象少；③有合適的相變溫度，能滿(mǎn)足需要控制的特定溫度；④導(dǎo)熱系數(shù)大、密度大、比熱容大；⑤相變材料無(wú)毒，無(wú)腐蝕性，成本低，容易獲得。

2 相變材料在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

PCMs在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用主要包括石膏板、砂漿、混凝土等，將傳統(tǒng)的建材與相變材料通過(guò)直接加入法、浸滲法或者封裝法制備成新型建材[12]。將相變材料放置于建筑外墻中，白天融化吸收墻體熱量，夜晚凝固緩慢對(duì)外界和室內(nèi)釋放出熱量[13]。建筑物傳熱方式主要包括對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱，其中導(dǎo)熱占據(jù)建筑物熱量的很大比例。研究證實(shí)，將PCMs用在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，通過(guò)減少室內(nèi)溫度的每日波動(dòng)和降低建筑物的能耗成本，提高了建筑物室內(nèi)舒適度[14]。

2.1 相變石膏板

石膏廣泛應(yīng)用在建筑中，具有良好的隔音、隔熱、防火、調(diào)節(jié)濕度的性能，是一種環(huán)保型材料。石膏的微孔結(jié)構(gòu)和加熱脫水的性能使之成為與相變材料復(fù)合的良好的基體，可以制備出一種環(huán)保兼具性能良好的新型建筑材料[15]。

張建武等[16]將癸酸和棕櫚酸與石膏板通過(guò)浸漬法混合，用掃描電鏡和差示掃描量熱分析等手段對(duì)相變石膏板結(jié)構(gòu)特征、熱特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相變儲(chǔ)能石膏板的潛熱儲(chǔ)熱量、調(diào)溫性能較好，能夠長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)溫度并滿(mǎn)足人體舒適度要求，而且熱穩(wěn)定性較好。

魏婷等[17]采用共混法將十八烷微膠囊和石膏板混合制備了新型相變石膏板，研究了該相變材料的力學(xué)性能和儲(chǔ)熱性能，研究結(jié)果表明雖然相變微膠囊含量的增加會(huì)導(dǎo)致相變石膏板的抗壓和抗折強(qiáng)度下降，但是含量為13.6%時(shí)仍然符合等級(jí)要求。當(dāng)石膏板溫度低于23 ℃時(shí)，普通和相變石膏板儲(chǔ)放熱性能相同，當(dāng)溫度在26～30 ℃之間時(shí)，相變石膏板則表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

Zhang等[18]采用溶膠-凝膠法制備了微膠囊相變材料(MePCMs)，用二氧化硅為外殼，石蠟為芯材，與石膏混合，研究了MePCM的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性，結(jié)果表明，由于SiO2的緊密性好，微膠囊具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的抗?jié)B透性，當(dāng)MePCMs的質(zhì)量百分比為10%時(shí)，石膏材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、致密性、導(dǎo)熱性和良好的熱調(diào)節(jié)性能。

Liu等[19]用硅藻土/石蠟復(fù)合相變材料與石膏基按不同比例混合，研究了石膏基材料的蓄熱性能。用掃描電鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線(xiàn)熒光光譜(XRF)等進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，石蠟與硅藻土有良好的相容性，石膏基復(fù)合材料穩(wěn)定性較好。通過(guò)比熱性能的實(shí)驗(yàn)表明，隨著硅藻土/石蠟含量的增加，石膏基相變復(fù)合材料的儲(chǔ)熱性能顯著提高。

2.2 相變水泥砂漿

相變水泥砂漿是由相變材料經(jīng)過(guò)載體吸附和封裝包裹后與水泥砂漿混合制備而成，制備流程完成后還需制成涂層應(yīng)用在建筑表面，可以起到儲(chǔ)熱調(diào)溫的作用[20]。

楊籍等[21]采用共混攪拌法將癸酸-月桂酸二元低共熔物/改性硅藻土定形相變材料與水泥砂漿混合，制成新型的相變控溫砂漿，研究了相變砂漿的熱物性，并且模擬相變砂漿在建筑物上的儲(chǔ)熱調(diào)溫性能。研究結(jié)果表明，相變砂漿熱工性能良好，比普通砂漿的溫升、溫降速率低，模擬結(jié)果表明，夏季時(shí)砂漿能使建筑溫度顯著降低，具有良好的調(diào)溫性能。

陳金平等[22]利用膨脹珍珠巖吸附石蠟的性能制成了膨脹珍珠巖-石蠟相變儲(chǔ)熱材料，將其與普通水泥砂漿直接混合制成了相變儲(chǔ)能砂漿，并研究了其熱物理性能。結(jié)果表明，相變砂漿的溫度變化率和潛熱變化率較小、穩(wěn)定性好。

2.3 相變混凝土

普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)大，在混凝土施工中水化熱量使內(nèi)部溫度升高，不僅會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，還會(huì)使能耗增加[23]。在混凝土中加入由相變材料制成的新型相變混凝土，可以有效彌補(bǔ)普通混凝土的不足，而且還能發(fā)揮儲(chǔ)能調(diào)溫的優(yōu)勢(shì)。

王永偉等[24]在聚乙二醇(PEG)/SiO2復(fù)合相變材料的基礎(chǔ)上加入石墨來(lái)改善PEG/SiO2復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，并將這三種相變材料直接摻入到混凝土中，研究了PEG和石墨加入量對(duì)相變混凝土的導(dǎo)熱性能的影響，以及PEG/SiO2/石墨相變混凝土的性能。結(jié)果表明，當(dāng)PEG含量為80%，石墨含量為6%時(shí)，PEG/SiO2/石墨相變混凝土具有良好的導(dǎo)熱性能，并且能有合適的相變溫度和相變焓，解決了混凝土水化熱量大使混凝土裂開(kāi)的問(wèn)題。

聶志新等[25]采用吸附法制成了月桂酸(LA)/膨脹石墨(EG)相變材料，將其與混凝土混合，研究了相變混凝土的抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，LA的加入會(huì)使相變混凝土的抗壓強(qiáng)度大大降低，但還是滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度的基本要求，并且導(dǎo)熱系數(shù)隨著LA/EG相變材料的加入有所提高。

3 相變材料在室內(nèi)的應(yīng)用

PCMs主要應(yīng)用于室內(nèi)地板，地板輻射采暖與散熱器采暖相比，具有節(jié)省空間和舒適性更高的特點(diǎn)。PCMs可與地板輻射采暖相結(jié)合，其原理是將白天溫度較高時(shí)產(chǎn)生的熱量?jī)?chǔ)存在地板中，當(dāng)晚上溫度較低時(shí)將白天儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。因此PCMs與地板輻射采暖相結(jié)合會(huì)更加的節(jié)能環(huán)保。

莊孫歧等[26]將相變蓄熱地板(相變填料為石蠟和水泥)的地面輻射供暖系統(tǒng)房間進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了相變蓄熱地板的理想相變溫度，石蠟和水泥的最佳配比以及相變地板的儲(chǔ)放熱性能。結(jié)果表明，在房間供暖時(shí)，地板吸收并儲(chǔ)存熱量，在房間停止供暖時(shí)，地板釋放出熱量，其中水泥和石蠟最佳配比1∶1，最佳相變溫度為30 ℃。

李鵬輝等[27]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比了相變地板(相變填充層材料為十八烷)與普通地板的蓄放熱性能的差異。結(jié)果表明，相變地板由于材料優(yōu)異的蓄放熱性能，減少了地板內(nèi)溫度的波動(dòng)，提高了舒適性，采暖性能比普通地板好。

Yun等[28]研究了PCMs應(yīng)用于干式地板采暖后的熱舒適性和節(jié)能效果，為了穩(wěn)定相變材料的形狀，使用了宏觀(guān)填充PCMs(MPPCMs)。相變材料為石蠟基聚羥基(正十八烷、正十二烷、正二十二烷)，實(shí)驗(yàn)溫度為28～35 ℃。結(jié)果表明，MPPCMs的蓄熱性能良好，用于加熱的能量減少了43%，正二十烷是用于地板加熱的最有效的PCM，獲得了舒適的地板溫度。由此可見(jiàn)，PCMs可以降低峰值溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)論與展望

基于以上研究，在建筑節(jié)能的理念中，PCMs將成為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象，相變材料與建筑相結(jié)合具有顯著降低能耗、節(jié)約資源、綠色環(huán)保和提高人們居住環(huán)境舒適度的特點(diǎn)。但是，PCMs存在的局部缺陷導(dǎo)致無(wú)法普及使用，比如耐久性問(wèn)題、材料泄露問(wèn)題、污染環(huán)境問(wèn)題、復(fù)合材料制備時(shí)相容性問(wèn)題以及如何控制成本等問(wèn)題。在未來(lái)的研究中，解決這些局部缺陷是重點(diǎn)關(guān)注的方向。