相变储能建筑材料

1、相变储能建筑材料摘要：本文对相变储能材料，相变材料的原理、分类和应用情况进行了简要介绍。并综述了相变储能建筑材料的国内外的研究状况，相变储能材料与建筑材料基体结合的方法，着重介绍了相变储能材料在建筑中的应用，展望了相变储能建筑材料的发展前景。关键词：相变 储能 建筑Phase Change Power Storage Building MaterialAbstract: In this paper, the principle, classification and application of phase change materials are briefly introduced. An

2、d it gives an overview of the phase change energy storage to building materials at home and abroad research condition, phase change energy storage materials and building materials matrix binding method, and then it emphatically introduces the phase-change energy materials in construction application

3、s. Finally, this paper introduces the development prospect of phase change energy storage building materials in detail.Keywords: Phase transition; Energy storage; Architecture.目录摘要：2关键词2前言41相变节能材料概述41.1 相变材料定义及原理41.2相变材料的分类51.3 相变节能材料的应用51.3.1在太阳能供暖系统上的应用51.3.2 在工业加热过程的应用61.3.3在纺织行业中的应用61.3. 4 在建筑领域

4、的应用72 相变储能建筑材料73 相变储能材料与建筑材料基体结合的方法83.1 PCM封装技术概述93.2 封装法的制备工艺93.3 封装法的不足之处94 PCM在建筑节能中的应用104.1 相变储能墙板104.1.1 相变储能石膏板104.1.2 相变储能混凝土114.1.3 保温隔热材料114.2 相变涂料114.3 相变蓄热地板115 展望12结语13参考文献14前言相变过程一般是一等温或近似等温过程，相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部分能量称为相变潜热，利用相变过程的这一特点开发了许多相变储能材料。与显热储能材料相比，潜热储能材料不仅能量密度较高，而且所用装置简单、 体积小、设计灵活

5、、使用方便且易于管理。另外，它还有一个很大的优点，即这类材料在相变储能过程中，材料近似恒温，可以以此来控制体系的温度。利用储能材料储能是提高能源利用效率和保护环境的重要手段之一，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在能源、航天、军事、农业、建筑、化工、冶金等领域展示出十分广泛和重要的应用前景，储热材料的研究目前已成为世界范围内的研究热点。利用相变材料储能是提高能源利用效率和保护环境的重要手段之一，可以解决热能供给与需求失配的矛盾，在能源、航天、军事、农业、建筑、化工等领域展现出十分广阔和重要的应用前景。常低温相变材料是近年来国内外在能源利用和材料科学方面开发研究十分活跃的领域，得到了人们广泛的

6、重视。1相变节能材料概述1.1 相变材料定义及原理相变材料（Phase Change Materials，简称PCM）是指在一定温度范围内，物理状态或分子结构发生转变的一类材料。它们在物理状态或分子结构发生转变过程中，可以吸收环境的热量，并在需要时向环境释放出热量，从而达到控制周围环境温度的目的【1】。利用相变材料的相变潜热（Latent Heat Storage，简称LHS）来实现能量的贮存和利用，有助于开发环保节能型的相变复合材料，是近年来材料科学和能源利用领域中一个十分活跃的前沿学科。从储热方法来看，主要有显热储热、潜热储热和化学反应储热三种。显热储热是利用物质的温度升高吸收热能而存储热

7、量的。化学反应储热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能，发生化学反应时，可以有催化剂，也可以没有催化剂。潜热储热与相变紧密相连，是利用物质在凝固（熔化）、凝结（气化）、凝华（升华）以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理来进行能量储存的技术【2】。以固一液相变为例，将相变材料加热至熔化温度时，会产生从固态到液态的相变，在熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内会释放到周围环境中，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。1.2相变材料的分类根据相变材料的组成，一般可将其分为无机化合物、有机化合物

8、及无机有机复合相变材料。根据相变材料相变形式一般又可分为固固、 固液、 液气、固气四类。由于后两种相变过程中有大量气体，相变物质的体积变化很大，因此，尽管这两类相变过程中的相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用。与此相反，固固相变由于体积变化小，对容器要求低 (容器密封性、强度无需很高) ，往往是实际应用中希望采用的相变类型。有时为了应用需要，几种相变类型可同时采用。按相变温度范围分为高温 ( > 250 )、中温(100250 )和低温(< 100 )储能材料【3-4】。1.3 相变节能材料的应用随着人们对相变材料的关注越来越多，PCM在日常生活、航空航天等领域的研究逐步开展起来

9、，而近年来的研究热点主要集中在民用，比较典型的应用有以下几类。1.3.1在太阳能供暖系统上的应用 相变储热材料用于储热具有环保、高效、节能、安全等多项优势，非常适合于太阳能供暖系统储热，以替代传统的取暖设备。组合式相变储热单元换热器为方形结构，主要由钢板、折流板、高密度聚乙烯管组成。相变储热材料用石蜡封装在管内，每根管内都留有5% 10% 的空余空间，用来避免储热材料受热膨胀将管胀裂，这种供暖系统在实际中已有应用。 1.3.2 在工业加热过程的应用 在工业加热设备的余热利用系统中，传统的储热器通常是采用耐火材料作为吸收余热的储热材料，由于热量的吸收仅仅是依靠耐火材料的显热容变化，这种储热室具有

10、体积大、造价高、热惯性大、输出功率逐渐下降等缺点，在工业加热领域难以普遍应用。相变储热系统是一种可以替代传统储热器的新型余热利用系统，它主要利用物质在固/液两态变化过程中潜热的吸收和释放来实现热能的贮存和输出，潜热与显热容相比较不仅包含有更大的能量，而且潜热的释放是在恒定温度下进行。与常规的储热 室相比，相变储热系统体积可以减少30% 50%; 因此，利用相变储热系统替代传统的储热器，不仅可以克服原有蓄热器的缺点，使加热系统在采用节能设备后仍能稳定地运行，而且有利于余热利用技术在工业加热过程的广泛应用。1.3.3在纺织行业中的应用 在服装中加入相变材料可以增强服装的保暖功能，甚至使其具有智能化

11、的内部温度调节功能。根据使用要求可以生产具有不同的相变温度的产品，如用于严寒气候的41级纤维的相变温度在18.329 .4 ,用于运动服装的43级纤维的相变温度在32.243.3 。相变储能纤维的智能调温机理是: 当人体处于剧烈活动阶段会产生较多的热量，利用相变材料将这些热量储藏起来，当人体处于静止时期，相变材料储藏的热量又会缓慢地释放出来，用于维持服装内的温度恒定。1.3. 4 在建筑领域的应用 建筑围护结构的相变墙体，是由适宜的相变材料与建材基体复合而成。这种墙体可充分利用夜间低价电蓄热，供次日白天作辅助热源，降低采暖系统的投资与能耗，改善室内环境。相变墙体的研制，选择合适的相变材料至关重

12、要。因此，人们往往先考虑有合适的相变温度和有较大相变潜热的相变材料，而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。近年来，国际上出现了一类新型相变材料即定形相变储热材料。这类材料的出现，使建筑行业中利用墙体储热成为可能。这类相变材料在相变前后均能维持原来的形状(固态)，它对容器要求很低，大大降低了相变储热系统的成本;而且某些性能优异的定形相变材料可以与传热介质直接接触，使换热效率得到很大提高。2 相变储能建筑材料建材轻质化是当今社会建材发展的重要趋势，但轻质建材带来的一个重大缺陷就是房屋保暖性变差、能耗增加，在建材中添加PCM是解决这个问题的有效途径之一。其结构如右图所示。相变材料掺入到基材中制备

13、的相变储能建筑材料，应用于建筑墙体中，可以减少环境温度引起的室内温度波动，提高墙体的保温、隔热能力，减少室内空调等用电设施的使用，从而可实现环保节能的目的。如前面所述，相变材料种类很多，分类也很多，并不是所有的相变材料品种都能用于建筑节能，建筑节能用相变储能材料要符合如下要求： （1）具体较高的储热能力和热传导性能；（2）相变温度要适合应用的环境要求，一般要求接近人体的舒适温度； （3）发生吸放热温度变化时相变材料的体积变化小；; （4）相变可逆性好，保证使用寿命长； （5）材料价廉易得；（6）材料无毒、无腐蚀性。综合上述要求，多元醇类相变材料以及层状钙钛矿类相变材料是能够用于建筑节能材料的两

14、类固固相变材料。多元醇类相变材料具有性能稳定，使用寿命长，相变焓较大，无液相产生，体积变化小等特点，应用广泛。而层状钙钛矿因其相变温度高、价格较贵使用的较少。此外，在建筑相变材料中值得一提的是定形复合相变材料。它仍采用固液相变形式，但不同的是在相变储热时，这一类相变材料的外形一直保持固体形状而没有流动性。其主要成分是工作物质和载体基质。工作物质是固液相变材料，以有机类固液相变材料居多；载体基质是一类相变温度较高、在工作物质的相变温度范围内保持固体形状、物化性能稳定、有一定机械性能的物质，目前主要采用一些交联高分子树脂类物质。工作基质和载体基质通过熔融下共混或封装的方法结合在一起。有学者以高密度

15、聚乙烯为载体制备了定形相变材料，这种材料兼顾了固液相变潜热大以及固固相变体积小的优点，并且物理性能和化学性能稳定，热导率高，使用过程中无需容器装封，与传统建筑材料复合工艺简单。它的出现使PMC在建筑中的应用成为可能【5】。3 相变储能材料与建筑材料基体结合的方法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：直接加入、浸泡和封装。直接加入法，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。直接加入法的优点在于便于控制加入量，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

16、满足不同的需要。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，可对成品建筑材料进行处理。但是，采用这两种方法制备的相变储能建材耐久性差，主要表现为相变工质的泄漏和对基材的腐蚀。封装方法有效地解决了上述问题。3.1 PCM封装技术概述封装法先将相变材料进行封装改性处理，以防止液体泄漏，再与建筑材料混合，包括大封装和小封装两类。（1）大封装：将固液相变材料置于密闭的宏观容器中，如PE塑料管或球中，再置入水泥、白灰或石膏等建筑材料中。这种相变材料已经被应用到太阳能领域，但由于其在相变时与

17、环境接触的面积太大，使得能量传递不是很有效。（2）小封装：是指把基体做成微胶囊、多孔泡沫塑料或三维网状结构，而将工作物质灌入其中：或者采用易成膜物质，如高密度聚乙烯，与相变材料共混而成，即利用二者的相容性，熔融后混合在一起而制成成分均匀的相变材料。这种材料可与建筑材料直接复合，工艺简单，化学性能稳定，储热量高，热导率高。3.2 封装法的制备工艺封装法的制备工艺主要概括为六种：微胶囊包封、溶胶凝胶法、物理共混、化学共混、插层法和将相变材料吸附到多孔基质中。由于微胶囊制备起源于20世纪50年代，研究的时间最长，目前已日趋成熟。并且，微胶囊技术引入相变材料增大了传热面积，防止了相变物质与周围环境的反

18、应，控制了相转变时PCM的体积变化，提高了相变材料的使用效率，具有广阔的应用前景。3.3 封装法的不足之处尽管封装法克服了相变储能建材耐久性差等问题，成为PMC与基体结合的首选方法，但对它的研究还在继续，封装法仍然有自己的缺点。封装法的缺点之一是以共混形式制成的复合相变材料，难以克服低熔点相变材料在熔融后通过扩散迁移作用，与载体基质间出现相分离的难题；二是相变材料加入一定量的载体后，导致整个材料储热能力的下降，材料的能量密度较小；三是载体中掺人相变材料后又导致材料的机械性能下降，整个材料的硬度、强度、柔韧性等性能都受到很大损失，以至于寿命的缩短、污染环境等。因此，到目前为止相变材料和载体相互之

19、间还存在难以克服的矛盾。许多学者在这方面的研究也比较多，如同济大学研究出在制备储能复合材料之前先采用真空浸渗法制得相变储能骨料，很好的改善了其耐久性，适用范围广。64 PCM在建筑节能中的应用4.1 相变储能墙板相变储能墙板最初是美国20世纪80年代中期开始研究的一种含有相变材料的建筑围护结构材料，根据不同的建材基体可以将其分为三类：一是以石膏板为基材的相变储能石膏板，主要用作外墙的内壁材料，可以减弱建筑物室内温度的波动幅度，保持室内舒适性；二是以混凝土材料为基材的相变储能混凝土，主要用作外墙体材料；三是以保温隔热材料为基材，来制备高效节能型建筑保温隔热材料。相变储能墙板用于建筑物围护结构，当

20、室内温度高于相变材料的相变温度时，相变储能墙板中的相变材料发生相变，吸收房间里多余的热量，当室内温度低于相变温度时，相变材料发生相变，又释放出储存的热量。相变储能墙板由于相变材料的蓄热特性，使通过围护结构的传热量大大降低。由于相变材料增加了围护结构的热惰性，可显著提高室内环境的舒适性。李德魁5等发明了一种相变隔热砖，砖体包括中部相变材料芯层及覆盖在外部的砖体外围硬质结构保护层。经研究，该相变隔热砖可以应用于建筑墙体，有效改善室内的温度环境。4.1.1 相变储能石膏板相变储能石膏板是一种以石膏板为基体，掺有相变材料的储能建材墙板。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

21、作石膏板的过程中，加入相变材料。4.1.2 相变储能混凝土相变储能混凝土是以混凝土材料为基体的复合相变材料的智能混凝土。相变储能混凝土应用于建筑节能领域，具有普通混凝土材料所无法比拟的热容，利用它作外墙体材料，将有利于室内温度的稳定，从而改善热舒适性，达到节能的目的。4.1.3 保温隔热材料建筑保温隔热材料是建筑节能的物质基础。根据相变材料的相变储能原理，在保温隔热材料中掺入相变材料来制备高效节能建筑保温隔热材料，是最近几年来在建筑节能领域中受到广泛重视的课题。目前，国内研发的相变蓄能材料13采用在保温隔热材料基体中掺入少量相变材料的方法来制备用于节能建筑外围护结构的高效节能型建筑保温隔热围护

22、材料。掺入相变材料不仅提高了轻质材料的蓄热能力，而且改善了材料的热稳定性，提高了材料的热隋性，同时不影响材料的强度、粘结能力、耐久性等性能。高效节能型建筑保温隔热围护材料对保温、隔热性能有双重要求，关键是要使节能建筑外围护结构既具备良好的保温性能，又能有很好的蓄热能力，在保温和隔热性能要求中寻求经济可行的平衡点。4.2 相变涂料用含相变材料的微胶囊制备涂料，或用多孔超细材料复合作为涂料的主要填充介质制备涂料，具有创新性。这种涂料可以用在新建建筑中，也可以用来提升老房屋的储热能力，有利于相变储能建筑材料的推广使用。目前，中国建筑材料科学研究院利用多孔超细SiO2等材料复合作为隔热涂料的主要填充介

23、质，开发出低成本高隔热性的涂料【7】。4.3 相变蓄热地板相变材料在地板中的应用，一般都会结合电加热方式，以组成电加热相变蓄热地板采暖系统。地板采暖使得室内水平温度分布均匀，垂直温度梯度小，不仅符合人体“足暖头凉”的需要，而且采暖能耗较低，接近理想的采暖方式。叶宏【8】等人模拟了带定形相变材料的相变贮能式地板采暖系统的热性能，该定形相变材料以石蜡为主体、高密度聚乙烯为载体。结果表明，定形相变材料的上、下表面温度在绝大部分时问内均在相变温度附近，温度波动很小，具有良好的热舒适性，可以在夜间利用廉价的电能进行贮热，以提供全天的采暖。5 展望传统的相变材料主要通过固液相变材料进行储能和释能。随着纳米

24、材料和纳米技术的发展，研究人员也有利用插层法在层状硅酸盐中插入有机相变材料制备出有机/无机纳米复合相变材料。有的利用溶胶凝胶法采用二氧化硅作母材 , 有机酸作相变材料 ,合成三维网状纳米复合材料，具有良好的储热能力。将纳米技术与复合相变蓄热材料结合，制备新型、高效的纳米复合材料蓄能相变材料，对提高能源利用效率、保护环境具有十分重要的现实意义。目前，关于相变材料的研究和应用还有很多工作要做，它们的分子结晶态及能量的转变过程机理 还有待进一步探明，其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。但是，由于其相变过程独有的优点，可以预见，固固相变材料在建筑节能领域将是很有应用前途的一类相变材料，相变墙体的出现将对储能材料的建筑节能有很大的推动作用 ,使 居民住房逐渐走向绿色环保化。同时由于矿物具有天然多孔性能 ，固固相变储热材料也将和矿物有更紧密的结