建筑节能中相变材料的运用探究

1、建筑节能中相变材料的运用探究相变储热技术利用物质相变潜热对能量进行科学贮存和利用，是理想的建筑节能方法，下面是搜集的一篇相关论文范文，欢迎阅读引言随着人类生活水平的不断提高，建筑能源消费增长迅速。以发 展中国家为例，其建筑能源消费增量极为惊人，早就超过发达国家能 源总消费量的20%1.建筑节能已经成为能源安全与可持续发展战略 的重要环节，是当今活跃的研究方向之一2,3.相变储热技术利用物 质相变潜热对能量进行科学贮存和利用，不仅能解决和缓解能量在时 间、空间、强度及地点上转换和供需的不匹配，既方便高效利用能源 又利于节能减排，而且还具有温控系统装置简单、维修管理方便和性 价比高等优点，是理想的

2、建筑节能方法4-7.凡物理性质会随温度变 化而改变，并能提供潜热的物质，均是相变储热材料，简称为相变材 料(Phase change materials,PCM).PCM是相变储热技术的核心物质， 其性价比关系该技术的应用前景。因此，研究高性价比的PCM，往往 是开发相变储热技术的关键。已有诸多文献详尽报道了 PCM的研究进 展4-11,然而，只有少数文献扼要介绍PCM的建筑节能应用12,13.本文将系统介绍相变材料及其在建筑节能中的应用研究进展。1、PCM的分类与选择PCM的分类按化学成分，PCM可分为无机、有机和复合型3类;按相变形式， 常分为固-液、固-固、液-气和固-气型4类;按相变温

3、度，又可分为 低温、中温和高温型3类;按储热方式，还可分为显热、潜热及反应 储热型3类9.以下按化学分类法介绍PCM.无机 PCM无机PCM主要有水合无机盐、无机盐、熔盐和金属合金。水合 无机盐可用ABnH2O通式表示，在相变时会脱水，并转化成含水更 少的盐，其相变温度一般低于100C,适用作低温PCM,主要有碱金属、 碱土金属的水合卤化物、氯酸盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐 和醋酸盐等，其中，以CaCl26H2O的性价比为最高，应用最广14. 不一致熔融是此类PCM的通病，表现为释放的水不足以完全溶解相变 过程所形成的盐，易产生密度差、相分离和沉淀等不利应用的负面问 题，通常需加入胶凝剂

4、或增稠剂加以解决。成核能力差，使用过程易 出现过冷是它们的另一缺点，添加成核剂或保留少量晶体充当成核点 是常用的克服方法。此外，它们在使用时一旦泄漏，还容易腐蚀设备 与装置。无机盐主要包括锂、钠、钾、铝和镁的卤化盐、硝酸盐、碳酸 盐及氧化物，可满足1901280C的相变温度需求14.但是，单一无 机盐的熔程较窄，因不含有结晶水，所以通常会将多种无机盐混合形 成共晶熔盐，这样一则调节相变温度和储热量，二则减少体积变化， 改善传热并降低成本15.熔盐PCM具有饱和蒸汽压低、使用温度高、 热稳定性好、对流传热系数佳和价格低廉等优点，但是它们的导热系 数低、高温腐蚀性强。铝、铜、镁、锌的二元和三元合金

5、，具有导热 性好、相变潜热大、热稳定性高，体积变化小和无过冷等优点，可以 弥补前述无机盐PCM的不足;但是它们的成本较高，也有高温腐蚀性 问题。有机 PCM按分子量，有机PCM多分为：（1）低分子类，如脂肪烃、脂肪酸、 糖醇和酯等，主要发生固-液相变；（2）聚合物类，如聚烯烃、聚氨酯、 聚多元醇以及它们的共聚物，主要发生固-固相变。固体成形好、腐 蚀性小、过冷少且不易发生相分离是有机PCM的优点5;但是它们的 导热系数小、热稳定性差、可分解燃烧，且在使用过程中易发生泄漏 或老化失效，往往需要添加导热剂和封装加以避免8.石蜡是最常用的有机PCM,具有CnH2n+2(20WnW40)分子通式， 为

6、直链烷烃混合物，其相变温度会随分子量增大而升高(4.568C), 其熔融焓则随组分不同而变化(152244kJ/kg)16;商用石蜡的相变 温度与熔融焓通常在55 C上下和200kJ/kg左右。石蜡无反应活性， 不腐蚀金属，使用金属容器封装比较安全;若选用高聚物尤其是聚烯 烃容器，必须考虑其渗透与溶胀对容器性能的劣化影响。石蜡PCM最 大的不足是热导率太低，无法提供所需的热交换比率，通常须添加导 电性粒子加以克服14.脂肪酸是非石蜡PCM的代表，其相变温区为 -1581C，相变焓范围为45210kJ/kg8,17,常见的有辛酸、癸酸、 月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸等。脂肪酸PCM具有如下优

7、点： (1)多自然，可生物降解，污染小；(2)可全等熔化，熔融焓高；(3)化 学及热稳定好，在数以十万计的热(熔化/冻结)循环过程中无显着热 解；(4 )具有较佳的熔化-冻结重现性，很少或基本无过冷行为17. 然而，脂肪酸比石蜡贵，有轻度腐蚀性，并具有不愉快气味。脂肪酸 的酯衍生物可在较窄的温度区间实现固-液转变，并且其混合物还能 形成共晶，类似于许多无机熔盐，所以很少或基本无过冷行为。因此， 酯也是潜在的理想PCM，常见的主要有硬、软脂酸的甲酯、异丙酯、 正丁酯、十六酯和甘油三酯等，以及它们的共熔混合物。值得注意的 是，甘油三酯在应用时容易出现多态相变，而一元酯则不会14.糖 醇具有较高的相

8、变温区90200C,是潜在的中温有机PCM,尽管已有 四十多年的研究历史，但至今受关注仍不高。木糖醇、赤薛醇和甘露 醇等是该家族中熔融焓较高的成员。聚乙二醇(PEG)拥有-CH2-CH2-O- 重复单元，为半结晶聚合物，结晶度可达83.8%96.4%18，具有较 高的熔融焓117188kJ/kg19,20,是聚合物类PCM的重要成员。PEG的相变温度为470C,随其分子量增加而升高;为拓宽其相 变温区，常将PEG和脂肪酸共混，同时共混还利于提高其熔融焓21.与多数有机PCM 一样，PEG最大的问题也是热导率较低。以上列举的均是固-液型PCM,它们的相变体积变化大且易发生 泄漏。固-固型PCM可

9、以弥补它们的不足，但成本较高;多元醇、改性 聚乙二醇、烷基铵、聚烯烃和聚氨酯等均可用作固-固PCM14,22,23. 季戊四醇、甘油、三羟甲基乙烷、三(羟甲基)氨基甲烷、新戊二醇和 2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇等是常见的多元醇，它们在低温下几乎都 呈异质相，但是当温度升到其固-固相转变温度时，它们都会形成一 个正面心立方晶相以吸收氢键能。改性聚乙二醇主要是指：PEG与淀粉或纤维素(含纤维素酯及醚)的物理混合体或化学接 枝物，它们的相变行为具有如下特点：(1)物理共混改性时，倾向于 液-固相变，而化学接枝时，则易发生固-固相变24;(2)PEG为共混 物的少组分，方可实现完全固-固相变25

10、;(3)物理共混物的相变焓 主要由其体系内氢键的强度和数量决定26;(4)接枝改性PEG的相 变主要发生在侧链上的晶态与非晶态PEG间，并且其相变温度还可通 过改变侧链PEG的分子量来调节27.共聚合改性，可大大改善PEG 的热稳定性，但是难度大、成本高23.让多元醇、PEG分别与多异 氤酸酯反应，均可衍生为聚氨酯(PU);此类PU的相变行为与接枝改 性PEG的类似28.此外，有报道称高密度聚乙烯和反式1,4-聚丁二 烯也是潜在的固-固PCM29.复合 PCM单一无机或有机PCM 一般都有缺点。将性能具有互补性的两种 及以上材料复合，不仅可赋予材料更全面的性能，利于改善应用效果、 拓宽使用范围

11、，而且能降低成本10.因此，复合PCM往往更具实用 价值和市场空间。按状态通常将复合PCM分为混合PCM和定型PCM两 大类9.前者制造简单、相变温度易调，但是容易泄漏，需要封装， 否则使用不安全30;后者是利用胶囊、多孔或插层等基材作为支撑 将相变物质包封于微小空间内，具有无需封装、使用安全等优点，但 是制备工艺复杂、成本高。通过复合来强化传热是PCM研究的焦点，主要依托物理组合、 物理共混、化学改性、微胶囊包封和纳米复合等技术。所谓物理组合， 是指根据实际需要在空间上对不同性能的PCM作特殊的排列与组合， 主要有4种方式：(1)沿传热方向串联不同的PCM;(2)沿 垂 直传热 方向并 联不

12、同的PCM31;(3)将PCM填入传统材料的孔穴中32;（4）金属肋片与PCM同用。物理共混，是指通过添加微纳米尺寸 的金属、石墨、碳纤维和聚苯胺等物质来改善PCM的导热性能。化学改性，主要是指：（1）二元或多元无机盐的混合，（2）有机- 无机接枝或杂化，（3）单体共聚合改性，（4）掺杂制备金属合金。微胶 囊包封，是以相变物质为芯，用金属、陶瓷、高分子或聚合物等作膜 壁将芯包埋在微小而密封的胶囊中33;多以密胺树脂、脲醛树脂、 酚醛树脂和聚烯烃共聚物作膜壁;当壁材与相变物质极性接近时，也 可以通过物理共混来包封，得到类似于微胶囊包封的PCM34,35.纳 米复合，则是指利用特殊的纳米尺寸效应，

13、通过调节或改变聚集态结 构，以改进PCM的综合性能，包括储能效率、使用寿命、力学性能和 相变温区等36;例如，纳米流体37和纳米胶囊38等新型PCM性 能优异，正引领着相变储热技术发展的新方向39.PCM的选择通则综合权衡其在化学、热力学、动力学和经济性等多方面的性能， 是选择PCM的基本原则11.首先，要有相对的化学稳定性，经反复 使用性状不发生质的改变;并且安全无毒害，不易燃爆，腐蚀性小， 无挥发或扩散污染。其次，符合热力学性能要求，熔沸点高，难挥发 损失;密度大，单位体积储热量大，且相变过程体积变化小;导热性好， 相变温度合适、潜热高，且相态转变均匀有序。再次，满足动力学性 能要求，相变

14、速率快、可逆性好，结晶时速度要快，凝固时过冷度应 小，熔化时宜无过饱和。最后，还要适应商业经济规律，不仅要原料 易得，成本低廉，而且还要满足技术性能要求，具有良好的工业价值。 然而，在实际中，很难研发或寻找完全符合上述原则的PCM，通常是 优先考虑相变温度合适、相变潜热高和价格低廉，然后再去考虑其它 因素。具有局部性能缺陷，是诸多PCM的共性，可采取特定技术措施 加以克服3137.2、PCM在建筑节能中的应用PCM在建筑节能中的作用2.1.1供冷或供热供冷，即依靠PCM利用天然冷源为建筑制冷，适用于昼夜温差 较大以及常年或冷季仍需要供冷的建筑，如配电房、计算机房、大型 商场以及大型办公建筑内区

15、等。PCM在其中主要起按需存储与释放冷能的作用，通常是夜间凝 固存储冷能，而白天熔融释放冷能（从照明、供暖和通风等系统吸收 热量，使建筑冷却）6.PCM供冷系统不仅节省人工制冷能耗，利于 减少温室气体排放，而且还可改善人居舒适度。Walsh B P等40将水合无机盐PCM引入工业蒸发冷却系统，用于夜间存储冷能，经模拟计算发现，PCM在高峰期可减少67%冷冻机组的运行。Mosaffa A H 等41用 10mm 的 CaCl2 - 6H2O 基 PCM 板将 3.2mm 矩形通气孔隔开，设计了一种宽1.3m类似百叶窗的供冷系统，该系 统能在2536C炎热气候下提供良好的舒适度。当然，也可依靠PC

16、M 利用天然热源为建筑制热，不妨称之为供热。值得强调的是，供热在 原理上同供冷是一样的，只不过从节能效果上看，它节省的是人工供 热能耗，而后者节省的是人工制冷能耗。2.1.2削峰填谷削峰填谷主要是指将电力高峰负荷的用户需求转移到电力低谷 负荷时段。通过电控系统使PCM建材在非高峰期存储热能或冷能，而 在高峰期间将其释放出来，是实现削峰填谷的主要途径。削峰填谷可 在很大程度上缓解建筑能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，对加 强电力需求侧管理以实现建筑节能具有重大意义。闫全英等30往复合辐射供暖板的硅钙板结构层中添加石蜡基PCM,大大提升 了该地板的储热能力，经数值模拟分析发现用该地板构建的供暖系

17、统 不仅能节约电费，而 且还可以起削峰填谷作用。Jin X等42将熔融温度分别为38C和18C的PCM材料串联， 依次作为供热与制冷层，获得了具有削峰填谷功能的双层 PCM地板：当PCM熔融焓均为150kJ/kg时，该双层PCM地板在高峰 期供热或制冷所放吸的能量分别比同质无PCM地板高41.1%和37.9%.PCM在建筑中的节能方式2.2.1被动式节能被动式节能是指建筑物本身通过各种自然的方式来收集和储存 能量，使之与其周围的环境形成能量自循环系统，而不需要耗能设备 支持即能充分利用自然资源，进而可明显减少传统能耗，在现代建筑 设计中往往被优先考虑43.被动式建筑系统最大的不足就是容易过 热

18、或过冷，用PCM建材完全或部分替代传统建材，可显着降低被动式 建筑系统的过热或过冷的年小时数，从而改善人居舒适度，并利于节 能减排。Sage-Lauck J S等44用仪表监控并研究一栋两层复式公寓的 室内环境质量指标和建筑能源使用状况，该复式公寓呈镜像平分为两 个单元，其中一个单元安装有130kg的PCM,另一单元则没有;经观测 数据分析和计算模拟评估，他们发现安装PCM能将公寓全年的过热小 时数减少1/2,极大改善了舒适性。Castell A等45用石蜡填充的PCM砖构建被动式建筑节能系统，经比较研究发现，PCM砖较普通砖 具有更好的储热能力，能缓冲温度变化，减少主动供能干预，从而在 单个

19、夏季可节省15%的电耗，每年则会削减11.5kg/m2的CO2排量。2.2.2主动式节能主动式节能是指利用各种机动设备组成主动系统来收集、转化 和储存能量，以充分利用太阳能、风能、水能、生物能等可再生能 源，同时提高传统能源的使用效率43. 利用PCM良好的储 热与散热性能，构建主动式加热、通风及空调系统，尤其适用于建筑 节能46.由于被动式和主动式节能方法相辅相成、密切联系、难以 界分，所以已被研究的主动式节能系统几乎都是兼有被动式和主动式 节能机制。将两种节能机制联用的潜在益处还在于既能提高节能效率， 又可削减机动设备成本。李建等47设计了一种电加热相变地板供暖 系统，自下而上由保温层、电

20、加热层、石蜡-石膏相变层和覆盖层组 成，集被动式和主动式节能机制于一体;该系统储热能力好，可平缓 室内气温变化，能改善人居舒适度，且比普通地板供暖系统更省电。Belmonte J F等48用石蜡基PCM复合的地板、天花板，搭建 了兼有水力辐射制冷系统和空气热回收系统的模型房屋，并对其建筑 能耗做了模拟研究，结果表明使用PCM可使模型房屋对制冷需求减少 了 50%以上。PCM在建筑节能中的应用形式将PCM与传统建材复合成PCM建材后，再用于建造建筑，是PCM 在建筑节能中的主要应用形式;常用复合方法有13:(1)直接加入法， 将PCM与水泥、石膏、砂浆和混凝土等直接混合(2)浸渗法，将混凝 土、

21、砖块和墙板等浸泡在液相PCM中，通过毛细管作用吸收PCM;(3) 封装法，包括吸附封装和微胶囊封装，吸附封装是以吸附和浸渍的方 式将PCM吸附到膨润土、膨胀石墨、膨胀珍珠岩等多孔材料中，制备 成颗粒型PCM建材;微胶囊封装则是往粒径为11000 um的颗粒PCM 表面包覆一层天然或人工合成的高分子薄膜，然后再将微胶囊PCM掺 入、吸附或填充于传统建材中。PCM流体PCM流体主要由PCM颗粒和传热流体组成，可 以相变微胶囊浆液或相变乳液形式存在;它为潜热功能流体，具有两 相热转换，在相变温度范围内较传统单相的热流体具有更大表观比热， 并且PCM流体还会显着增大流体与管壁之间的传热速率，减少泵的质

22、 量流率和能量消耗。因此，PCM流体在加热、通风、空调、制冷和热 交换等方面具有许多潜在的重要应用49.已工程化应用的PCM流体 主要有3类：(1)相变浆液，其相变元件是微胶囊或球状的定形PCM, 悬浮于传热流体中;(2)可熔乳液，用表面活性剂将PCM悬浮分散于流 体载体中；(3)冰浆50.PCM 砂浆相对于普通砂浆，PCM砂浆往往具有更好的调温、保温和隔热 性能，更高的抗压强度和碳化深度。柯倩倩等51用改性硅酸钙粉末 包覆的石蜡/膨胀珍珠岩PCM,与水泥砂浆复合获得了 PCM砂浆，该PCM 砂浆具有良好的调温性能，可以降低室温波动和减小最大温度值，并 且PCM掺量越大，调温效果越明显。Ven

23、tolaL等52掺用5%15%石蜡基PCM改善了石灰砂浆的综合 性能：相变焓增高了 14.3527.15kJ/kg,抗压强度提升近2倍，碳化 深度则升高超2倍。聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、叔碳酸乙烯酯、乙烯基 共聚物等与传统砂浆相容性好，若以这些聚合物作为PCM的微胶囊壁 材，还可以改善砂浆的粘合性、抗裂性及韧性12.然而，所掺的PCM 若为可燃物或含有可燃包覆层，PCM砂浆的阻燃性能将会下降，故此 时掺量不宜过大，例如商用GR27PCM的掺量高于25%时 较 易 燃， 所得PCM砂浆只适用于低级防火场合53.PCM 混凝土PCM混凝土的储热、散热与调温性能好，应用范围广，已受到 20多年的高度关注

24、54.朱祥等55以稻秆、水玻璃胶和Na2SO410H2O为原料，经浸渍-模压法，制备了 PCM板，再将该板 插入带有槽型孔的混凝土砖中，得到PCM组合混凝土砖;经测试发现 将预制的PCM板与混凝土多孔砖组合，能改善原混凝土砖的保温性能， 但是效果不显着，主要是因为这种简单方式的组合，一则无法达成 PCM混凝土结构均一，易引发受热与传导的不均，二则PCM于混凝土 的负载量受限，结果其储能效果欠佳。填充式组合能有 效提高PCM在混凝土中的负载量，因此更利于改善混凝土的保温性 能。Karim L等34在100C以上，将石蜡、1315碳烷烃和苯乙烯 -丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物作物理共混与包封处理，得相

25、变温度为 27C、熔融焓为110kJ/kg的石蜡基PCM;再将该石蜡基PCM填入混凝 土空心地板（方形，28cmX28cmX3.75cm）的孔穴（圆柱形，直径2.5cm, 深28cm）中，制得能够较好地缓冲温度变化的PCM混凝土板，该板适 用作轻质保温建材。采用多孔材料吸收液体PCM,先制成相变骨料， 再将骨料与普通混凝土复合，则更有利于克服结构不均的问题，从而 益于获得储能效果更好的PCM混凝土。张东等56将吸附硬脂酸丁酯的超轻膨胀粘土陶粒作相变骨料， 研制出储能功能与商业相变材料相当的PCM混凝土，能较好满足实用 要求。当然，选用多孔材料制作相变骨料时，一定要注意其结构特征对PCM吸附量*

26、，因为由其衍生的PCM混凝土的储能效果会随PCM 体积分数的增加而呈指数形式增加56.与PCM砂浆类似，引入PCM可能会劣化混凝土力学强度、长期 稳定性和阻燃性能等;若原料及方法选用得当，这些劣化影响均可降 至最低或消除57.李宗津等58 选用硅藻土作相变细骨料，研发石 蜡相变水泥基复合材料，经测试发现该材料的综合力学性能不仅大大 好于普通混凝土，而且也明显优于经聚乙烯醇纤维强化的同类水泥基 复合材料，主要归因于硅藻土具有火山灰活性，用其所制的含石蜡骨 料与水泥具有很好的相容性;又由于采用细骨料，复合体结构的均匀 性被明显改善，所以该材料还具有储能效果好和保温性能高等优点。Lepte T等59

27、则以1720um粒径的十八烷为PCM,选取细颗粒 的水泥、砂和砾石等作原料，采用先干粒料预混、再加入高效减水剂、 后低速掺混PCM的三步工艺制备了 PCM混凝土，经测试发现该PCM混 凝土的保温性能和力学强度均很好，这主要受益于严格选料及采用三 步混合工艺。PCM砖在制备免烧砖时直接掺入PCM,或将PCM填入多孔 烧结砖的孔穴内，即可获得PCM砖。掺混型PCM砖具有制备工艺简单， 热性能易调节等优点，但是力学强度欠佳。填充型PCM砖含有烧结砖 体，可保持良好力学强度，但是，PCM类型、填充量及填充位置均会 影响其热性能60.Alawadhi EM等61将烷烃基PCM填入普通圆孔 砖，研究了 P

28、CM类型、填充量及填充位置对所得PCM砖热性能*， 结果发现:正二十烷PCM的热性能优于石蜡P116和正十八烷PCM;PCM 砖调节室温能力随着PCM填充量的增加而变强;PCM填充于砖的中心 线位置，既能保持砖的强度，又会赋予PCM砖较好的热效能，可使室 内热通量较无PCM填充时减少17.55%.PCM 石膏在等同的热环境条件下，PCM 石膏墙板比普通石膏墙板具有更 强的蓄放热与调温能力，在内隔墙、内墙贴面、天花板和外围护结构 等有着广泛的保温节能应用价值62,63.李鸿锦等64基于焓法数 值模型，利用Fluent软件模拟研究了月桂酸-癸酸基PCM石膏板于夏 热冬冷地区的隔热性能与节能效益，结

29、果表明，该PCM 石膏板 的潜热利用率为38.7%，其所构成的墙体比普通墙体约节能 27.6%.随着PCM复合量的增加，PCM石膏建材的节能效率通常会变大， 但是其力学强度、热稳定性反随之下降，因此，PCM复合量不宜过高 65,66.曾令可等67先采用溶胶-凝胶法制备脂肪酸/二氧化硅PCM, 再将之与半水石膏粉和硅藻土等复合，制备7PCM石膏板，该板在 PCM用量为15%时具有较好的综合性能。PCM 陶瓷黎涛等68 以石蜡为芯材，水性环氧树脂为壁材，通过化学聚 合法先制得PCM胶囊，再将该胶囊填充空心陶瓷板的内夹层，经测试 发现，引入PCM胶囊后，陶瓷板变得具有调温性能，在吸热与放热过 程的最大调温值分别为3.7 C和3C。PitieF等69 则用SiC封装硝酸盐，制备了微尺寸PCM陶瓷，