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1、相变材料夏红芳 环境工程一班 2220083741摘要：由于全球能源和环境问题的日益加剧，能源节约和环境的改善已成为当今迫切解决的问题，相变节能材料受到很大重视和广泛研究。本文主要介绍了相变材料的概念、特点、恒温机理及分类，然后讨论了它在各领域的主要运用，并展望了其良好前景和未来研究的方向。关键词：相变材料 节能 恒温 建筑 采暖1 前言近年来，随着全球能源危机的日益加剧，节约能源、有效利用能源逐渐成为人们追求的目标。相变材料的节能应用很早就受到重视，许多发达国家对此进行了大量的研究和开发1。我国的科研机构亦对此课题进行大量的研究并发表了许多论文。但由于生产材料的成本过高和稳定性等原因，其应用
2、受到限制。近年来由于材料的研究取得重大进展，相变材料的成本大大降低，稳定性也已达到上万个相变周期而不改变其特性，这使得应用相变材料节能达到了实用阶段2。从可持续发展战略出发，研究如何在满足当前经济飞快发展的需求，尽可能地提高对能源的有效利用率，对于当前的能源形势具有重大的意义1。 2 相变材料相变材料PCMs( Phase Change Materials)是指在一定狭窄明确的温度范围， 即通常所说的相变范围内可以改变物理状态，如从固态转变为液态或从液态变为固态的材料3。在相变过程中，体积变化很小，热焓高，因此以潜热形式从周围环境吸收或释放大量热量，热的吸收量或释放量比一般加热和冷却过程要大得
3、多，而此时PCMs的温度保持不变或恒定。因此它是一种利用相变潜热来贮能和放能的化学材料。我们最常见的相变材料非水莫属了，当温度低至0C 时，水由液态变为固态（结冰）。当温度高于0C时水由固态变为液态（溶解）。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量。冰的数量（体积）越大，溶解过程需要的时间越长3。这是相变材料的一个最典型的例子。从以上的例子可看出，相变材料实际上可作为能量存储器。这种特性在节能，温度控制等领域有着极大的意义。因此，相变材料及其应用成为广泛的研究课题。3 相变材料的分类相变材料并不是科学家发明的一种新型材料，而是以各种形式存在于自然界中。迄今为止，已有
4、超过500 种的天然和合成相变材料被人们掌握和了解4。按相变材料的科学属性划分，相变材料一般可以分为：无机水合盐相变材料、有机相变蓄能材料、复合相变蓄能材料。3.1 无机类无机类相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类等其中最典型的是结晶水合盐类，它们有较大的熔解热和固定的熔点(实际上是脱出结晶水的温度变化: 脱出的结晶水使盐溶解而吸热， 降温是其发生逆过程，吸收结晶水而放热)。通常是中、低温相变蓄能材料。具有代表性的有：Na2SO410H2O ， MgCl26H2O 等水合盐类。无机类相变材料通常具有使用范围广、导热系数大(与有机类相变材料相比)、溶解热较大、密度大(单位体积的储热密度大) 、一
5、般成中性、价格较便宜等优点。但是， 这类材料通常存在过冷现象、相分离两个问题4。3.2 有机类有机相变蓄能材料是利用晶体之间的转变来吸热或放热，典型的有石蜡、酯酸类和高分子化合物。有机类相变材料具有的优点有: 在固体状态时成型性较好，一般不容易出现过冷现象和相分离。而缺点是: 导热系数小，单位体积的储能能力较小，熔点较低，不适于高温场合中应用4。3.3 复合类复合相变材料主要指性质相似的二元或多元化合物的一般混合体系或低共熔体系,形状稳定的固液相变材料,无机有机复合相变材料等514。复合相变蓄热材料一般有分为两种，一种利用无机物作为网络状基质以维持材料的形状、力学性能，而有机物作为相变材料嵌在
6、无机网络结构里面，这样通过有机物的相变来吸收和释放能量；另一种纤维复合蓄热材料，它是将导热纤维制成蓬松团置入金属容器或模腔中，并加入相变蓄热材料的复合材料。复合相变材料既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。但是混合相变材料也可能会带来相变潜热下降，或在长期的相变过程中容易变性等缺点。此外，还有一些其他分类方法，按相变温度的范围， 将相变材料分为三类: 高温、中温和低温相变材料。按相变材料的组成成份将相变材料分为两类: 有机类和无机类。按相变的方式， 将相变材料分为四类:固固相变、固液相变、固气相变、及液气相变材料。由于后两种相变
7、方式在相变过程中，伴随有大量气体的存在，使材料体积变化较大。因此，尽管它们相变焓较大，但在实际中很少应用4。常用的就是固固相变和固液相变材料。4 相变材料蓄能机理相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态，发生吸热和放热的反应。当环境温度高于某相变温度时，材料吸收并储存能量，以降低环境温度；当环境温度低于某相变温度时，材料释放储存的能量，以提高环境温度。以固液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，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要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变6。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变
8、潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大7。5 相变材料运用5.1 在建筑材料中目前，采用的相变材料的潜热达到17OJg左右，而普通建材在温度变化1时储存同等热量将需要190倍相变材料的质量。因此，相变材料具有普通建材无法比拟的热容，对于房间内的气温稳定及空凋系统工况的平稳非常有利。目前关于此类问题的研究主要集中在将PCMS 掺入到传统建材中，在不改变其相应力学性能和抗蚀性能的前提下，提高其储能效果1。要实现相变储能材料与建筑材料之间的结合，目前经常使用的方法有以下两种1：直接渗入法此种方法操作简单，经过改
9、性处理的固液相变材料和固固相变材料可以直接掺入建筑材料基体中；间接渗入法间接渗入法主要是先将相变材料吸入多孔材料、聚合材料以及微胶囊中，制备成定形相变材料后，再与混凝土、石膏等建筑材料结合起来。用于低能耗建筑的理想相变材料应满足以下要求13: (1)相变材料的相变温度要符合室内设计温度；( 2)足够大的相变潜热；(3)相变时膨胀或者收缩要小；(4)相变的可逆性要好；(5)无毒性、无腐蚀性；(6)原料廉价易得。将相变材料掺入到现有的建筑材料中，制成墙板、地板、天花板等建筑结构，具有良好的蓄热性能。使用相变储能材料作为建筑的外壳围护结构，不仅可以大大增强围护结构的隔热功能，提高能源的利用率。而且还
10、能减弱建筑物室内和室外之间的热流波动幅度，延迟作用时间，从而降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，节约能源；提高墙板的蓄热能力，减少建筑物负荷和温度波动，改善室内环境舒适度。相变储能建筑材料兼备普通建材和相变材料两者的优点，能够吸收和释放适量的热能；能够和其他传统建筑材料同时使用；不需要特殊的知识和技能来安装使用蓄热建筑材料；能够用标准生产设备生产；在经济效益上具有竞争性。5.2 在采暖、制冷工程中 相变材料的恒温特性还广泛运用于地板采暖装置、蓄热器装置、无能耗住宅采暖系统；无制冷机空调系统、被动制冷式住宅空调补助系统。主要在提高太阳能的利用率，储能方面研究较为广泛。5.2.1 相变储能材料采暖
11、地板相变储能采暖地板是通过将相变材料与地板材料基体复合制成的储能地板。用于相变储能材料采暖地板的相变材料应满足以下条件：其相变潜热比较高，否则采暖效果不明显，经济效益差；其相变温度必须在地板采暖容许范围内，不能太高或太低；相变材料化学性质稳定、长期循环不变质，不泄漏，与建材相容等8。Farid等采用微胶囊技术封装的做相变材料制备相变储能地板，并比较了此相变储能地板与普通地板的热性能。结果表明相变储能地板的表面温度波动小，热舒适性较好。叶宏等研究了利用一种定型相变复合材料作为储能介质的地板辐射采暖系统，结果表明采用熔点在32左右的定型PCMS，室内温度波动很小，并可大大简化控制系统。而且相变储能
12、采暖地板提供了更大的采暖面积，使室内水平温度分布均匀，垂直温度梯度小。同时相变储能地板还可以利用低品位的热源或太阳能以及夜间廉价电运行，提供全天的采暖，减少了采暖地板结构厚度，减轻建筑物自重，具有节降耗和提高舒适度的作用8。5.2.2 带相变蓄热器的空气型供暖系统带相变蓄热器的空气型太阳能供暖系统，空气分别在太阳能集热器、相变储热器，负荷、相变集热器之间进行两个循环。相变集热器是一个有多个通道的结构，通道间用相变蓄热材料隔开，空气在通道内流动。相变材料在白天可以储存太阳能，在晚上可以加热通道内的空气，从而对房间进行取暖，从而提高了太阳能（不稳定，夜间没有辐射，而且随着天气、气候、季节的变化辐射
13、量也不同）的利用率8。5.2.3 冷藏系统在冷藏系统中，主要以Na2SO410H2O、NH4Cl和KCl的混合物作为相变储能材料代替传统的换热体系，能够提高冷藏系统的性能，有利于缓解高峰制冷负荷、克服开门期间的能量损失和满足较长停电期间的制冷需要。5.3 其他领域随着研究的不断深入，相变材料应用的深度和广度都将不断拓展。相变储能材料在电子通信、日常生活、纺织服装等领域都有应用。以下是几个最新研究：图 1图1杯中的金属豆称为朱丽叶（Joulies），每个朱丽叶豆都是一个小小的金属外壳，是食品级抛光不锈钢，内装相变材料，这种材料在摄氏60度时就会融化，然后开始散热，可以使饮料长时间保持理想温度。让
14、杯子里饮料温度总是正好喝9。图 2图2为人体恒温背心。在传统的空调不可能运行的环境下，利用相变材料的特性、结合产品的超前设计和产品实用性及数千次产品重复使用的特点，为工作环境极端恶劣的人，提供一件可以在一个特定时间内维持人体感觉舒服的温度的背心，保证工作的效率及身心的健康10。图 3图3为笔记本恒温垫。该恒温垫是采用相变时的温度为28的相变材料，当环境温度在28时进行相变，恒温垫将吸收大量CPU散发的热能，延迟散热风扇的启动时间，保证工作环境的安静，保证电池的正常寿命；同时保证了CPU的正常操作及工作顺畅。采用的相变材料相是无毒、无腐蚀、阻燃、对环境无害的。它利用自然温度循环冷却，无需额外电源
15、，减低散热风扇所引起之噪音，延长电池操作时间和寿命，保持电脑在最佳温度环境下运作11。图 4图4为类脑计算机。该计算机只要受到电流或光脉冲，“相变合金”，这种合金可以从非晶态转变为完全结晶状态，就是可以反复变换非晶态和结晶状态，这样做可诱发的导电性差异高达五个数量级，而且有很大的折射率（refractive index）变化。电子元件能同时存储和计算数据，就像生物神经元一样，这就铺平了道路，可以制成全新的计算机，就是能够学习和适应的计算机。而传统电脑内存和处理单元分离，数据必须不断地在两者之间往返分流，因而形成瓶颈，使一切运算都慢下来，而且浪费大量电力。这一点得到解决12。6 应用展望上世纪70 年代能源危机以来，相变储能的基础和应用研究在世界发达国家迅速崛起并得到不断发展，到今天已经取得了很大的成就，已逐步进入实用阶段，主要用于控制反应温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热2。低温储能主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统。高温储能用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面。此外，固一固相变蓄热材料主要应用在家庭采暖系统中；把它们注入纺织物，可以制成保温性能好、重量轻的服装：可以用于制作保温时间比普通陶瓷杯长的保温杯：含有这种相变材料的沥青地面或水泥路面，可以防止道路、桥梁结冰。因此，它在工程保温材料、医疗保健产品、航空和航天器材
