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 4.廿参考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1.1 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.1.1.1 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AB・nH20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100°C,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CaCl2・6H20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190~1280°C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，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1.1.2 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， 为直链烷烃混合物，其相变温度会随分子量增大而升高(4.5~68°C), 其熔融焓则随组分不同而变化(152~244kJ/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 -15~81C,相变焓范围为45~210kJ/kg[8,17],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 醇具有较高的相变温区90~200C,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、赤藓醇和甘露 醇等是该家族中熔融焓较高的成员聚乙二醇(PEG)拥有-CH2-CH2-0- 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117~188kJ/kg[19,20],是聚合物类PCM的重要成员PEG的相变温度为4~70°C,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PCM[14,22,23]. 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，贝煬发生固-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];(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 氰酸酯反应，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PCM[29].1.1.3 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，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 联不同的PCM[31];(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PCM[34,35].纳 米复合，则是指利用特殊的纳米尺寸效应，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].1.2 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，可米取特定技术措施 加以克服［3137］.2、PCM在建筑节能中的应用2.1 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 • 6H20 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25~36°C炎热气候下提供良好的舒适度。
当然，也可依靠PCM 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。