相变材料

1.2.相变材料的封装定型技术
◆微胶囊封装 微胶囊相变材料是指在固-液相变材料微粒表面包覆一层性能稳 定的高分子膜而构成具有核壳结构的新型复合相变材料（图5）。 ◆与高分子聚合物熔融共混定型 这种方法是指在高于高分子聚合物熔点的温度下 ，对相变材料 和高分子聚合物进行熔融共混 ，当冷却至室温时 ，相变材料均 匀地分散在已固化的高分子聚合物中 达到定型的目的。 ◆多孔材料吸附定型 采用多孔材料吸附相变材料是目前研究较广泛的定型技术 ，即 把多孔材料浸入熔融状态下的相变溶液 ，使相变材料填充于多孔 材料的孔隙中。 ◆带换热器的整体封装
﹡相变材料在混凝土中的应用
﹡相变地板
﹡相变保温层
相 供变 暖蓄 储能 能维 系护 统结 构 、 空 调 蓄 冷 系 统
3.1.相变墙体
Meng Zhang， Mario A .Medina等同 时建造了 2间模拟能耗房间（1 .83 m×1 .83 m×1 .22 m ），一间使用常 规墙体，一间使用添加了相变材料的墙 体.通过实验发现使用相变材料墙体的 房间，无论是室内温度的稳定性、 还 是舒适度，都优于使用常规墙体材料的 房间。 P .Schossig， H .-M .Henning建造了 常规尺寸的模拟研究房屋，房屋的内墙 采用不同的墙体材料，左边的房间采用 相变材料，平行的房间采用常规墙体材 料。经过对室内温度的检测， 发现使 用相变材料的房间，室内温度波动大大 小于常规材料的房间。
氟化钾
六水氯化钙 硬脂酸丁酯 月桂醇
18.5-19
29.7 19 17.5-23
231
171 140 188.8
工业级十八烷
棕榈酸异丙酯 45/55癸酸-月 桂酸
22.5-26.2
16-19 17-21
205.1
186 143
3.相变材料在建筑围护结构的应用
﹡相变墙体
围相 护变 结材 构料 的在 应建 用筑
◆在对相变储能技术的研究中,
工程热物理学和数学将是不
可缺少的手段。采用合适的数学模型,将在相变储能技术的 研究及开发应用方面起到关键性作用。
请老师同学批评指正！
谢谢！
杨 彬 2010年12月10日
4.相变储能材料研究存在的问题
◆相变储能材料的储能性能问题, 对于相变储能复合材 料,为使储能体更加小巧和轻便,要求相变储能复合材料 具有更高的储能性能。目前的相变储能复合材料的储能
密度普遍小于 120J/ g, 有学者预测, 通过增加相变
物质在复合材料中的含量和选择相变焓更高的相变物质, 在未来数年内,将有可能将相变储能复合材料的储能密 度提高到150-200J/ g。
相变材料相变材料的选择 ●相变材料在建筑围护结构的应用 ●相变储能材料研究存在的问题 ●展望
1.相变材料
相变材料（ phase change materials PCM ）或称为相变 储能材料，是在某一特定的温度下，能够从一种状态转变
到另一种状态的物质，物质的分子迅速由有序向无序的转
相当于20CM厚的砖木结构， 可以使室内温度大部分时间
“3升房”使用的相变墙体结构 图
维 持 在 2 2 ～ 2 6 ℃ 。
3.2.相变材料在混凝土中的应用
3.2.相变材料在混凝土中的应用
3.2.相变材料在混凝土中的应用
由12块相同的普通混凝土块和浸渍相变材料的混凝土块构 成。通过控制空气的速度控制混凝土块的储热和放热速率。
3.1.相变墙体
安装浸渍相变材料
的石膏板，相变材
胶合板 石膏板 玻璃纤维
料是50%硬脂酸丁 酯和48%软质酸丁
酯的混合物，其相
变 点 是 2 1 ℃
墙壁剖立面
3.1.相变墙体
由德国BASF公司开发出的一
种含微胶囊石蜡的石膏墙板，
并且将它与轻质墙体结合在 一起。微胶囊石蜡的含量占
石膏墙板的1/3，蓄热能力
1.2.相变材料的封装定型技术
图5 微胶囊封装
2.建筑围护结构用相变材料的选择
相变材料的种类很多，但是并不是每一种相变材料都可以应用 在建筑围护结构中，见表2，相变材料在建筑围护结构中的应用要 具有以下条件：
◆具有良好的热传导系数，单位质量的相变潜热大，体积膨胀率
小，密度大；
◆相变过程可逆性好，相变过程的方向仅以温度决定，不存在过
冷和回降现象；
◆无毒、无腐蚀、无泄漏、防火、不污染环境； ◆相变材料经济且原料来源容易；
2.建筑围护结构用相变材料的选择
◆相变过程可靠性好，不会产生降解和变化，使用寿命长，一
般要求达到50年以上；
◆相变温度合适，适合于各地域的气候特征和接近人体的舒适
温度；
◆蒸汽压力低。
表2
相变材料 熔点℃ 溶化热kJ/kg 相变材料 熔点℃ 溶化热kJ/kg
（OH）2 · 2O等]、活性白土及矿棉等。 8H
相变机理为：材料受热时，脱去结合水，吸收热量；反之，
吸收水分，放出热量。
无机相变材料具有传热快，价格较低的优点， 但是存在过 冷、相分离、腐蚀性大、毒性大等缺点.
过冷是指物质冷却到冷凝点时并不结晶，需要到冷凝点以下一定温度时才 开始结晶，导致相变温度波动. 相分离是指在多次反复相变过程中盐水分离，有部分盐类不溶于结晶水而 沉于底部，不再与结晶水结合，形成分层现象，导致储能能力大幅下降， 缩短了使用周期.
相变材料
(扫描电镜法)
1.2.相变材料的封装定型技术
◆分散封装 把一定数量（ 从几克到几公斤 ）的相变材料装入由金属， 塑料或薄膜制成的管 、球、 板或其他不与相变材料发生反 应的容器中 ，这种方式叫做 分散封装 ，常用空气作为传热 流体。 尺寸较小的分散封装形 成的相变材料可以掺入到建筑 材料中使用 ，对需要较小的储 能体积的居民住宅内 ，也常用 这种形式来组装成小的储能换热 器（图3，4）。
熔 点
熔 化 热
1.1.2有机相变材料
有机相变材料具有相变潜热大，固体成型好，不易发生相分 离和过冷、无腐蚀等优点。分为有机固－液相变材料和有机 固-固相变材料两种。 有机固-液相变材料包括高级脂肪烃、羧酸、酯、长链烷烃、 丁二胺、硬脂酸丁脂、石蜡及某些聚合物等，石蜡在建筑
业相变材料的应用前景较为广阔，因石蜡是由石油加工得
无机相变材料 根据材料的化学组成成分分成 有机相变材料 材料按相变形式分为液-气、 固-气、 液-液、 固-液、 固-固 5种， 只有固-液、 固-固有应用价值。美国 Dow
化学公司对近两万种相变材料进行了测试，发现只有 1%
的相变材料可进一步研究。
1.1.1无机相变材料
无机相变材料主要有金属合金[Mg-Cu]、金属盐的水合物[Na2S O4· 2O，MgCl2· 2O，A1（N03）3 · H2O等]、碱的水合物[Ba 4H 6H 9
分别由两台独立的空调系统对其进行供热和制冷。混凝土
块的尺寸是20CM×20CM×40CM，中间空心。供暖时，气流速 度是3m/s，送风温度是25℃。
3.3.相变地板
3.3.相变地板
3.3.相变地板
3.3.相变地板
3.4.相变保温层
太阳能通风增加的建筑材料主要有玻璃、金属板和油漆涂料，对于采 用相变蓄热材料的太阳能通风系统还要加上相变蓄热材料。经过市场调查， 目前5mm厚的钢化玻璃的价格为60 元/m2，5mm厚的普通玻璃价格为30 元/ m2，镀锌板价格为35元/m2，相变蓄热材料价格为10元/kg相变蓄热材料随 着集热面倾角的不同，所采用的量也不同。另外，刷1m2所需要的油漆费 用可以忽略。以上材料如果在工程中大批量采购，价格会更便宜。所以， 普通太阳能通风系统的初投资成本是65～95元/m2。采用不同相变蓄热材 料(相变温度为43℃的月桂酸和62.3℃的棕榈酸)的太阳能通风系统的初投 资成本分别为367元/m2和307元/m2。这些费用比采用机械通风或空调设备 时要小得多。
固-固类相变材料虽然因经济因素在建筑业应用较少，但因为相变时宏观状 态不发生变化，生产时不需要封装步骤，便于使用、储存，是今后发展的 方向。
相变材料 强化换热
◆通过数值和实验分析了管内十字型肋片的传热强化效果 结果表明，采用 肋片后，储热单 元的换热效果明 显提高，其模型 如图 1 所示
相变材料
到的固态烷烃混合物产品。无臭无味、价格低廉。闫全英、 梁辰等对十七烷、十八烷、二十烷、48# 石蜡等进行掺配
实验。根据实验得出结论：较高熔点的石蜡在加入低熔点
石蜡后，相变温度大幅度降低，而潜热焓变化不大。
1.1.2有机相变材料
固-固有机相变材料， 主要通过晶体有序-无序结构转变进行 可逆储能和释能。其主要为多元醇。多元醇类相变材料主要
变（反之亦然），同时伴随着发生吸热或放热现象。 冰-水相变过程：冰加热时，温度每升高1℃，它只吸 收2J∕g；当冰融解时，吸收335J∕g的潜热，当水进 一步加热，温度每升高1 ℃ ，它只吸收大约4J∕g的 能量。 由冰到水的相变过程中所吸收的潜热几乎比 相变温度范围外加热过程的热吸收高80多倍
1.1相变材料分类
有季戊四醇（PE）、2，2-二羧甲基-丙酸（PG）、新戊二酸
（NPG）、三羧甲基乙烷（TMP）、三羧甲基氨基甲烷等。 一般认为，多元醇类固-固相变材料在低温时为层状低对称晶
体，层与层之间由-OH 形成的氢键连接，温度上升发生固固相变后，转化为面心立方体对称晶体，同时分子间氢键发 生断裂，并导入了分子旋转和振动无序，从而吸收热量。
◆在相变材料中加入碳素纤维的强化传热问题 ◆柱状储热单元中直肋对放热过程的影响
◆在储热系统中加入金属丝网和金属球后的传热强化效果
◆研究硬脂酸的熔化过程特性，采用螺旋型肋片来强化传热 ◆研究针翅管式相变蓄热器传热特性，采用三维针翅管作为换
热强化元件，对换热器进行了充放热实验，研究了不同流量对
充、放热过程的影响 ◆在石蜡中添加铜粉、硅粉和不锈钢丝带对石蜡螺旋盘管蓄热 器蓄热和放热性能的影响 ◆以石蜡为相变材料的太阳能储热系统，在其中添加铝粉末来 提高导热系数（图2）
4.相变储能材料研究存在的问题
现阶段相变储能材料的研究困难主要表现以下三方面: ◆相变储能材料的耐久性,这个问题主要分为三类。首先,相
变材料在循环相变过程中热物理性质的退化。其次, 相变材
料从基体材料中泄露出来, 表现为在材料表面结霜。另外,相 变材料对基体材料的作用,相变材料相变过程中产生的应力使 得基体材料容易破坏。 ◆相变储能材料的经济性问题, 是制约其广泛应用于建筑节 能领域的障碍,表现为各种相变储能材料及相变储能复合材料 价格较高, 导致单位热能的储存费用上升,失去了与其他储热 方法的比较优势。
5.展 望
在能源供给渐趋紧张的今天, 相变材料以其独特性越来越受 到人们广泛的重视, 越来越多的领域开始应用相变材料。对
于复合相变储能材料, 今后的研究方向有:
◆改善相变材料的导热性能和相变速率,
研制高能量密度的
相变材料; 掌握相变材料之间的复合原则以及如何复合提高 材料的性能; 开发具有多功能的复合相变材料。