相变储能材料

相变储能建筑材料

（南京工业大学材科1102 号）

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，着重介绍了微胶囊相变材料的制备工艺及在建材中的应用，展望了相变储能建筑材料的发展前景。关键字相变储能材料；建筑节能；微胶囊

Phase-changing energy-storing building materials （the number ，Materials Science and Engineering1102）

Abstract：This paper introduces the phase change materials and its principle ，classification and application etc. And summarizes the research and application of phase change materials in domestic and abroad，and the method of matrix between phase change materials and building materials . Focusing on describing the preparation methods of microcapsule phase change materials and the application in building materials. The prospects of using phase change materials in building is also analyzed.

Key words：phase change materials；building energy efficiency；microcapsule

0．前言

能源和材料是支撑当今人类文明和保障社会发展最重要的物质基础。20世纪80年代以来，随着世界经济的快速发展和全球人口的不断增长，世界能源消耗大幅上升，主要是化石燃料的匾乏和全球环境状况的恶化，传统能源工业已经越来越难以满足人类社会的发展要求和人类生存环境的要求。而能源材料的突破是解决能源危机和保护人类生存环境的关键。

近年来，国家大力提倡节能减排，成为各行各业急于解决的首要问题。节能技术因此受到了高度的重视，相变节能材料作为一种新兴的节能材料，以其储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点成为材料界的新宠，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用，以及工业与民用建筑和空调的节能等领域应用的越来越多，逐步成为国内外能源利用和材料科学方面研究的重点。

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。[3] 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。[5]

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

相变材料有多种分类方式。

可以按照材料的性质和组成进行分类，可分为无机材料类、有机材料类和混合类（定形复合相变材料）。其中，无机类主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；复合相变储能材料是无机相变材料与有机相变材料的结合使用，它既能有效克服单一的无机或有机相变材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果，拓展其应用范围。

按照相变前后的物态，一般分为固—固相变材料、固—液相变材料、固—气相变材料和液—气相变材料。由于后两种相变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而使相变储能系统变得复杂，在实际应用中很少被选用。

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，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 太阳能热水系统上的利用

太阳能领域是目前PCM 应用的最主要领域之一，其基本原理如下图所示。太阳能集热器收集到的热量通过工

作介质（如水）传输到箱体的PCM

中，PCM 发生相变（固态到液态），

将多余的热量储存起来；当太阳能

不足时，PCM再次发生相变（液态

到固态），释放能量。

此种装置可在昼夜甚至冬夏太

阳光照差别较大时保持供热的大致

稳定。同常规热水箱比较，相变储

热水箱储存等量的热量可以缩小体

积50%同时减少散热面积，而且放

热过程平稳，优点十分明显。

1.3.2 空调蓄冷

蓄冷是一种利用峰谷电价差（即电价处于谷位时让压缩机制冷冰储存下来，而电价处于峰位时压缩机不工作，靠储存的冷量用于空调）来减少大型空调花费的技术，目前比较常用的是冰蓄冷和水蓄冷。前者储能密度大，但制冷成本高；后者制冷成本较低，但储能密度小，占地多。而PCM具有较大的储能密度，制