牛 紅 培

（濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽 457000）

隨著現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，建筑耗能也在不斷增多。于是相關(guān)產(chǎn)業(yè)研究的重點自然轉(zhuǎn)移到高效節(jié)能相關(guān)技術(shù)上。相變儲能材料(PCMs)可以根據(jù)周圍環(huán)境溫度改變自身物理狀態(tài)，吸放大量熱能用于能量材料儲存，不僅可以有效提高能量儲存密度，還可以降低建筑溫度波動。從實際應(yīng)用上來說，將相變儲能材料應(yīng)用到現(xiàn)代建筑設(shè)計中，可以有效提高建筑物的溫度舒適性，同時可以降低電力峰值負(fù)荷，提高用電效率，實現(xiàn)建筑節(jié)能，符合當(dāng)前建筑行業(yè)高效節(jié)能的發(fā)展趨勢。

本文對當(dāng)前國內(nèi)外相變儲能材料及其在建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用情況進行綜述討論，著重分析了常用相變儲能材料的類別與制備應(yīng)用情況，以期對相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與研究提供一定幫助。

1 常規(guī)相變儲能材料的類別

基于實際的相變特征，現(xiàn)代相變儲能材料可以劃分為以下四大類：固-液、固-氣、固-固與液-氣。其中由于固-氣和液-氣兩種相變儲能材料會產(chǎn)生大量的氣體，對其體積的控制難度較高，所以很少用于工業(yè)。而固-液相變材料則可以進一步劃分為以結(jié)晶水合鹽、金屬合金為核心的無機材料與其他有機材料。具體類別如表1所示。

表1 相變材料類別Table 1 Types of phase change materials

2 相變儲能材料的選擇與改性

2.1 材料選擇

為了滿足當(dāng)前市場節(jié)能建筑設(shè)計與能源需求，最佳相變儲能材料必須優(yōu)先考慮溫度性能、物化性能以及最終的成本經(jīng)濟性。首先，節(jié)能建筑設(shè)計用相變儲能材料需要具備適宜的相變溫度空間，這就要求相變材料擁有合適的相變儲熱和導(dǎo)熱性能(過大、過小都不合規(guī))；其次，相變儲能材料需要具備良好的熱循環(huán)，和相變可逆性，不會腐蝕建筑結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)件，且無毒無害；再次，相變過程中，材料自身的體積變化需要易于掌控，最好不要出現(xiàn)過冷相分離等情況，最后就是材料自身不能造價過高。

然而通過市場研究可以肯定，完全符合上述所有要求的相變儲能材料較少，所以現(xiàn)階段大多數(shù)節(jié)能建筑在選擇材料時會優(yōu)先考慮溫度和相變儲熱情況。表2為部分常用的建筑相變儲能材料。

表2 復(fù)合相變儲能材料參數(shù)Table 2 Parameters of composite phase change energy storage materials

2.2 儲能材料改性

上述研究表明，當(dāng)前建筑節(jié)能領(lǐng)域正在廣泛引入相變儲能材料，但是單一的儲能材料不能完全滿足所有市場需求，其常規(guī)問題包括但不限于：相變溫度不符合要求，導(dǎo)熱性能較差；較低溫度下容易泄漏、相變潛熱低等。所以近年來國內(nèi)外不少研究機構(gòu)，通過各類數(shù)值模擬，不斷研究制備新的相變儲能材料。目前，常規(guī)的研究方法就是改變單位配比情況，研制復(fù)合型相變儲能材料，最大程度彌補傳統(tǒng)單一材料的缺陷。例如，通過添加成核劑，解決部分相變材料漏液的情況，或者以添加導(dǎo)熱劑的形式，解決相變儲能材料導(dǎo)熱率問題。這些都是近年來較為成功的研究案例，此外還有其他的一些改性操作例如：國內(nèi)研究員王若鈺等[1]以高密度聚乙烯為基體，添加膨脹石墨的石蠟作為相變材料，制備的復(fù)合相變儲能材料，其相變出熱可以通過調(diào)整石蠟質(zhì)量控制。通過大量的實驗可以肯定，該復(fù)合材料的熱儲能力與導(dǎo)熱率較好，且該方法可以有效降低其機械性能，可以在建筑節(jié)能領(lǐng)域直接使用。

孫凱等[2]制備了以聚乙二醇和膨脹石墨為核心的復(fù)合材料，該材料的相變溫度區(qū)間為18.25～27.62℃，潛熱性能為95.55～99.25 J/g，可以用于建筑室內(nèi)的裝修。此外，國外已有學(xué)者研究了一種形狀穩(wěn)定的基于聚乙二醇PEG@NPC-Al 的新型復(fù)合相變儲能材料。通過實驗可以得出結(jié)論，該材料比單一的聚乙烯二醇有更好的熱儲能力和滲透性，其相對較高的穩(wěn)定性也能保證其應(yīng)用安全，可以用于建筑儲能。

3 節(jié)能建筑設(shè)計中相變儲能材料的應(yīng)用

一般情況下，在現(xiàn)代節(jié)能建筑領(lǐng)域，相變儲能材料的應(yīng)用，可以用于被動式儲能系統(tǒng)和主動式儲能系統(tǒng)。其中，被動式儲能系統(tǒng)一般會應(yīng)用傳統(tǒng)的自然能量加熱和冷卻相變儲能材料，實現(xiàn)建筑物的溫度控制。而主動式儲能系統(tǒng)，則需要人工冷熱源與相變儲能材料結(jié)合，通過人工熱源輔助相變儲能材料加熱或者制冷。當(dāng)前國內(nèi)外均有大量研究機構(gòu)依靠仿真數(shù)據(jù)測試模擬等方法，對相變儲能材料的實際應(yīng)用性能進行分析研究，評估其真實的經(jīng)濟效益。

3.1 被動式相變儲能系統(tǒng)

在建筑被動式相變儲能系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計中，相變儲能材料大多會被應(yīng)用到建筑外部保護結(jié)構(gòu)，例如墻體、天花板、護欄等。在這種情況下，相變儲能材料會作為一種獨立結(jié)構(gòu)與建筑材料結(jié)合，直接放入石膏、混凝土或者砂漿中。這樣的設(shè)計可以最大限度調(diào)節(jié)建筑外部溫度，在建筑沒有安裝其他冷卻系統(tǒng)的前提下，增加熱量控制范圍，提高居民生活熱舒適感。通過實驗室數(shù)據(jù)模擬可以確定，被動式相變儲能系統(tǒng)與相變儲能材料的應(yīng)用可以有效控制建筑溫度波動，轉(zhuǎn)移冷卻負(fù)荷，且對自然環(huán)境沒有任何負(fù)面影響。美國已有學(xué)者將相變儲能材料與膨脹珍珠巖融合，構(gòu)建了一種新的EP/EV 石膏板。該石膏板符合主流建筑需要，并在韓國、日本等地應(yīng)用范圍較廣。通過水循環(huán)測試，數(shù)據(jù)表明該石膏板的最佳質(zhì)量配比為7∶3，此時相變儲能材料在溫度調(diào)節(jié)方面性能最佳。

3.2 主動式相變儲能系統(tǒng)

現(xiàn)代節(jié)能建筑中，主動式相變系統(tǒng)與相變材料大多與建筑空調(diào)系統(tǒng)、地板采暖、通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合?？梢杂糜跉夂蜉^為極端的地區(qū)。實驗數(shù)據(jù)證明，與傳統(tǒng)的保暖制冷或者通風(fēng)系統(tǒng)相比，添加相變儲能材料可以進一步降低室內(nèi)環(huán)境的溫度波動區(qū)間，提高環(huán)境舒適度。同時由于該材料自身有一定能源需求特性，可以有效降低工作溫度控制負(fù)荷，從而進一步降低建筑能耗，節(jié)省電力資源。例如張建武等[3]以膨脹石墨、高密度聚乙烯和石蠟為核心材料根據(jù)一定配比制備了新的SSPCM雙層石板，該石板在我國南方地區(qū)應(yīng)用效果較好，通過實驗證明可以直接降低辦公樓超過15%夏季冬季能耗，尤其冬季使用效果更好。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域和儲能領(lǐng)域，相變儲能材料的應(yīng)用不僅可以有效節(jié)約能源，降低建筑能耗，同時也為后續(xù)的環(huán)保儲能發(fā)展提供了一定基礎(chǔ)。因此基于相變儲能材料的建筑材料設(shè)計應(yīng)用，必定有著較為廣闊的市場應(yīng)用前景。本研究從儲能與建筑兩個角度分析了相變儲能材料在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，除了文中提到的問題，還有其他方面需要未來進一步探討。

（1）相變儲能材料的長期保存。當(dāng)前大多數(shù)相變儲能材料嘗試使用中都出現(xiàn)了或多或少的泄漏情況，同時自身也有一定腐蝕性。未來需要找到更合理的相變溫度和具有一定耐腐蝕性的建筑材料。

（2）相變儲能材料的導(dǎo)熱性。目前許多相變儲能材料的導(dǎo)熱性一般，如何有效提高其導(dǎo)熱性能是未來研究的又一項重要課題。

此外還有相變儲能材料的生產(chǎn)工藝，也是相變儲能材料成本控制和商業(yè)化的一項重要內(nèi)容。