■李 优¹ 杨颖旎² 王睿嵘³ 李朝曦⁴ 刘 毅⁵

Li You¹ & Yang Yingni² & Wang Ruirong³ & Li Zhaoxi⁴ & Liu Yi⁵

(1.2.3.4.5.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083）

摘 要：随着能源的消耗增大，提高能源的利用率势在必行。相变材料作为新一代环保节能材料，通过物相变化，可从环境中吸收或释放热量，达到储能调温的需求，对于能源的合理利用具有重要的研究意义。将相变材料应用于建筑材料中，制成节能墙板、地板、门窗、玻璃等，可以有效地利用太阳能和建筑中的废热、余热，具有广阔的应用前景。本文综述了相变储能材料的主要种类及制备方法，分析其在建筑绿色节能建材领域的应用进展，并探讨其发展趋势。

关键词：相变材料 ；储能调温 ；绿色建材 ；发展趋势

Abstract: With the increase of energy consumption, it is imperative to improve energy utilization. Phase change material, as a new generation of environmentally friendly energy-saving materials, could absorb or release heat from the environment through phase change, so as to achieve energy storage requirements, is of great significance for the rational use of energy. The application of phase change materials in building materials such as energy-saving wall, floor, window, can make effective use of the waste heat from solar energy and the building, which has broad application prospects. This paper reviews the main types and preparation methods of phase change energy storage materials, analyzes the application progress in the field of green energy saving building materials, and discusses the development trend of phase change materials.

Key words: Phase change material; Energy saving and temperature control; Green building material; Development trend

       随着经济的发展和人民生活水平的提高，空调、取暖器等调节室内环境温度的电器使用率逐年攀升，建筑耗能明显增大。在现代化建设的新阶段，能源问题已成为影响社会发展的重要因素之一。因此，开发新能源、提高能源利用率势在必行。

       相变储能材料作为一种新型建筑节能材料，能够将能量像蓄水池一样储存起来，并在需要的时候释放能量，满足能量在不同时间和空间上的供应与需求，达到对能源的合理利用。由于其节能降耗优势明显，近年来人们对相变储能材料及其应用的研究热度大大提高。

1 相变材料的储能机理

       相变材料利用物相变化，从环境吸收或向环境释放热量从而达到储能调温的目的。

       相变材料根据其化学成分，可分为无机类、有机类和混合类三种^[1]。按其热能储存方式，可分为潜热储能、显热储能和化学反应储能三种。按其相变温度范围，可划分为低温储能材料、中温储能材料和高温储能材料^[2]。 根据其相变过程中物理状态的变化，又可划分为固-固相变材料、固-液相变材料、液-气相变材料和固-气相变材料。

       固-液相变材料在实际应用中最为常见。因液-气相变和固-气相变在相变过程中体积变化较大，并不被人们所采用。目前，固-固相变储能材料的开发时间较短，受到多方面条件影响，还未展开深度研究^[3]。

1.1 固——固相变储能材料

       固-固相变储能材料吸收或释放热量的原理是因其晶体结构发生改变，该过程不产生液相，体积变化小，因此，固-固相变材料的制作技术相对简单，且对容器材料要求不高， 使用寿命较长。近年来国内外研究的固-固相变储能材料以有无机盐类和多元醇类两大类为主。

1.1.1 无机盐类

       无机盐类相变材料的特点是性能稳定， 相变温度较高，可被应用于高温环境内的储能调温，目前较为常用的无机盐类相变材料有层状钙钛矿，Li2SO4、KHF2等。

1.1.2 多元醇类

       多元醇类相变材料作为一种新型的太阳能储能材料而日益受到重视，具有相变温度较高（40-200℃），相变潜热较大的特点，适合应用于中、高温环境的储能调温。其优点在于性能稳定、过冷现象较少、易于操作、可使用时间长。不足之处在于多元醇价格较高，且加热至相变温度时，由晶态固体转变为塑性晶体，仍需封装。多元醇传热能力差、稳定性不佳、应用时具有潜在可燃性。这些都影响了多元醇的应用。表1是常见的多元醇相变材料。

       固-固相变储能材料的开发时间较短，在各方面研究和应用中，不及固-液相变储能材料使用广泛。

1.2 固——液相变储能材料

       近年来，国内外对于固-液相变储能材料的研究相对成熟。固-液相变材料的优点在于其相变温度范围广、相变潜热大、成本较低。固-液相变是指在物相变化的吸热和放热过程中，相变材料在固态和液态间相互转换， 其固-液相变过程可逆，能够反复发生。目前固——液相变储能材料以无机类和有机类最为常用。

1.2.1 无机类

       无机类相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金和其他无机物。其中结晶水合盐是一类重要的中温相变材料，因其熔点范围大， 应用也最为广泛。人们使用较多的是：碱及其卤化物、磷酸盐、硫酸盐、醋酸盐、碳酸盐等。

       结晶水合盐相变材料的优点是应用领域广、价格低廉、导热系数大、溶解热大、单位体积内存储热量较多。该材料的不足之处则在于会受过冷现象和易相分凝的影响，导致储热能力下降。

1.2.2 有机类

       目前常用的有机类相变材料以石蜡、脂肪酸、烷烃、脂类和醇类为主。为了得到性能优越、相变温度适宜的相变材料，需将几种有机相变材料复合而形成多元相变材料，或与无机材料复合，得到性能更好的复合相变材料。

       有机类的优点是不易出现过冷或相分凝现象、性能稳定、腐蚀性小、成本低。缺点是密度小、导热系数小、相变过程中体积变化大[4]。例如不同分子量的PEG相变性能差异较大，如表2。

2 相变储能材料的制备技术

       近些年，研究者们在研发新型实用的相变储能材料方面展开了许多研究。采用多种复合工艺制备新型相变储能复合材料，以克服上述材料的缺陷，促进其在实际中的使用， 定型相变储能材料应运而生。

2.1 聚合物定型相变储能材料

       利用具有三维网状结构的高分子聚合物与相变材料熔融共混，将相变材料包覆起来， 形成聚合物定型相变储能材料。Liu等以低熔点石蜡为工作物质，尝试以PS、PP和PE作支撑材料，通过熔融混合制备了3种聚合物定型相变储能材料^[5]。该研究指出石蜡经聚烯烃包覆之后，相变温度有所降低,而相变焓有所提高。

2.2 多孔材料定型相变储能材料

       利用多孔结构的物质对液态相变材料的物理吸附作用可制备多孔材料定型相变储能材料。常用的多孔材料有膨胀石墨、多孔石墨、二氧化硅、石膏等。

Karamans等人，利用硅藻土的孔隙对聚乙二醇进行吸附，制备出定型相变储能材料。于海涛等研制了硬脂酸/膨胀石墨复合相变材料，提出膨胀石墨与硬脂酸的最佳配比，并分析了复合材料的储热性能^[6]。

2.3 微胶囊定型相变储能材料

       微胶囊定型相变储能材料是指利用微胶囊封装相变材料。将相变材料制成细小颗粒后，利用界面聚合法、原位聚合法等将球状颗粒包裹在胶囊内，以保证相变材料的稳定性，防止固——液相变发生泄漏。胡大为等人用环氧树脂作外壳材料，将液体石蜡与固体石蜡混合制成适合常温的复合相变材料，并将水均匀分散其中，添加适量表面改性剂，制备含水型环氧树脂基相变微胶囊。其相变过程中无泄漏、开裂等现象产生，综合性能好^[7]。

3 相变储能在节能建材中的应用（墙板、地板、门窗、玻璃）

       将相变材料应用于建筑材料中，制成节能墙体、地板、门窗等，能够有效利用太阳能和建筑中的废热、余热，调节室内温度。目前， 由相变储能复合材料制成的产品在室内地板采暖、建筑墙体的被动式蓄热等方面都已有实际应用。

3.1 在节能墙板中的应用

       有学者将石膏板、混凝土板、木质轻型水泥复合材料用作墙体、天花板、地板等，并试验研究其调温机理与调温效果。

       Maha Ahmad等对添加相变颗粒的石膏板、聚碳酸酯板、聚氯乙烯板进行了外界温度变化热响应测试。结果表明含35%相变材料的调温板调温性能更佳。Hawlader.M.N.A等人研究了一种含PCM的石膏灰泥轻型建筑装饰材料。他们利用含PCM的石膏灰泥作为内墙材料，实验模拟其调温作用，并进行了为期两年的观测。结果表明：含微胶囊化PCM的灰泥可将室内温都变化控制在2.76℃以内，有效调节了室内温度，改善热舒适性^[8-9]。

3.2 在节能地板中的应用

       RUBITHERM GmbH利用粒状PCM研发的高蓄热地板采暖系统，由保温层、加热电缆、能量小球组成层、木地板面层构成，大大减小了地板厚度，表面可铺设瓷砖、地毯等材料进行装饰[10]。

       澳大利亚TEAP公司以研究和生产无机相变储能产品为主，包含从-30℃-90℃温度范围内约15种产品，主要采用聚合物包裹技术开发定型相变储能产品。该公司研发的球形、圆柱形以及微胶囊包封相变材料已用于地板采暖，建筑室内调温和取暖、冷藏控温、废热回收等行业。

3.3 在节能玻璃窗中的应用

       相变玻璃窗作为一种新型建筑围护结构， 在应用中展现出较好的调温和节能效果^[11]。

       据Ismail和Henriquez对有机相变玻璃窗的研究表明，含有机相变材料聚丙烯乙二醇的玻璃窗，其热量传递较普通玻璃窗明显减少。Francesco等利用数学和物理模型，发现相变玻璃窗的对室内的调温功能优于普通玻璃窗^[12-13]。

       也有不少学者将无机相变材料与玻璃窗进行结合。罗庆等人将无机相变材料CaCl2·6H2O加入玻璃窗并研究其传热性能， 结果表明：由于相变材料的作用而使得玻璃窗内壁面的峰值温度降低3℃-4℃^[14]。Li等人探究了含十水硫酸钠相变材料的玻璃窗在夏热冬冷地区的节能效果。研究发现：在夏季晴天时，其保温效果较显著，具有很好的节能作用；但在阴雨天和冬季时，其节能作用不明显。与普通中空玻璃窗对比，相变玻璃窗使一年中的耗能降低了40.6%^[15]。

4 相变储能建材的发展趋势

       生态环保材料符合人与自然和谐共生、持续发展的基本要求，具有良好的发展前景^[16]。木塑复合材料作为一种新型生态环保材料，兼具了木材和塑料的优点，有效改善了木材的物理性^[17]，能够大幅度提高木材利用率，实现废物回收再利用。将其与相变材料结合，可使新材料皆备废物利用、节能储能、绿色环保的优势。目前，将木塑复合材料与相变储能材料结合已成为相变储能建材研究领域的新热点。

       木塑复合相变储能材料的制备主要通过多孔材料吸附法、微胶囊法对相变材料进行封装，制备出定型相变复合材料，再与木塑进行复合。选择合适封装方式，制备定型相变储能材料，是制备木塑复合相变储能材料的关键。多孔材料吸附法对相变材料进行封装，能对材料本身起到很大的保护作用，并提高其导热性，由此制备的木塑复合相变储能材料， 能够明显减小环境温度波动，对环境舒适度起到很大的改善作用^[18]。

5 结语

       相变储能材料的出现为绿色节能建筑的发展提供了新的方向。如今，相变储能材料的应用在建筑中日益广泛，但其与木材及其相关材料进行结合的实例仍然较少。尝试将相变储能材料与木塑复合材料相结合，制得的木塑定型相变储能材料，既满足建筑节能，又能适应目前利用木质材料制作家具及室内装饰装修材料的流行趋势，是一种极具发展潜力的新型材料。

（责任编辑：贺 辉）

参考文献：

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基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(BLX2015-12);北京市大学生创新项目(S201610022081)

作者简介:李优(1995-),女,本科,研究方向:相变储能材料,E-mail:512468714@qq.com

通讯作者:刘毅(1987-),男,博士,研究方向:生物质功能材料,E-mail:liuyi.zhongguo@163.com

引文格式:李优,杨颖旎,王睿嵘,等.相变储能材料及其在绿色建材领域的应用进展研究[J].家具与室内装饰,2017,(5):123-125.

LI You , YANG Yingni , WANG Ruirong , et al. Phase Change Energy Storage Material andthe Application Progress in the Field of Green Building Materials [J] . Furniture & Interior Design , 2017 , (5) :123-125.

注：本文来源于《家具与室内装饰》