２０１０年１０月 广西轻工业 ＧｕＡＮＧＸＩ Ｊ０ＵＩ己ＮＡＬ ０Ｆ ＬＩＧＨＴ ＩＮＤｕｓＴＲＹ 第１０期（总第１４３期） 化工与材料 建筑用相变储能材料的发展与应用 李瑞杰 ，杨玲伟 ，曹小林 （１．中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙４ｌ ００１ ２；２．中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１ ００１ ２） 【摘 要】 综述了相变储能材料在建筑中的应用与发展现状，包括相变储能材料的特性、分类及其与建筑材料的融合技 术，重点介绍了固一固相变材料与建筑材料的融合技术，最后介绍了相变储能材料在建筑中的具体应用形式，并对目前相变储能材 料在建筑应用中所存在的问题提出了自己的一些看法。 【关键词】 建筑节能；相变材料；融合技术；应用 【中图分类号】ＴＵ５９ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】 １００３—２６７３（２０１０）１０—３６—０２ １前言 近年来，随着全球能源危机的日益加剧，节约能源、有效利 用能源逐渐成为人们追求的目标。中国是能源贫乏国家，而且 随着经济的迅猛发展，需要更多资源支撑。但是，现实的问题是 能源日益紧缺，节能是当务之急。 建筑耗能作为能源浪费的一个重要方面，据统计，全世界有 空调系统要求控制的温度；（２）具有足够大的相变潜热，相变 的可逆性要好，合适的导热性能；（３）无毒性、无腐蚀性，不易 燃；（４）制作原料廉价易得。 但是能够同时满足上述条件的相变材料几乎没有。实际应 用中，主要依据相变潜热和相变温度选择合适的相变材料，再 采取适当的措施改善其它性能。 ３０％的能源消耗在建筑物上。在我国，建筑面积达四百多亿平方 米，且９０％以上是高能耗建筑，单位建筑面积能耗是气候相近的 发达国家的３倍”。在建筑中使用储能材料（ＰＣＭ）可以提高建筑 物热容量，减小室内温度的波动幅度，改善室内环境，充分利用 太阳能和夜间低价电能从而提高建筑节能及室内舒适度。 ３建筑用相变储能材料的应用 建筑是相变储能材料应用的重要领域之～，提高建筑领域 能源使用效率，降低建筑能耗就具有了显著的经济效益和社会 效益。目前关于此类问题的研究主要集中在将ＰＣＭＳ掺入到传 从可持续发展战略出发，研究如何在满足使用者舒适度的 前提下，尽可能地提高建筑物对能源的有效利用率，对于当前 的能源形势具有重大的意义。 统建材中，在不改变其相应力学性能和抗蚀性能的前提下，提 高其储能效果。 ３．１相变材料与建筑材料的结合技术 要实现相变储能材料与建筑材料之间的结合，目前经常使 ２相变储能材料 按照蓄热方式的不同，相变储能材料可分为潜热储能材 料、显热储能材料和化学反应储能材料三类。显热储能材料由 于在储能过程中能量的释放是靠周围环境的诱导作用，并且存 用的方法有以下几种： （１）直接渗入法 此种方法操作简单，适合于固一固、固一液相变材料，但对 于固一液相变材料需要对其进行预处理，以防止相变液体腐蚀 基体组织。经过改性处理的固一液相变材料和固一固相变材料 在贮能密度低、装置体积大的问题，无法达到控制环境温度的 目的。所以目前对显热储能材料的研究应用较少，而化学反应 可以直接掺入建筑材料基体中。适合此法的基体为多孔建筑材 料，如膨胀珍珠岩、膨胀页岩、石膏和多孔石墨等［４ｔ。 （２）间接渗入法 储能材料尽管储能密度大，但其复杂的制备工艺限制了它的使 用范围，目前仅在太阳能领域有所应用口。 目前应用最多的是相变储能材料，它是利用材料在固态相 间接渗入法主要是先将相变材料吸人多孔材料、聚合材料 以及微胶囊中，制备成定形相变材料后，再与混凝土、石膏等建 变过程中的吸热和放热来储存和释放能量的，材料在固态相变 过程中的吸热和放热来储存和释放能量的１３１。随着科学技术的 进一步提高，相变储能材料与传统的建筑材料相结合，在生产、 施工，尤其是节能等方面具有很大的优越性，因此相变储能材 筑材料结合起来。定形相变材料主要有两部分组成：其一为工 作介质，即相变材料，利用其相变进行储能；另一为封装材料， 对相变产生的液体起到包封作用。两者主要是采用封装技术进 行结合的，即把封装材料做成微胶囊或空间网状或多孔结构， 而把相变材料封装于其中。 ３．２相变储能材料在建筑中的运用形式 料的研究和应用是推动我国建筑节能深入发展的新途径之一。 相变储能材料的相变形式一般可分为四类：固—气相变、 液—气相变、固一固相变、固一液相变。而固一气、液一气相变 材料由于在相变过程中有气体产生，因此体积的变化较大，所 以很少被采用，目前应用最多的是固～固和固一液相变材料。 将相变材料掺人到现有的建筑材料中，制成墙板、地板、天 花板等建筑结构，具有良好的蓄热性能。使用相变储能材料作 为建筑的外壳围护结构，不仅可以大大增强围护结构的隔热功 能，提高能源的利用率。而且还能减弱建筑物室内和室外之间 而建筑用的相变储能材料除了要满足一般的相变储能材料的 基本要求外，还需满足：（１）相变温度正好是设计温度或供暖、 【作者简介】李瑞杰（１９８９一），男，山东莒县人，中南大学能源科学与工程学院本科学生．能源材料专业。 ３６ 的热流波动幅度，延迟作用时间，从而降低建筑物供暖、空调系 统的设计负荷，节约能源；提高墙板的蓄热能力，减少建筑物负 荷和温度波动，改善室内环境舒适度［５１。 ３．２．１相变储能墙板材料 （２）研究相变材料与普通建筑材料的结合方式，研究在掺 入相变材料后，相变过程中物理化学性能稳定的性价比较高的 相变材料。 （３）研究改善相变材料的导热性能，提高其相变材料与普 通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热、机械及防火 特性。在墙板中加入相变材料，一方面可以改善墙板的保温性 能，维持室内温度稳定；另一方面还可以降低房屋自重，增大房 屋的可用而积。其工作机理为：当环境温度低于一定值时，相变 （４）针对不同的室内外环境条件，开展房间热过程的数值 材料储能介质由液态凝结为固态，释放热量。当环境温度高于 模拟研究与模拟试验对应的实验研究，建立分析相变建筑构件 一定值时，储能介质由固态熔化为液态，吸收热量，从而维持室 和蓄冷采暖系统的物理模型。 内温度稳定。 因此，使用相变储能墙板材料，可以将能源二次利用，收集 ５结束语 多余热量，适时平稳释放，有效降低损耗量，调节室温趋于稳 在建筑领域，相变储能材料可以有效降低建筑能耗，为清 定，并可充分利用夜间低价电蓄热，供次日白天作辅助热源，减 洁能源在供暖、制冷、墙体和空调系统中的应用奠定了基础。因 少空调、暖气使用时间和空调开启次数，有助于它们避开用电 此相变储能材料在将来必定有着广阔的应用前景和市场需求。 高峰工作而平移用电时间，从而达到节能降耗的目的，具有可 但目前国内相变材料的研究正处在实验和小规模化应用的阶 观的社会效益和经济效益。 段，其热工性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高： ３．２．２相变储能材料在供暖系统中的应用 （１）相变储能材料在长期循环使用过程中会出现渗漏和 （１）相变储能材料采暖地板 挥发的现象，另外它也会对附属设备会产生一定程度的腐蚀作 相变储能采暖地板是通过将相变材料与地板材料基体复 用，为此，能否找到具有合适的相变温度、相变焓和一定结构强 合制成的储能地板。用于相变储能材料采暖地板的相变材料应 度的相变材料已成为制约相变储能材料发展的一个关键问题。 满足以下条件：①其相变潜热比较高，否则采暖效果不明显，经 （２）继续探讨相变储能材料与普通建筑材料的结合方式。 济效益差；②其相变温度必须在地板采暖容许范围内，不能太 加强其储热、传热特性的研究，提高其应用性能的有效途径。针 高或太低；③相变材料化学性质稳定、长期循环不变质，不泄 对不同的使用条件（包括气象条件），开展房间热过程的数值模 漏，与建材相容等。 拟研究和与模拟研究对应的实验研究。对如何利用相变储能建 Ｆａｒｉｄ等 采用微胶囊技术封装的做相变材料制备相变储能 筑材料使节能建筑达到最佳的节能效果进行探讨。 地板，并比较了此相变储能地板与普通地板的热性能。结果表明 （３）现有的研究，对材料本身的改性特别是热物性能的提 相变储能地板的表面温度波动小，热舒适性较好。叶宏等阿ｆ究 高考虑不足。常见的多元醇类ＰＣＭ，无毒、无腐蚀性、性能稳 了利用一种定型相变复合材料作为储能介质的地板辐射采暖系 定、价格便宜，而且其相变温度、潜热也比较理想，但其导热系 统，结果表明采用熔点在３２￣Ｃ左右的定型ＰＣＭＳ，室内温度波动 数往往较低，单位体积储能效果差。如何解决这方面的问题，对 很小，并可大大简化控制系统。而且相变储能采暖地板提供了更 相变储能材料自身耐久性、经济性、储能性能进行研究，寻求物 大的采暖面积，使室内水平温度分布均匀，垂直温度梯度小。同 理性能良好，不易破坏，性价比高的小巧和轻便的高储能材料， 时相变储能地板还可以利用低品位的热源或太阳能以及夜间廉 是制备复合体系所必须考虑的问题。 价电运行，提供全天的采暖，减少了采暖地板结构厚度，减轻建 （４）相变复合材料的经济性问题。相变复合材料的经济性 筑物自重，具有节能降耗和提高舒适度的作用。 问题也是制约其广泛应用于建筑节能领域的障碍。目前，相变 （２）带相变蓄热器的空气型供暖系统 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 带相变蓄热器的空气型太阳能供暖系统由空气型太阳能 的上升。生产过程中应该不断改进工艺条件，降低成本以及实 集热器、集热器风机、相变蓄热器、负荷风机和辅助加热器组 现工业化生产也是今后面临的一大难题。 成。空气分别在太阳能集热器、相变储热器，负荷、相变集热器 （５）进一步筛选符合环保的低价的有机相变储能材料，进 之间进行两个循环。相变集热器是一个有多个通道的结构，通 一步提升相变储能建筑材料的生态意义，使之符合低碳、节能 道间用相变蓄热材料隔开，空气在通道内流动。相变材料在白 可持续的时代主题。 天可以储存太阳能，在晚上可以加热通道内的空气，从而对房 间进行取暖。 参考文献 【１１宋德清，方利国，王聃．相变储能材料的研究进展及在建筑中的应用 ４建筑用相变储能材料的应用展望 ⅡＪ．节能，２００８，（６）：４—７． 目前关于建筑用相变储能材料的研究和应用工作还处于 【２】王沁芳，张朝辉，杨江金．相变储能材料在节能建筑中的应用Ｄ】．建筑 起步阶段，许多问题还需要做进一步的研究。在未来几年，建筑 应用，２００９，（１）：４３—４５． 用相变储能材料的发展主要集中在以下几个方面： 【３】陶雅各．相变储能技术在建筑中的应用Ⅱ】＿建设科技，２００７，（６）：９８—９９． （１）针对不同的室内外环境条件，开发出物美价廉且具有 【４】田雁晨．相变储能材料卟化学建材，２００９，０５（４）：３２—３４． 合适相变温度和相变焓的储能材料。 【５】闰全英，王威，于丹．相变储能材料应用于建筑围护结构中的研究盯１． （下转第４５页） ３７ Ｒｏｎｇ—Ｊｕｎ Ｘｉｅ等［７１主要研究了以Ｃａ—ｄ—Ｓｉａｌｏｎ为基质，添 ４。３材料组织结构 加不同稀土元素（Ｃｅ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｙｂ等）的复相Ｓｉａｌｏｎ陶瓷的 陶瓷材料内部的晶体的组织结构对透明陶瓷的透光率也 发光性能。他们系统讨论了在紫外光激发下不同稀土元素在 有较大的影响。由多晶材料组成的陶瓷材料中，晶粒间的取向 Ｃａ—ｄ—Ｓｉａｌｏｎ基质中的各种发光系数，并通过对稀土元素的 不一定都是一致的。要想制备透光性较好的陶瓷材料就要尽量 电子能谱的分析解释了这种Ｓｉａｌｏｎ陶瓷的发光波段。 减小晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率。 目前国内关于ｄ—Ｓｉａｌｏｎ陶瓷光学性能研究工作还很少， 控制品粒异常长大也是提高陶瓷材料透光性能的重要因 主要是上海硅酸盐研究所苏新禄博士日在其博士论文工作期间 素。一般认为随着晶粒大小的增加，透光性也变强。因为晶粒变 的讨论了热压和等离子烧结Ｏｔ—Ｓｉａｌｏｎ陶瓷的透光性，以及不 大是单位厚度的样品所含的晶粒的数量减少，因此晶粒间的界 同稀土元素（Ｙ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙｂ等）对 —Ｓｉａｌｏｎ陶瓷透光性的影 面相也应减少，所以入射光强损失也变小，材料的透光率提高。 响。在他的工作中，结果比较好的是在红外波段Ｄｙ— —Ｓｉａｌｏｎ 陶瓷的透光率达到约６５％左右。另外他还对 —Ｓｉａｌｏｎ陶瓷的 ５结语 发光及闪烁性能作了初步研究。 （１）ＳｉＭｏｎ陶瓷不仅具备良好的力学和热学性能，还具有 由于 —ＳｉＭｏｎ陶瓷具备良好的力学和热学性能，可以使 良好的光学性能，特别是透光性能，在红外窗口材料方面具有 用在各种高温和极端条件下，因此具有光学功能性的 一定的应用前景。 Ｏｆ．一Ｓｉａｌｏｎ陶瓷在不但能用作常温下的高压灯管以及红外和紫 （２）制备透明的陶瓷，需要选择合适原料，产品具有较高 外窗口材料，还能在空间飞行器的红外窗口材料方面具有一定 致密度、晶粒大小均匀且晶粒无光学各向异性。 的应用前景。 ｄ—Ｓｉａｌｏｎ陶瓷还可以和ＧａＮ激光器配合使用，作为一种 参考文献 显示材料通过调整Ｑ—ＳｉＭｏｎ陶瓷不同的组分和稀土元素，是 Ｉ１］姜涛等．Ｓｉａｌｏｎ陶瓷材料的结构性质及应用ｏ１．耐火材料．２００１，３５（４）： 其能显示不同颜色，特别是以Ｙｂ Ｏ，为添加剂的 ２２９－２３２． Ｃａ—ｏＬ—Ｓｉａｌｏｎ能发出绿光，并且具有很好的色品特征，是一种 Ｉ２１刘军芳，傅正义，张东明等．透明陶瓷的研究现状和展望Ⅱ】．陶瓷学报， 新型荧光体转换的白光二极管 。 ２００２，２３（４）：２４６—２５０． 【３１Ｍ．Ｍｉｔｏｍｏ，Ｙ．Ｍｏｒｉｙｏｓｈｉ，Ｔ．Ｓａｋａｉ，Ｔ．Ｏｈｓａｋａ．ａｎｄ Ｍ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ． ４影响陶瓷透光强度的因素 Ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ Ｂ—Ｓｉａｌｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｌｅｔｔ．１９８２，（１）：２５—２６． 影响陶瓷材料透光性能的主要是散射系数，主要包括杂 ［４１Ｂ，Ｓ．Ｂ．Ｋａｒｕｎａｒａｍｅ，Ｒ．Ｊ．Ｌｕｍｂｙ，ａｎｄ Ｍ．Ｈ．Ｌｅｗｉｓ．Ｒａｒｅ—ｅａｒｔｈ ｄｏｐｅｄ 质、气孔晶界，微裂纹等缺陷产生的散射。这些散射系数和陶瓷 ０ｃ—Ｓｉａｌｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉｔｈ Ｎｏｖｅｌ Ｏｐｔｉｃａｌ ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓⅡ１＿Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ． 材料本身制备工艺、材料组织结构有很大关系。 １９９６，１ １（１ １）：２７９０—２７９４ 【５］Ｈａｓａｎ Ｍａｎｄａ１．Ｎｅｗ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｏｔ—ＳｉＡＩＯＮ ＣｅｒａｍｉｃｓⅡ】． ４．１原料 Ｅｕｒｏ Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．１９９９，（１ ９）：２９４９—２９５７． 原料的纯度，粒度，分散性，烧结性能都是影响陶瓷材料透 【６］Ｍ．Ｉｄｏｎｅｓ，Ｈ．Ｈｙｕｇａ，ａｎｄ Ｋ．Ｈｉｒａｏ．Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒ— 波性能的主要因素。因此在制备透明陶瓷材料中需要具有较细 ｔｉｅｓ ｏｆ ／ｐ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｉａｌｏｎｓ卟Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．２００３，８６（３）： 的粒度、分散性好、较高的活性的高品位原料才能不形成散射 ５２０—５２２． 中心，不降低材料的透波性能。 ￣］Ｒｏｎｇ－ｊｎｎ Ｘｉｅ，Ｍａｍｏｒｕ Ｍｉｔｏｍｏ，ｋｙｏｔａ Ｕｈｅｄａ，Ｆａｎｇｆａｎｇ Ｘｕ，ａｎｄ ４．２成型烧成工艺 Ｙｏｓｈｉｏ Ａｋｉｍｕｎｅ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ Ｃａｌｃｉ— 要保证陶瓷材料的均匀性，生产透明陶瓷的成型工艺一般 ｕｍ—ａｎｄ ｌ￣ａｒｅ—Ｅａｒｔｈ—ｄｏｐｅｄ ＳｉＡ１ＯＮ ＣｅｒａｍｉｃｓＵＩ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ． 选择压制成型，特别是等静压成型，减少材料在成型过程中由 ２００２，８５（５）：１ ２２９—１ ２３４． 于压力分布产生的层密度。烧结透波陶瓷时需要根据原料的烧 ［８１苏新禄等．非氧化物透明陶瓷的研究进展Ⅱ】．无机材料学报．２００３。５ 结性能和坯体的性质选择较高的烧成温度，充分排出陶瓷材料 （１ ８）：５２０—５２６． 的内部气孔。在烧成过程中还需要控制烧成制度，确保坯体的 【９】李素平等．Ｓｉａｌｏｎ基陶瓷材料的研究进展及应用Ⅱ１．金刚石与磨料磨 均匀性，控制晶粒生长，消除内部热应力，减少缺陷产生。最常 具工程．２００３．６（３）：７５—７７． 用的烧结方法是常压气氛烧结。 （上接第３７页） 材料导报，２００５，（８）：１０２－１０５． 的实验验证及参数分析卟太阳能学报，２００４。２５（２）：１８９—１９３． ［６］Ｆａｒｉｄ Ｍ．Ｋｏｎｇ Ｗ Ｊ．Ｕｎｄｅｒｆｌｏｏｒ ｗｉｔｈ Ｌａｔｅｎｔ Ｈｅａｔ ＳｔｏｒａｇｅⅡ】．Ｐｒｏ一 【８】孙学锋，周志华，李勇刚．相变材料在暖通空调的应用Ⅱ】．煤气与热力 ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００１，２１ ５（Ａ）：６０１—６０９． ２００６，（４）． ［７１叶宏，程丹鹏，葛新石等．定型相变储能式地板辐射采暖系统数值模拟 ４５