摘 要： 阐述了相变储能材料用于建筑节能的优势，介绍了相变储能材料在建筑中的应用研究进展与现阶段研究特点，探讨了相变储能材料在建筑节能应用方面存在的主要问题，并展望了相变储能材料在建筑节能中的应用前景。
　　
　　关键词： 建筑节能； 相变储能材料； 应用
　　
　　相变储能材料的英文全称为Phase Change Ma—terials，简称为PCMs。相变储能材料是指在一定的温度范围内，利用材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热，从而达到调控环境温度的一类物质。
　　当前，建筑能耗的比例正在逐年增加，国外已经达到40％ 以上?1。在节能减排为核心的“低碳经济”逐渐成为主旋律的大环境下，建筑节能新材料的开发受到广泛的关注。相变储能材料可以从环境中吸收能量和向环境释放能量，较好地解决了能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。同时，相变储能材料利用相变材料的相对潜热来储热，储能密度大，储热装置简单、体积小，而且储热过程中储热材料近似恒温，容易实现对室温的定温控制，特别适用于建筑保温节能领域，具有广阔的应用前景，有望成为“低碳经济”时代之建筑节能先锋。
　　
　　1 建筑节能相变储能材料研究的现阶段特点
　　
　　1)相变材料以固／液相变材料为主相变材料根据相变前后的状态不同，可以分为：固／固、固／液、固／气和液／气4大类。建筑节能领域中可用的相变材料只有固／固、固／液2类。目前国内外研究的相变材料多为固／液相变材料。当前已开发的固／液相变材料种类很多，但是适合建筑用的相变材料必须满足一定的要求(见表1)，因此可用的种类不多。市场上供应的相变材料主要为石蜡类与水和盐类。相变温度大都在20～30℃ 。固／液类相变材料，潜热大，价格便宜，也便于商业推广。但因在相变时有液体产生，会导致对基体材料的污染甚至腐蚀，因此，实际应用时，要对其进行适当的改性处理。
　　2)热传导增强方法以相变材料的定形改性为主多数固／液相变材料都存在导热性不好的问题，在实际应用前，需要对其进行定形改性处理后才能用来制备相变储能建筑材料。目前主要方法有封装法、渗入法和直接混合法。封装法是将相变材料封装后，再与建筑材料混合。具体有小封装和大封装两类。渗入法是将相变材料渗入多空的建材基体。
　　直接混合法是将相变材料与建材以一定的比例混在一起，并加入一些辅助试剂，得到适合相变储能建筑材料。其优点在于结构简单，性质更均匀，更易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同的需要。
　　目前，该种方式成为相变储能材料在建筑节能方面研究的热点课题。
　　3)自动式和主动式节能应用研究并重相变储能材料的建筑节能应用研究主要包括2大方面：自动式节能、主动式节能。自动式节能是通过相变储能建筑材料应用于墙体材料和其他建筑构件，利用人工或自然界的冷热源储存能量，能量边储存边释放。主动式节能是利用人工或自然冷热源储存能量，在需要时再释放能量，以缓解能量供需在时间和空间上的不匹配，达到充分利用廉价能源的目的。相变供暖储热系统和相变空调蓄冷系统是两种主要的主动式节能应用方式。目前对自动式节能和主动式节能的研究都很多，考虑到建筑空间条件会对自动式节能系统产生不利影响，主动式节能研究拥有更广阔的前景。
　　
　　2 相变储能材料在建筑节能中的应用研究进展
　　
　　相变储能材料在建筑节能中的应用研究开始于2O世纪70年代早期，Telkes首先进行了相变储能材料储存太阳能的试验研究l2 J。从那以后，相变储能材料在建筑节能中的应用日益得到众多学者和生产厂家的关注，进行了大量的试验研究并开发了众多的产品。目前，相变储能材料在建筑节能中的应用研究主要集中在以下3个方面：
　　1)相变储能材料的筛选与改进Lane等研究了不同相变温度下可用的相变材料C 3l。Abhat分析了有机、无机、共晶3大类相变材料的特点-4 J。Feldman和Shapiro分析了多种脂肪酸及其衍生物的热力学性质，发现它们是很好的相变材料 j。Hasan试验发现棕榈酸非常适合太阳能储热 。Farid等对三种商用石蜡的储热性能进行了比较研究 ]。Gemil Alkan制备出了磺化石蜡，在不降低石蜡本身相变温度的同时提高了其相变焓。
　　Stephen B．Marks对芒硝随热循环储热能力的变化进行了研究，结果表明随着循环次数的增加，储热能力降低。Yoneda等研究了一系列可用于建筑物取暖的硝酸共晶水合物，从中筛选储性能较好的六水氯化镁和六水硝酸镁的共晶盐。周云峰等研制出由结晶碳酸钠、结晶硫酸钠、尿素、硫酸钾、水和结晶剂组成的相变材料，具有储热性能好、成本低、无毒无腐蚀等优点，产品可数年循环使用，适用于各种温室冬季采暖。
　　2)建筑节能相变储能材料的制备工艺德国BASF公司将石蜡封装在微胶囊中，研制出石蜡砂浆 8。Hawes等用直接浸泡法制作相变储能混凝土 。Inaba H 等人通过熔融共混法成功地制备出石蜡／高密度聚乙烯定形相变材料-1。
　　Hawes和Feldman探讨了三种制备工艺，并认为封装法方便建筑使用。PiiaLamberg等介绍了将装有水合盐PCM 的金属管置人混凝土构件中，以提高建筑物结构的热容，从而在夏季对室内起到降温作用。但是水合盐PCM 具有腐蚀性，这种方法对容器的要求很高，而且容易泄漏。M．Hadjieva等用DSC测试了无机水合盐混凝土体系的蓄热能力，并用红外光谱分析了无机水合盐混凝土体系的结构稳定性。Takeshi Kondo等将PCM 压人交联聚乙烯中制成PCM 小球。然后再把这种PCM 小球加到其他多孔材料，如石膏板中，从而得到具有储热能力的PCM 石膏板。
　　3)相变储能建筑材料的应用方式Kedl等研究了将18烷石蜡浸入到墙板中应用到被动式太阳房，首次制成有相变性质的墙板L1¨。
　　Zhang等对建筑物的框架墙进行了热性能的改造。Peippo等人研究了包含不同量相变材料的不同类型的墙体结构的热力学行为，并在麦迪迅使用加有相变材料的石膏板建造了120m2的试验房，试验结果表明一年能够节约15％ 的热消耗量L1引。
　　Karen L等人通过模拟表明，相变墙板能转移居民空调负荷中90％的显热负荷到用电低谷期，能使采暖设备容量降低1／3。清华大学在相变墙体方面作了很多工作，包括相变材料的研制、相变墙体的物理、化学性能的测试。沈阳建筑工程学院通过将有机的相变材料与建筑材料相结合研制出相变墙板，在相近似的室外环境温度条件下，比较相变墙体房间与普通房间的热性能，进而分析相变墙体的使用在节能方面的作用。
　　
　　3 相变储能材料在建筑节能应用中存在的主要问题
　　
　　尽管相变储能材料在建筑节能中的应用有很大的潜力，相关理论研究取得了一定的成果，部分技术实现了商业化，产品、产业也有了一定发展，但由于对相变储能材料的技术、制备工艺、节能效果与经济效益等的认识和研究还远远不够，相变储能材料在建筑节能中的应用依然处于研发和试用阶段，距离大规模推广还很远。就目前而言，该项技术面临以下问题和障碍。
　　1)可用的相变储能材料的种类不足。严格的讲，目前研究开发的相变材料应用于建筑节能领域都存在不足，比如相变温度不匹配、相变热值低、导热性不好、与载体材料易分离等，需要进行封装、添加、共混等改性处理后才可应用。因此，可用于建筑节能的相变储能材料种类较少。
　　2)相变储能建筑材料的制备工艺尚不完善。目前的相变储能材料制备工艺中，直接渗人法相变材料发生相变时产生的液体易发生外露或者腐蚀基体材料。使用较多的微胶囊技术成本较高，而且当与建筑材料混合时，容易改变建筑材料的力学性质。
　　相变材料采用直接混入法时，特别需要注意配比，不然容易产生建材的耐久性、相容性差等问题。
　　3)相变储能材料的使用成本偏高。由于目前的技术尚不成熟，相变储能材料应用于建筑节能领域，其制备工艺成本复杂，成本较高。而且，由于缺乏对相变储能建筑材料的寿命分析，对相变储能材料的节能效果，也就很难做一个明确的经济评价，限制了相变储能材料的大规模应用。
　　
　　4 发展前景相变储能材料
　　
　　在建筑领域的应用已经成为其最为重要的利用途径之一。从建筑节能的角度来讲，对相变储能建筑材料的研究工作十分迫切。相变储能材料在建筑节能领域的应用研究，要加强相变材料的热物性、相变材料与建材基体的相容性和经济性3个方面的研究。
　　建筑节能的效果受到相变温度、相变储能材料的种类、相变材料与传统建材的配比、区域气候、建筑设计与结构等众多因素的影响。要进一步筛选合适的相变材料，探索新型相变材料。采用多元复合等技术研制高效的相变储能建筑材料。研制具有合适的相变温度与相变焓，廉价并且能在长期使用过程中保持物理化学性质稳定的相变材料。
　　改进相变材料的封装技术及其与基材的复合工艺，制备性能稳定、生态友好的相变储能材料。研究相变储能构件的使用条件及其设计方法，简历分析相变建筑构件和蓄冷采暖系统的物理模型，加强相变储能材料与建筑材料的结合研究。
　　加强相变储能建筑材料的力学性能和耐久性分析，进行相变储能材料应用于建筑节能的全生命周期分析，实现对相变储能建筑材料的经济评价。有助于进一步筛选相变材料，开发成本低的、具有简化制备工艺的、易于在传统建筑只品中使用并且便于在传统建筑结构中安装的相变材料。为相变储能建筑材料的大规模使用创造条件。
　　建筑节能是社会发展的需求，相变储能材料的研究与建筑节能的结合将会成为建筑节能今后的重要发展方向。