建筑節(jié)能中相變材料的運(yùn)用論文
引言
隨著人類生活水平的不斷提高，建筑能源消費(fèi)增長迅速。以發(fā)展中國家為例，其建筑能源消費(fèi)增量極為驚人，早就超過發(fā)達(dá)國家能源總消費(fèi)量的20%[1]。建筑節(jié)能已經(jīng)成為能源安全與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)，是當(dāng)今活躍的研究方向之一[2，3]。相變儲熱技術(shù)利用物質(zhì)相變潛熱對能量進(jìn)行科學(xué)貯存和利用，不僅能解決和緩解能量在時(shí)間、空間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上轉(zhuǎn)換和供需的不匹配，既方便高效利用能源又利于節(jié)能減排，而且還具有溫控系統(tǒng)裝置簡單、維修管理方便和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的建筑節(jié)能方法[4—7]。凡物理性質(zhì)會隨溫度變化而改變，并能提供潛熱的物質(zhì)，均是相變儲熱材料，簡稱為相變材料（Phase change materials，PCM）。PCM是相變儲熱技術(shù)的核心物質(zhì)，其性價(jià)比關(guān)系該技術(shù)的應(yīng)用前景。因此，研究高性價(jià)比的PCM，往往是開發(fā)相變儲熱技術(shù)的關(guān)鍵。已有諸多文獻(xiàn)詳盡報(bào)道了PCM的研究進(jìn)展[4—11]，然而，只有少數(shù)文獻(xiàn)扼要介紹PCM的建筑節(jié)能應(yīng)用[12，13]。本文將系統(tǒng)介紹相變材料及其在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究進(jìn)展。
1 PCM的分類與選擇
1。1 PCM的分類
按化學(xué)成分，PCM可分為無機(jī)、有機(jī)和復(fù)合型3類；按相變形式，常分為固—液、固—固、液—?dú)夂凸獭獨(dú)庑?類；按相變溫度，又可分為低溫、中溫和高溫型3類；按儲熱方式，還可分為顯熱、潛熱及反應(yīng)儲熱型3類[9]。以下按化學(xué)分類法介紹PCM。
1。1。1無機(jī)PCM無機(jī)PCM主要有水合無機(jī)鹽、無機(jī)鹽、熔鹽和金屬合金。水合無機(jī)鹽可用AB·nH2O通式表示，在相變時(shí)會脫水，并轉(zhuǎn)化成含水更少的鹽，其相變溫度一般低于100℃，適用作低溫PCM，主要有堿金屬、堿土金屬的水合鹵化物、氯酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽和醋酸鹽等，其中，以CaCl2·6H2O的性價(jià)比為最高，應(yīng)用最廣[14]。不一致熔融是此類PCM的通病，表現(xiàn)為釋放的水不足以完全溶解相變過程所形成的鹽，易產(chǎn)生密度差、相分離和沉淀等不利應(yīng)用的負(fù)面問題，通常需加入膠凝劑或增稠劑加以解決。成核能力差，使用過程易出現(xiàn)過冷是它們的另一缺點(diǎn)，添加成核劑或保留少量晶體充當(dāng)成核點(diǎn)是常用的克服方法。此外，它們在使用時(shí)一旦泄漏，還容易腐蝕設(shè)備與裝置。
無機(jī)鹽主要包括鋰、鈉、鉀、鋁和鎂的鹵化鹽、硝酸鹽、碳酸鹽及氧化物，可滿足190~1280℃的相變溫度需求[14]。但是，單一無機(jī)鹽的熔程較窄，因不含有結(jié)晶水，所以通常會將多種無機(jī)鹽混合形成共晶熔鹽，這樣一則調(diào)節(jié)相變溫度和儲熱量，二則減少體積變化，改善傳熱并降低成本[15]。熔鹽PCM具有飽和蒸汽壓低、使用溫度高、熱穩(wěn)定性好、對流傳熱系數(shù)佳和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是它們的導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫腐蝕性強(qiáng)。鋁、銅、鎂、鋅的二元和三元合金，具有導(dǎo)熱性好、相變潛熱大、熱穩(wěn)定性高，體積變化小和無過冷等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)前述無機(jī)鹽PCM的不足；但是它們的成本較高，也有高溫腐蝕性問題。
1。1。2有機(jī)PCM按分子量，有機(jī)PCM多分為：（1）低分子類，如脂肪烴、脂肪酸、糖醇和酯等，主要發(fā)生固—液相變；（2）聚合物類，如聚烯烴、聚氨酯、聚多元醇以及它們的共聚物，主要發(fā)生固—固相變。固體成形好、腐蝕性小、過冷少且不易發(fā)生相分離是有機(jī)PCM的優(yōu)點(diǎn)[5]；但是它們的導(dǎo)熱系數(shù)小、熱穩(wěn)定性差、可分解燃燒，且在使用過程中易發(fā)生泄漏或老化失效，往往需要添加導(dǎo)熱劑和封裝加以避免[8]。
石蠟是最常用的有機(jī)PCM，具有CnH2n+2（20≤n≤40）分子通式，為直鏈烷烴混合物，其相變溫度會隨分子量增大而升高（4。5~68℃），其熔融焓則隨組分不同而變化（152~244kJ/kg）[16]；商用石蠟的相變溫度與熔融焓通常在55 ℃上下和200kJ/kg左右。石蠟無反應(yīng)活性，不腐蝕金屬，使用金屬容器封裝比較安全；若選用高聚物尤其是聚烯烴容器，必須考慮其滲透與溶脹對容器性能的劣化影響。石蠟PCM最大的不足是熱導(dǎo)率太低，無法提供所需的熱交換比率，通常須添加導(dǎo)電性粒子加以克服[14]。脂肪酸是非石蠟PCM的代表，其相變溫區(qū)為—15~81℃，相變焓范圍為45~210kJ/kg[8，17]，常見的有辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸等。脂肪酸PCM具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）多來源于自然，可生物降解，污染小；（2）可全等熔化，熔融焓高；（3）化學(xué)及熱穩(wěn)定好，在數(shù)以十萬計(jì)的熱（熔化/凍結(jié)）循環(huán)過程中無顯著熱解；（4）具有較佳的熔化—凍結(jié)重現(xiàn)性，很少或基本無過冷行為[17]。然而，脂肪酸比石蠟貴，有輕度腐蝕性，并具有不愉快氣味。脂肪酸的酯衍生物可在較窄的溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)固—液轉(zhuǎn)變，并且其混合物還能形成共晶，類似于許多無機(jī)熔鹽，所以很少或基本無過冷行為。因此，酯也是潛在的理想PCM，常見的主要有硬、軟脂酸的甲酯、異丙酯、正丁酯、十六酯和甘油三酯等，以及它們的共熔混合物。值得注意的是，甘油三酯在應(yīng)用時(shí)容易出現(xiàn)多態(tài)相變，而一元酯則不會[14]。糖醇具有較高的相變溫區(qū)90~200℃，是潛在的中溫有機(jī)PCM，盡管已有四十多年的研究歷史，但至今受關(guān)注仍不高。木糖醇、赤蘚醇和甘露醇等是該家族中熔融焓較高的成員。聚乙二醇（PEG）擁有—CH2—CH2—O—重復(fù)單元，為半結(jié)晶聚合物，結(jié)晶度可達(dá)83。8%~96。4%[18]，具有較高的熔融焓117~188kJ/kg[19，20]，是聚合物類PCM的重要成員。PEG的相變溫度為4~70℃，隨其分子量增加而升高；為拓寬其相變溫區(qū)，常將PEG和脂肪酸共混，同時(shí)共混還利于提高其熔融焓[21]。與多數(shù)有機(jī)PCM一樣，PEG最大的問題也是熱導(dǎo)率較低。
以上列舉的均是固—液型PCM，它們的相變體積變化大且易發(fā)生泄漏。固—固型PCM可以彌補(bǔ)它們的不足，但成本較高；多元醇、改性聚乙二醇、烷基銨、聚烯烴和聚氨酯等均可用作固—固PCM[14，22，23]。季戊四醇、甘油、三羥甲基乙烷、三（羥甲基）氨基甲烷、新戊二醇和2—氨基—2—甲基—1，3—丙二醇等是常見的多元醇，它們在低溫下幾乎都呈異質(zhì)相，但是當(dāng)溫度升到其固—固相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它們都會形成一個(gè)正面心立方晶相以吸收氫鍵能。改性聚乙二醇主要是指：
PEG與淀粉或纖維素（含纖維素酯及醚）的物理混合體或化學(xué)接枝物，它們的相變行為具有如下特點(diǎn)：（1）物理共混改性時(shí)，傾向于液—固相變，而化學(xué)接枝時(shí)，則易發(fā)生固—固相變[24]；（2）PEG為共混物的少組分，方可實(shí)現(xiàn)完全固—固相變[25]；（3）物理共混物的相變焓主要由其體系內(nèi)氫鍵的強(qiáng)度和數(shù)量決定[26]；（4）接枝改性PEG的相變主要發(fā)生在側(cè)鏈上的晶態(tài)與非晶態(tài)PEG間，并且其相變溫度還可通過改變側(cè)鏈PEG的分子量來調(diào)節(jié)[27]。共聚合改性，可大大改善PEG的熱穩(wěn)定性，但是難度大、成本高[23]。讓多元醇、PEG分別與多異氰酸酯反應(yīng)，均可衍生為聚氨酯 （PU）；此類PU的相變行為與接枝改性PEG的類似[28]。此外，有報(bào)道稱高密度聚乙烯和反式1，4—聚丁二烯也是潛在的固—固PCM[29]。
1。1。3復(fù)合PCM單一無機(jī)或有機(jī)PCM一般都有缺點(diǎn)。將性能具有互補(bǔ)性的兩種及以上材料復(fù)合，不僅可賦予材料更全面的性能，利于改善應(yīng)用效果、拓寬使用范圍，而且能降低成本[10]。因此，復(fù)合PCM往往更具實(shí)用價(jià)值和市場空間。按狀態(tài)通常將復(fù)合PCM分為混合PCM和定型PCM兩大類[9]。前者制造簡單、相變溫度易調(diào)，但是容易泄漏，需要封裝，否則使用不安全[30]；后者是利用膠囊、多孔或插層等基材作為支撐將相變物質(zhì)包封于微小空間內(nèi)，具有無需封裝、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，但是制備工藝復(fù)雜、成本高。
通過復(fù)合來強(qiáng)化傳熱是PCM研究的焦點(diǎn)，主要依托物理組合、物理共混、化學(xué)改性、微膠囊包封和納米復(fù)合等技術(shù)。所謂物理組合，是指根據(jù)實(shí)際需要在空間上對不同性能的PCM作特殊的排列與組合，主要有4種方式：（1）沿傳熱方向串聯(lián)不同的PCM；（2）沿 垂 直 傳 熱 方 向 并 聯(lián) 不 同 的PCM[31]；（3）將PCM填入傳統(tǒng)材料的孔穴中[32]；（4）金屬肋片與PCM同用。物理共混，是指通過添加微納米尺寸的金屬、石墨、碳纖維和聚苯胺等物質(zhì)來改善PCM的導(dǎo)熱性能。
化學(xué)改性，主要是指：（1）二元或多元無機(jī)鹽的混合，（2）有機(jī)—無機(jī)接枝或雜化，（3）單體共聚合改性，（4）摻雜制備金屬合金。微膠囊包封，是以相變物質(zhì)為芯，用金屬、陶瓷、高分子或聚合物等作膜壁將芯包埋在微小而密封的膠囊中[33]；多以密胺樹脂、脲醛樹脂、酚醛樹脂和聚烯烴共聚物作膜壁；當(dāng)壁材與相變物質(zhì)極性接近時(shí)，也可以通過物理共混來包封，得到類似于微膠囊包封的PCM[34，35]。納米復(fù)合，則是指利用特殊的納米尺寸效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)或改變聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)PCM的綜合性能，包括儲能效率、使用壽命、力學(xué)性能和相變溫區(qū)等[36]；例如，納米流體[37]和納米膠囊[38]等新型PCM性能優(yōu)異，正引領(lǐng)著相變儲熱技術(shù)發(fā)展的新方向[39]。
1。2 PCM的選擇通則
綜合權(quán)衡其在化學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性等多方面的性能，是選擇PCM的基本原則[11]。首先，要有相對的化學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)反復(fù)使用性狀不發(fā)生質(zhì)的改變；并且安全無毒害，不易燃爆，腐蝕性小，無揮發(fā)或擴(kuò)散污染。其次，符合熱力學(xué)性能要求，熔沸點(diǎn)高，難揮發(fā)損失；密度大，單位體積儲熱量大，且相變過程體積變化小；導(dǎo)熱性好，相變溫度合適、潛熱高，且相態(tài)轉(zhuǎn)變均勻有序。再次，滿足動力學(xué)性能要求，相變速率快、可逆性好，結(jié)晶時(shí)速度要快，凝固時(shí)過冷度應(yīng)小，熔化時(shí)宜無過飽和。最后，還要適應(yīng)商業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，不僅要原料易得，成本低廉，而且還要滿足技術(shù)性能要求，具有良好的工業(yè)價(jià)值。然而，在實(shí)際中，很難研發(fā)或?qū)ふ彝耆仙鲜鲈瓌t的PCM，通常是優(yōu)先考慮相變溫度合適、相變潛熱高和價(jià)格低廉，然后再去考慮其它因素。具有局部性能缺陷，是諸多PCM的共性，可采取特定技術(shù)措施加以克服[3137]。
2 PCM在建筑節(jié)能中的應(yīng)用
2。1 PCM在建筑節(jié)能中的作用
2。1。1免費(fèi)供冷或供熱免費(fèi)供冷，即依靠PCM利用天然冷源為建筑制冷，適用于晝夜溫差較大以及常年或冷季仍需要供冷的建筑，如配電房、計(jì)算機(jī)房、大型商場以及大型辦公建筑內(nèi)區(qū)等。
PCM在其中主要起按需存儲與釋放冷能的作用，通常是夜間凝固存儲冷能，而白天熔融釋放冷能（從照明、供暖和通風(fēng)等系統(tǒng)吸收熱量，使建筑冷卻）[6]。PCM免費(fèi)供冷系統(tǒng)不僅節(jié)省人工制冷能耗，利于減少溫室氣體排放，而且還可改善人居舒適度。Walsh B P等[40]將水合無機(jī)鹽PCM引入工業(yè)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，用于夜間免費(fèi)存儲冷能，經(jīng)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，PCM在高峰期可減少67%冷凍機(jī)組的運(yùn)行。
Mosaffa A H等[41]用10mm的CaCl2·6H2O基PCM板將3。2mm矩形通氣孔隔開，設(shè)計(jì)了一種寬1。3m類似百葉窗的免費(fèi)供冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在25~36℃炎熱氣候下提供良好的舒適度。當(dāng)然，也可依靠PCM利用天然熱源為建筑制熱，不妨稱之為免費(fèi)供熱。值得強(qiáng)調(diào)的是，免費(fèi)供熱在原理上同免費(fèi)供冷是一樣的，只不過從節(jié)能效果上看，它節(jié)省的是人工供熱能耗，而后者節(jié)省的是人工制冷能耗。
2。1。2削峰填谷削峰填谷主要是指將電力高峰負(fù)荷的用戶需求轉(zhuǎn)移到電力低谷負(fù)荷時(shí)段。通過電控系統(tǒng)使PCM建材在非高峰期存儲熱能或冷能，而在高峰期間將其釋放出來，是實(shí)現(xiàn)削峰填谷的主要途徑。削峰填谷可在很大程度上緩解建筑能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的矛盾，對加強(qiáng)電力需求側(cè)管理以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能具有重大意義。閆全英等[30]
往復(fù)合輻射供暖板的硅鈣板結(jié)構(gòu)層中添加石蠟基PCM，大大提升了該地板的儲熱能力，經(jīng)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)用該地板構(gòu)建的供暖系統(tǒng)不僅能節(jié)約電費(fèi)，而 且還可以 起削峰填谷 作用。
Jin X等[42]將熔融溫度分別為38℃和18℃的PCM材料串聯(lián)，依次作為供熱 與制 冷層，獲得了具 有削峰填谷 功 能 的 雙 層PCM地板：當(dāng)PCM熔融焓均為150kJ/kg時(shí)，該雙層PCM地板在高峰期供熱或制冷所放吸的能量分別比同質(zhì)無PCM地板高41。1%和37。9%。
2。2 PCM在建筑中的節(jié)能方式
2。2。1被動式節(jié)能被動式節(jié)能是指建筑物本身通過各種自然的方式來收集和儲存能量，使之與其周圍的環(huán)境形成能量自循環(huán)系統(tǒng)，而不需要耗能設(shè)備支持即能充分利用自然資源，進(jìn)而可明顯減少傳統(tǒng)能耗，在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中往往被優(yōu)先考慮[43]。被動式建筑系統(tǒng)最大的不足就是容易過熱或過冷，用PCM建材完全或部分替代傳統(tǒng)建材，可顯著降低被動式建筑系統(tǒng)的過熱或過冷的年小時(shí)數(shù)，從而改善人居舒適度，并利于節(jié)能減排。
Sage—Lauck J S等[44]用儀表監(jiān)控并研究一棟兩層復(fù)式公寓的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和建筑能源使用狀況，該復(fù)式公寓呈鏡像平分為兩個(gè)單元，其中一個(gè)單元安裝有130kg的PCM，另一單元則沒有；經(jīng)觀測數(shù)據(jù)分析和計(jì)算模擬評估，他們發(fā)現(xiàn)安裝PCM能將公寓全年的過熱小時(shí)數(shù)減少1/2，極大改善了舒適性。Castell A等[45]用石蠟填充的PCM磚構(gòu)建被動式建筑節(jié)能系統(tǒng)，經(jīng)比較研究發(fā)現(xiàn)，PCM磚較普通磚具有更好的儲熱能力，能緩沖溫度變化，減少主動供能干預(yù)，從而在單個(gè)夏季可節(jié)省15%的電耗，每年則會削減1~1。5kg/m2的CO2排量。
2。2。2主動式節(jié)能主動式節(jié)能是指利用各種機(jī)動設(shè)備組成主動系統(tǒng)來收集、轉(zhuǎn)化和儲存能量，以充分利用太陽能、風(fēng)能、水能、生物能等可再生 能源，同時(shí) 提高傳 統(tǒng)能 源的 使 用 效 率[43]。利 用PCM良好的儲熱與散熱性能，構(gòu)建主動式加熱、通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)，尤其適用于建筑節(jié)能[46]。由于被動式和主動式節(jié)能方法相輔相成、密切聯(lián)系、難以界分，所以已被研究的主動式節(jié)能系統(tǒng)幾乎都是兼有被動式和主動式節(jié)能機(jī)制。將兩種節(jié)能機(jī)制聯(lián)用的潛在益處還在于既能提高節(jié)能效率，又可削減機(jī)動設(shè)備成本。李建等[47]設(shè)計(jì)了一種電加熱相變地板供暖系統(tǒng)，自下而上由保溫層、電加熱層、石蠟—石膏相變層和覆蓋層組成，集被動式和主動式節(jié)能機(jī)制于一體；該系統(tǒng)儲熱能力好，可平緩室內(nèi)氣溫變化，能改善人居舒適度，且比普通地板供暖系統(tǒng)更省電。
Belmonte J F等[48]用石蠟基PCM復(fù)合的地板、天花板，搭建了兼有水力輻射制冷系統(tǒng)和空氣熱回收系統(tǒng)的模型房屋，并對其建筑能耗做了模擬研究，結(jié)果表明使用PCM可使模型房屋對制冷需求減少了50%以上。
2。3 PCM在建筑節(jié)能中的應(yīng)用形式將PCM與傳統(tǒng)建材復(fù)合成PCM建材后，再用于建造建筑，是PCM在建筑節(jié)能中的主要應(yīng)用形式；常用復(fù)合方法有[13]：（1）直接加入法，將PCM與水泥、石膏、砂漿和混凝土等直接混合；（2）浸滲法，將混凝土、磚塊和墻板等浸泡在液相PCM中，通過毛細(xì)管作用吸收PCM；（3）封裝法，包括吸附封裝和微膠囊封裝，吸附封裝是以吸附和浸漬的方式將PCM吸附到膨潤土、膨脹石墨、膨脹珍珠巖等多孔材料中，制備成顆粒型PCM建材；微膠囊封裝則是往粒徑為1~1000μm的顆粒PCM表面包覆一層天然或人工合成的高分子薄膜，然后再將微膠囊PCM摻入、吸附或填充于傳統(tǒng)建材中。
2。3。1 PCM流體PCM流體主要由PCM顆粒和傳熱流體組成，可以相變微膠囊漿液或相變?nèi)橐盒问酱嬖冢凰鼮闈摕峁δ芰黧w，具有兩相熱轉(zhuǎn)換，在相變溫度范圍內(nèi)較傳統(tǒng)單相的熱流體具有更大表觀比熱，并且PCM流體還會顯著增大流體與管壁之間的傳熱速率，減少泵的質(zhì)量流率和能量消耗。因此，PCM流體在加熱、通風(fēng)、空調(diào)、制冷和熱交換等方面具有許多潛在的重要應(yīng)用[49]。已工程化應(yīng)用的PCM流體主要有3類：（1）相變漿液，其相變元件是微膠囊或球狀的定形PCM，懸浮于傳熱流體中；（2）可熔乳液，用表面活性劑將PCM懸浮分散于流體載體中；（3）冰漿[50]。
2。3。2 PCM砂漿相對于普通砂漿，PCM砂漿往往具有更好的調(diào)溫、保溫和隔熱性能，更高的抗壓強(qiáng)度和碳化深度。柯倩倩等[51]用改性硅酸鈣粉末包覆的石蠟/膨脹珍珠巖PCM，與水泥砂漿復(fù)合獲得了PCM砂漿，該P(yáng)CM砂漿具有良好的調(diào)溫性能，可以降低室溫波動和減小最大溫度值，并且PCM摻量越大，調(diào)溫效果越明顯。
VentolàL等[52]摻用5%~15%石蠟基PCM改善了石灰砂漿的綜合性能：相變焓增高了14。35~27。15kJ/kg，抗壓強(qiáng)度提升近2倍，碳化深度則升高超2倍。聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、叔碳酸乙烯酯、乙烯基共聚物等與傳統(tǒng)砂漿相容性好，若以這些聚合物作為PCM的微膠囊壁材，還可以改善砂漿的粘合性、抗裂性及韌性[12]。然而，所摻的PCM若為可燃物或含有可燃包覆層，PCM砂漿的阻燃性能將會下降，故此時(shí)摻量不宜過大，例如商用GR27PCM的摻量高于25%時(shí) 較 易 燃，所 得PCM砂 漿 只 適 用 于 低 級 防 火 場合[53]。
2。3。3 PCM混凝土PCM混凝土的儲熱、散熱與調(diào)溫性能好，應(yīng)用范圍廣，已受到20多年的高度關(guān)注[54]。朱祥等[55]以稻稈、水玻璃膠和Na2SO4·10H2O為原料，經(jīng)浸漬—模壓法，制備了PCM板，再將該板插入帶有槽型孔的混凝土磚中，得到PCM組合混凝土磚；經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)將預(yù)制的PCM板與混凝土多孔磚組合，能改善原混凝土磚的保溫性能，但是效果不顯著，主要是因?yàn)檫@種簡單方式的組合，一則無法達(dá)成PCM混凝土結(jié)構(gòu)均一，易引發(fā)受熱與傳導(dǎo)的不均，二則PCM于混凝土的負(fù)載量受限，結(jié)果 其儲能 效 果 欠 佳。填 充 式 組 合 能 有 效 提 高PCM在混凝土中的負(fù)載量，因此更利于改善混凝土的保溫性能。
Karim L等[34]在100℃以上，將石蠟、13~15碳烷烴和苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物作物理共混與包封處理，得相變溫度為27℃、熔融焓為110kJ/kg的石蠟基PCM；再將該石蠟基PCM填入混凝土空心地板（方形，28cm×28cm×3。75cm）的孔穴（圓柱形，直徑2。5cm，深28cm）中，制得能夠較好地緩沖溫度變化的PCM混凝土板，該板適用作輕質(zhì)保溫建材。采用多孔材料吸收液體PCM，先制成相變骨料，再將骨料與普通混凝土復(fù)合，則更有利于克服結(jié)構(gòu)不均的問題，從而益于獲得儲能效果更好的PCM混凝土。
張東等[56]將吸附硬脂酸丁酯的超輕膨脹粘土陶粒作相變骨料，研制出儲能功能與商業(yè)相變材料相當(dāng)?shù)腜CM混凝土，能較好滿足實(shí)用要求。當(dāng)然，選用多孔材料制作相變骨料時(shí)，一定要注意其結(jié)構(gòu)特征對PCM吸附量的影響，因?yàn)橛善溲苌腜CM混凝土的儲能效果會隨PCM體積分?jǐn)?shù)的增加而呈指數(shù)形式增加[56]。
與PCM砂漿類似，引入PCM可能會劣化混凝土力學(xué)強(qiáng)度、長期穩(wěn)定性和阻燃性能等；若原料及方法選用得當(dāng)，這些劣化影響均可降至最低或消除[57]。李宗津等[58]選用硅藻土作相變細(xì)骨料，研發(fā)石蠟相變水泥基復(fù)合材料，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該材料的綜合力學(xué)性能不僅大大好于普通混凝土，而且也明顯優(yōu)于經(jīng)聚乙烯醇纖維強(qiáng)化的同類水泥基復(fù)合材料，主要?dú)w因于硅藻土具有火山灰活性，用其所制的含石蠟骨料與水泥具有很好的相容性；又由于采用細(xì)骨料，復(fù)合體結(jié)構(gòu)的均勻性被明顯改善，所以該材料還具有儲能效果好和保溫性能高等優(yōu)點(diǎn)。
Lecompte T等[59]則以17~20μm粒徑的十八烷為PCM，選取細(xì)顆粒的水泥、砂和礫石等作原料，采用先干粒料預(yù)混、再加入高效減水劑、后低速摻混PCM的三步工藝制備了PCM混凝土，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該P(yáng)CM混凝土的保溫性能和力學(xué)強(qiáng)度均很好，這主要受益于嚴(yán)格選料及采用三步混合工藝。
2。3。4 PCM磚在制備免燒磚時(shí)直接摻入PCM，或?qū)CM填入多孔燒結(jié)磚的孔穴內(nèi)，即可獲得PCM磚。摻混型PCM磚具有制備工藝簡單，熱性能易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但是力學(xué)強(qiáng)度欠佳。填充型PCM磚含有燒結(jié)磚體，可保持良好力學(xué)強(qiáng)度，但是，PCM類型、填充量及填充位置均會影響其熱性能[60]。Alawadhi EM等[61]將烷烴基PCM填入普通圓孔磚，研究了PCM類型、填充量及填充位置對所得PCM磚熱性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：正二十烷PCM的熱性能優(yōu)于石蠟P116和正十八烷PCM；PCM磚調(diào)節(jié)室溫能力隨著PCM填充量的增加而變強(qiáng)；PCM填充于磚的中心線位置，既能保持磚的強(qiáng)度，又會賦予PCM磚較好的熱效能，可使室內(nèi)熱通量較無PCM填充時(shí)減少17。55%。
2。3。5 PCM石膏在等同的熱環(huán)境條件下，PCM石膏墻板比普通石膏墻板具有更強(qiáng)的蓄放熱與調(diào)溫能力，在內(nèi)隔墻、內(nèi)墻貼面、天花板和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等有著廣泛的保溫節(jié)能應(yīng)用價(jià)值[62，63]。李鴻錦等[64]基于焓法數(shù)值模型，利用Fluent軟件模擬研究了月桂酸—癸酸基PCM石膏板于夏熱冬冷地區(qū)的隔熱性能與節(jié)能 效 益，結(jié) 果 表 明，該P(yáng)CM石 膏 板 的 潛 熱 利 用 率 為38。7%，其所構(gòu)成的墻體比普通墻體約節(jié)能27。6%。隨著PCM復(fù)合量的增加，PCM石膏建材的節(jié)能效率通常會變大，但是其力學(xué)強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性反隨之下降，因此，PCM復(fù)合量不宜過高[65，66]。曾令可等[67]先采用溶膠—凝膠法制備脂肪酸/二氧化硅PCM，再將之與半水石膏粉和硅藻土等復(fù)合，制備了PCM石膏板，該板在PCM用量為15%時(shí)具有較好的綜合性能。
2。3。6 PCM陶瓷黎濤等[68]以石蠟為芯材，水性環(huán)氧樹脂為壁材，通過化學(xué)聚合法先制得PCM膠囊，再將該膠囊填充空心陶瓷板的內(nèi)夾層，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，引入PCM膠囊后，陶瓷板變得具有調(diào)溫性能，在吸熱與放熱過程的最大調(diào)溫值分別為3。7 ℃和3℃。
Pitie F等[69]則用SiC封裝硝酸鹽，制備了微尺寸PCM陶瓷，該陶瓷具有高溫相變、比表面積大和熱轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。
2。3。7 PCM涂料PCM涂料通常都是由微膠囊PCM與傳統(tǒng)涂料摻混而成，具有吸/放熱及保溫功能[70]。于建香等[71]通過溶劑揮發(fā)法，用聚甲基丙烯酸甲酯包覆CaCl2·6H2O，先制得微膠囊PCM，再摻之到內(nèi)墻涂料，制得自調(diào)溫PCM涂料；該涂料的相變焓隨著微膠囊PCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，但是以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)漆膜的綜合性能為最好。楊保平等[72]采用界面聚合法，以2，4—甲苯二異氰酸酯與四乙烯五胺的反應(yīng)物為壁材包覆硬脂酸丁酯，制得聚脲微膠囊PCM，再將之作為填料加到防銹涂料中，獲得自調(diào)溫PCM防銹涂料。
Tan S J等[35]則是將石蠟和高密度聚乙烯于120 ℃均勻共混1h，獲得類似微膠囊化的PCM，再將其與聚氨酯復(fù)配制成自調(diào)溫PCM涂料，當(dāng)微膠囊PCM復(fù)配達(dá)40%時(shí)，所得PCM涂料具有較好的粘接強(qiáng)度和抗熱震性能。
3 結(jié)語
全球建筑能源消費(fèi)增長快速驚人，建筑節(jié)能已是能源安全與可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。基于PCM的相變儲熱技術(shù)，能方便需求側(cè)管理，益于能源高效利用，利于節(jié)能減排，是理想的建筑節(jié)能方法。相變溫度合適、相變潛熱高和價(jià)格低廉通常是選擇PCM的首要因素。多數(shù)PCM都具有局部性能缺陷，可采取特定技術(shù)措施加以克服。通過物理組合、物理共混、化學(xué)改性、微膠囊包封或納米復(fù)合等技術(shù)強(qiáng)化PCM導(dǎo)熱性，是PCM研究的重點(diǎn)。
PCM應(yīng)用于建筑節(jié)能已有近40年的歷史，主要經(jīng)歷了可行性篩選、復(fù)合工藝完善和制品實(shí)用化3大階段[73]；至今已在自然能源利用、廢熱回收、智能溫控和工程保溫等方面得到良好應(yīng)用[33]。先將PCM吸收或封裝，再將之與傳統(tǒng)建材復(fù)合，是制備PCM建材的主要方法。目前，已有PCM流體、PCM砂漿、PCM混凝土、PCM磚、PCM石膏、PCM陶瓷和PCM涂料等PCM建材出現(xiàn)，它們都具有調(diào)溫性能，已被廣泛地應(yīng)用于地板、墻壁和屋頂?shù)冉ㄖ糠种校诠?jié)能中主要起免費(fèi)供冷和削峰填谷作用，可采取主動式節(jié)能、被動式節(jié)能或者兩種方式兼有。
研發(fā)新技術(shù)克服PCM局部性能缺陷，發(fā)展綠色、阻燃及智能PCM建材將是本領(lǐng)域未來發(fā)展的主要方向。由于生產(chǎn)PCM建材的耗能高于傳統(tǒng)建材，所以在生命周期內(nèi)深入考察PCM的節(jié)能功效、評價(jià)其環(huán)境影響，也會是該領(lǐng)域今后發(fā)展的重點(diǎn)方向[74]。
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