建筑节能中相变材料的运用
建筑节能中相变材料的运用
引言
随着人类生活水平的不断提高，建筑能源消费增长迅速。以发展中国家为例，其建筑能源消费
增量极为惊人，早就超过发达国家能源总消费量的 20%[1].建筑节能已经成为能源安全与可持
续发展战略的重要环节，是当今活跃的研究方向之一[2,3].相变储热技术利用物质相变潜热对能
量进行科学贮存和利用，不仅能解决和缓解能量在时间、空间、强度及地点上转换和供需的不
匹配，既方便高效利用能源又利于节能减排，而且还具有温控系统装置简单、维修管理方便和
性价比高等优点，是理想的建筑节能方法[4-7].凡物理性质会随温度变化而改变，并能提供潜热
的物质，均是相变储热材料，简称为相变材料（Phase change materials,PCM）.PCM 是相变储热
技术的核心物质，其性价比关系该技术的应用前景。因此，研究高性价比的 PCM,往往是开发
相变储热技术的关键。已有诸多文献详尽报道了 PCM 的研究进展[4-11],然而，只有少数文献扼
要介绍 PCM 的建筑节能应用[12,13].本文将系统介绍相变材料及其在建筑节能中的应用研究进
展。
1 PCM 的分类与选择
1.1 PCM 的分类
按化学成分，PCM 可分为无机、有机和复合型 3类；按相变形式，常分为固-液、固-固、液-气
和固-气型 4类；按相变温度，又可分为低温、中温和高温型 3类；按储热方式，还可分为显
热、潜热及反应储热型 3类[9].以下按化学分类法介绍 PCM.
1.1.1 无机 PCM 无机 PCM 主要有水合无机盐、无机盐、熔盐和金属合金。水合无机盐可用
AB·nH2O 通式表示，在相变时会脱水，并转化成含水更少的盐，其相变温度一般低于 100℃,
适用作低温 PCM,主要有碱金属、碱土金属的水合卤化物、氯酸盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸
盐、磷酸盐和醋酸盐等，其中，以 CaCl2·6H2O 的性价比为最高，应用最广[14].不一致熔融是
此类 PCM 的通病，表现为释放的水不足以完全溶解相变过程所形成的盐，易产生密度差、相
分离和沉淀等不利应用的负面问题，通常需加入胶凝剂或增稠剂加以解决。成核能力差，使用
过程易出现过冷是它们的另一缺点，添加成核剂或保留少量晶体充当成核点是常用的克服方
法。此外，它们在使用时一旦泄漏，还容易腐蚀设备与装置。
无机盐主要包括锂、钠、钾、铝和镁的卤化盐、硝酸盐、碳酸盐及氧化物，可满足190~1280℃
的相变温度需求[14].但是，单一无机盐的熔程较窄，因不含有结晶水，所以通常会将多种无机
盐混合形成共晶熔盐，这样一则调节相变温度和储热量，二则减少体积变化，改善传热并降低
成本[15].熔盐 PCM 具有饱和蒸汽压低、使用温度高、热稳定性好、对流传热系数佳和价格低
廉等优点，但是它们的导热系数低、高温腐蚀性强。铝、铜、镁、锌的二元和三元合金，具有
导热性好、相变潜热大、热稳定性高，体积变化小和无过冷等优点，可以弥补前述无机盐
PCM 的不足；但是它们的成本较高，也有高温腐蚀性问题。
1.1.2 有机 PCM 按分子量，有机 PCM 多分为：（1）低分子类，如脂肪烃、脂肪酸、糖醇和酯
等，主要发生固-液相变；（2）聚合物类，如聚烯烃、聚氨酯、聚多元醇以及它们的共聚物，
主要发生固-固相变。固体成形好、腐蚀性小、过冷少且不易发生相分离是有机 PCM 的优点
[5];但是它们的导热系数小、热稳定性差、可分解燃烧，且在使用过程中易发生泄漏或老化失
效，往往需要添加导热剂和封装加以避免[8].
石蜡是最常用的有机 PCM,具有 CnH2n+2（20≤n≤40）分子通式，为直链烷烃混合物，其相变
温度会随分子量增大而升高（4.5~68℃），其熔融焓则随组分不同而变化（152~244kJ/kg）
[16];商用石蜡的相变温度与熔融焓通常在 55 ℃上下和 200kJ/kg 左右。石蜡无反应活性，不腐
蚀金属，使用金属容器封装比较安全；若选用高聚物尤其是聚烯烃容器，必须考虑其渗透与溶
胀对容器性能的劣化影响。石蜡 PCM 最大的不足是热导率太低，无法提供所需的热交换比
率，通常须添加导电性粒子加以克服[14].脂肪酸是非石蜡 PCM 的代表，其相变温区为-
15~81℃,相变焓范围为45~210kJ/kg[8,17],常见的有辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和
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建筑节能中相变材料的运用 引言随着人类生活水平的不断提高，建筑能源消费增长迅速。以发展中国家为例，其建筑能源消费增量极为惊人，早就超过发达国家能源总消费量的20%[1].建筑节能已经成为能源安全与可持续发展战略的重要环节，是当今活跃的研究方向之一[2,3].相变储热技术利用物质相变潜热对能量进行科学贮存和利用，不仅能解决和缓解能量在时间、空间、强度及地点上转换和供需的不匹配，既方便高效利用能源又利于节能减排，而且还具有温控系统装置简单、维修管理方便和性价比高等优点，是理想的建筑节能方法[4-7].凡物理性质会随温度变化而改变，并能提供潜热的物质，均是相变储热材料，简称为相变材料（Phasec...
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作者：闻远设计
分类：土木建筑化工水利
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