建筑节能中相变储能材料的应用综述

　　近年来，建筑能耗在总能耗中所占的比重越来越大，其中取暖和空调能耗在建筑能耗中就占据了50%~70%[1].一系列的节能技术被应用于降低建筑能耗，常用的包括墙体节能技术、屋面节能技术和门窗节能技术[2].相变储能技术是一种潜热储存技术，与传统的保温材料相比，相变储能材料在蓄冷、过热保护、温度控制和优化建筑体系方面有着独特的优势[3].它可以将一定形式的能量在特定的条件下贮存起来，并在特定的条件下释放出来，这一特点使它应用于建筑节能领域时，能够有效地降低室内温度的波动幅度。目前，相变材料在建筑节能领域的应用主要体现在两个方面：被动式节能，即能量边储存边释放，充分利用自然界的冷热源储存能量；主动式节能，即能量先储存后释放，借助人工冷热源储存能量[4].不同气候条件的地区应当采用不同的相变储能方式，我国人口最为密集、经济较为发达的地区是夏热冬冷地区，该地区室内热舒适度较差，每年用于夏季空调和冬季采暖用的能耗巨大。受当地气候条件限制，被动式相变储能很难发挥作用，而主动式相变储能对于降低该地区建筑能耗有着十分广阔的应用前景。

　　1 建筑节能用相变材料的选择与分类

　　被应用于建筑节能的理想相变材料必须具有以下性能：相变温度合适、相变潜热大、化学性能稳定、无毒害、成本低、热物性良好等。但实际上，没有一种相变材料可以包含以上所有性能。因此，选择相变材料时，优先考虑的是合适的相变温度和较大的相变焓，之后再考虑其他因素的影响。

　　目前，在建筑节能领域应用较多的相变材料主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合型相变材料[5].有机类相变材料主要包括石蜡、脂肪酸、醇类等，其优点是应用温度范围较广、无过冷和相分离现象、可循环利用，缺点是导热系数低，易燃。无机类相变材料主要包括无机水合盐、无机金属等，其优点是单位体积潜热储存量大、成本低而易得、导热性能优良、不易燃，缺点是相变时体积变化较大、有过冷及相分离现象[6].复合类相变材料主要包括有机-有机、有机-无机和无机-无机类相变材料，通过复合的方式，可以克服单一类型相变材料的缺点，因此这一方式已成为目前研究的热点。表1列出了在建筑领域应用的常见的一些相变材料。

　　2 相变材料与建筑材料的复合方式

　　2.1直接加入法

　　直接加入法是指将相变材料与水泥、石膏、砂浆、混凝土等传统建筑材料直接混合，这种方法简便易行，经济成本较低。但是采用这种方法必须注意以下几点：（1）相变材料不能参与水泥的水化反应且不能与水化产物反应；（2）相变材料不能影响粘结剂和骨料之间的结合作用；（3）相变材料不能严重影响建筑材料的力学性能和耐久性。然而，大多数情况下直接加入法往往会导致相变材料发生泄漏，从而会与水化产物反应或者影响整个系统的力学性能和耐久度。Feld-man等[10]通过直接加入法在石膏板中掺入21%~22%的硬脂酸丁酯制成相变墙体，该墙体物理性能与普通石膏板相差不大，蓄热能力提高了近9倍。
　　
　　2.2浸渗法

　　浸渗法是指将混凝土、砖块、墙板等建筑材料浸泡在液相相变材料中，通过毛细管作用吸收相变材料。李乔明[11]使用浸渗法制备了含相变石蜡的复合建筑石膏材料，发现经过100次热循环后，相变温度升高了4.3%,相变潜热下降了11%,耐久性较差。因此，此种方法制备的石膏板在实际使用中有较大的局限性。

　　2.3封装法

　　传统的复合方式会导致相变储能材料在与建筑材料的复合过程中出现严重的泄露情况，且较低的耐久性制约了相变储能材料在建筑节能领域的应用。为了解决这一问题，科研工作者们在将相变材料加入到建筑材料中之前，先进行了一次封装，从而可以有效地防止相变材料泄露，并且可以提高其力学性能和热物性。常见的封装方式包括吸附封装和微胶囊封装等。

　　2.3.1吸附封装吸附封装是以吸附和浸渍的方式将相变材料吸附到膨胀珍珠岩、膨胀石墨、膨润土等多孔材料中，制备成颗粒型相变材料。多孔基体材料来源广泛，价格便宜，制得的颗粒型相变材料有效地解决了相变材料与建筑材料的相容性问题，同时某些多孔材料还可以提高整个系统的传热性能。Sari等[12,13]以膨胀珍珠岩为支撑材料，分别以癸酸和月桂酸为相变材料，制备了颗粒储能相变材料，两种脂肪酸与珍珠岩有着很好的相容性，并且珍珠岩能够吸附大量的相变材料，经过1000次以上的热循环后，两种相变材料仍然保持了良好的化学稳定性和热稳定性。在后续的研究中[14-16],又以脂肪酸的二元复合物以及脂肪酸酯作为相变材料，与水泥、石膏、蛭石、硅藻土、珍珠岩等多孔材料复合，制备了一系列的多孔基体相变复合材料。结果表明，通过二元复合法可以得到相变温度适宜的相变材料，而脂肪酸酯类的相变材料则具有较高的相变焓，且绝大多数的相变材料都具有良好的热稳定性和化学稳定性。魏艳玲等[17]以膨胀珍珠岩为支撑材料，癸酸-硬脂酸二元复合物为相变材料，利用真空吸附法制备了颗粒型储能相变材料，并将其添加到石膏基体中，制备了相变储能石膏板。结果表明，通过真空吸附法二元复合相变材料的吸附质量分数达到了75%,且经过500次热循环后仍然保持了良好的热稳定性，加入2%的铜粉后，石膏板的导热性能有了很大的提高。

　　2.3.2微胶囊封装在微胶囊封装过程中，在粒径为1~1000μm的颗粒相变材料表面包覆一层较薄的天然或者人工合成的高分子膜，这种封装方式可以制备出相变温度为-10~80℃的相变材料。微胶囊封装可以有效地防止相变材料的泄漏，增大相变材料的表面积从而提高传热速率。尚红波[18]分别以原位聚合法和界面聚合法合成了十二醇/脲醛微胶囊、硬脂酸丁酯/聚脲微胶囊和硬脂酸丁酯/聚氨酯微胶囊相变材料，研究发现当采取脲醛树脂与蜜胺树脂复配的方式时，十二醇/脲醛微胶囊相变材料的产率从50%提高到90%以上；当芯材壁材质量之比为3∶1时，硬脂酸丁酯/聚脲微胶囊经过400次热循环后、硬脂酸丁酯/聚氨酯微胶囊经过1000次热循环后都具有较好的热稳定性。蒋晓曙等[19]研究了影响石蜡-密胺树脂微胶囊的储热性能、包裹效率和表观形态的2个主要因素：三聚氰胺-甲醛的物质的量比和密胺树脂的固含量。结果表明，当密胺树脂固含量控制在10%~15%之间时，对胶囊合成的影响较小，当三聚氰胺-甲醛的物质的量比为1∶3时，微胶囊颗粒表面光滑，无团聚现象，对石蜡的包裹率可以达到71%.

　　Zhang等[20]分别以甲苯二异氰酸酯、二乙烯三胺、聚醚胺为油溶性单体，正十八烷为芯材，苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物为乳化剂，乙二胺为水溶性单体，氯化钠为成核剂，使用界面聚合法制备了正十八烷/聚脲相变微胶囊材料。其中，以聚醚胺为单体制备的微胶囊比其他两者具有更光滑的表面形态，更窄的粒径分布，更高的封装效率和反渗透能力，但热稳定性相对较差。