相变储能材料在环保型建筑材料中的应用

1.前言

相变储能技术是目前建筑节能的一项重要技术，将相变材料与传统建材复合后制成具有蓄热和调温等功能的新型建筑材料。相变储能建材具有储能密度大、近似恒温下的吸放热等优点，可以缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，降低建筑耗能对环境和经济的负面影响。

2.相变储能材料相变材料是在特定的温度下，能从一种状态转变到另一种状态的物质，物质分子迅速由有序向无序转变(反之亦然)，同时伴随吸热或放热现象。利用相变材料的这种吸热放热现象，可以达到贮能和温度调控的目的。

根据组分不同，相变储能材料可分为无机、有机、无机与有机复合类。无机类包括一一些水合物盐。具有价格低，融解热大，体积储热密度大等优点，同时也存在过冷和相分离等缺点。通过向无机材料中添加成核剂和胶凝剂能够改善其过冷和相分离现象。有机相变材料，克服了无机材料的过冷和相分离缺点，具有非常良好的热行为，化学、物理特性稳定，但有机材料的导热系数低，为了改善这一缺点，常在其中加入金属粉末、石墨粉、金属网等。为了获得相变温度适当的相变材料，常常将几种有机(无机)相变材料复合形成二元或多元相变材料，有时也将有机与无机相变材料混合，以弥补二者的不足。

根据相变过程形态不同，相变材料可分为三种：固气相变，液气相变、固液相变。除了这三种外，还有一种固固相变，固固相变是物质的晶形发生转变，或由结晶形态转变为无定形态，在相变过程中，物质均为固态。

3.相变材料在混凝土中应用混凝土材料能够成为能量储存的媒介，主要原因有：(1)混凝土材料是使用最为广泛的结构材料;(2)可以加工成任意形状;(3)参与热交换的表面非常大;(4)生产质量容易控制;(5)具有十分良好的吸收性和渗透性。

Hawes等对相变混凝土材料作了一系列研究，将膨胀页岩等多孔材料作为基料制成轻骨料混凝土，加大了混凝土材料吸附PCM的能力。混凝土在常用状况下呈碱性，与许多脂肪酯类或脂肪酸的PCM不能相容，为了改变这种情况，他们对一些混凝土试件进行了蒸压养护。根据水泥化学理论水泥制品在180℃的高温下蒸压养护后，水泥水化，将直接产生类似托普莫来石的硅酸盐矿物，而不产生游离的Ca(OH) ，所以其pH值测试结果也显示经过蒸养的试件，其碱性要低于普通的混凝土试件。

Mihashi等将与缓凝剂复合的石蜡微胶囊，与一定体积比的混凝士混合，用来降低混凝土的早期水化温度。石蜡熔化后会吸收热量，从而减缓温度的升高，缓凝剂释放能够进一步减缓水泥的水化速度。当混凝土的早期强度有所降低时，90d龄期的强度仍然会有所增强，因为在早期由于高温养护而加速水化和获得较高强度的混凝土，其后期强度往往比较低。因此，PCM不仅使人体积混凝土的早期水化温度降低，也有利于混凝土后期强度的成长。

Mehling j的研究表明，PCM也能够被应用在以木屑为轻骨料的混凝土中。木屑轻骨料混凝土，是一种由水泥、木屑、水和其他外加剂混合制得的混凝土，其中木屑的质量分数不超过15% 。这种混凝土具有轻质、隔音的特点，可以应用在建筑物内部或外墙结构上。在木屑混凝土中加入PCM以后，混凝土的力学性能并无太大变化，但是混凝土的储热能力大幅提高，同时，材料的自重有所降低。

4.问题及思考虽然近年来国内外研究人员在PCBM的研发取得了很大的进展，但相变储能材料是一个复合体系，关系到材料的力学性能、化学性能、热物理性能、耐久性能等多个方面，同时必须考虑实际大规模产业化的可行性和生产成本问题，使得研究相当复杂，存在着以下几方而的问题：

(1)PCM使用中的液相控制问题。目前固一液相变型材料品种繁多，易于制备较好的热物性能，因此，目前运用于最多的PCM几乎都属于这⋯类型。但是，液相状态的物质往往都有渗漏和流动的问题。针对这一问题，一方面可以考虑开发固一固PCM;另一方面，对PCM进行适当的封装处理非常必要。

(2)PCM热物理性能的改性问题。目前研究主要偏重于对PCM的合成制各与利用等方面，对材料本身的改性，特别是热物性能方面的提高考虑不足。现有的一些PCM，无过冷及析出现象，性能稳定，无毒，无腐蚀性，价格低廉，相变温度和潜热十分理想，但其导热系数往往较低，单位体积储能效果不明显。

(3)PCM对混凝土技术的潜在应用问题。PCM应用在建筑工程领域的应用主要的研究方向集中于2个方面：一方面是大体积混凝上早期水化温度的抑制;另一方面是混凝土在低温环境下耐久性的改善。

目前关于相变材料与建筑节能结合的科学研究非常多，但市场上得到应用和推广的相变储能建材却寥寥无几。随着对绿色建筑、低碳环保等问题的日益重视，相变储能建筑材料在生态建筑领域的运用前景十分广阔。