高分子相變儲能材料在建筑節能中的研究與應用

朱旭

[摘要]高分子相變儲能材料在建筑節能中發揮了很大作用。本文對建筑節能的發展現狀進行了敘述，對高分子相變材料的種類、制備方法進行了闡述，通過研究國內外研究成果，論述了高分子材料在建筑節能中的應用方式，并對今后高分子相變材料的發展做了展望。

[關鍵詞]高分子材料 相變儲能 建筑節能

“十一五”期間我國啟動的重點節能工程中，建筑節能約占總量的45%，這說明建筑能耗的節約已經成為最大的節能項目。因此，建筑節能技術的開發與應用已成為當前建筑材料領域的熱點問題之一。在建筑物各部位的能耗損失中，建筑的外圍護結構占了很大份額，其中主要節能部位是墻體，此外屋面、地面以及門窗也被列出節能的重要部位，所以對外圍護結構采取的節能措施是最積極有效的節能方法之一。

一、高分子相變材料的研究進展

（一）相變儲能材料的分類

相變儲能材料的分類方式有很多種。按照相變方式可將相變儲能材料（PCM）分為固-液相變材料、固-固相變材料、固-氣相變材料及液-氣相變材料。后兩種類型的相變材料在相變過程中雖然有很大的相變潛熱存在，但是相變過程中會出現大量氣體，在實際的應用中使材料的體積變大，不利于使用。而前兩種類型的相變材料在實際的工程中應用比較廣泛，其中固

固相變材料的發展非常迅速，這種相變材料是通過晶型的轉變來進行能量的儲存和釋放，在高分子固-固相變材料領域更是有很多優點。固-液相變材料與固-固相變材料相比較則是一種較為成熟的相變材料，這種材料是通過物質在熔融態和凝固態的互相轉變來釋放和儲存能量，因此，固液相變材料在發生相變時會產生液體的流動，如果不采取封裝措施，會產生滲漏和流失的現象，材料的形狀也會發生變化，不利于實際應用。

（二）相變儲能材料制備技術

（1）物理吸附法。相變材料與基體材料的相容性存在一定問題，使用中可能出現相變材料的滲出，從而導致表面結霜等現象。通過添加多孔材料對液態的物質進行吸附，從而達到相變材料的工作穩定性，使之在實際應用過程中不發生體積變化，液體的滲漏等不良狀況。

（2）熔融共混法。有些相變材料與載體基質的相容性良好，熔融后混合在一起制成成分均勻的相變儲能材料，主要體現在高分子材料基體與有機物相變材料的制備上。該法一般制備定形相變材料。

（3）微膠囊化。微膠囊技術是一種用成膜材料把固體或液體包覆使形成微小粒子的技術。得到的微小粒子稱微膠囊，一般粒子大小在1～300llm范圍內。包在微膠囊內部的物質稱為囊心（也稱為芯材、內核），囊心物質為PCM的稱為微膠囊相變材料（MPCM）。目前可作為微膠囊內核物質的固液相變材料有結晶水合鹽、共晶水合鹽、直鏈烷烴、石蠟類、脂肪酸類和聚乙二醇等。微膠囊外部為成膜材料形成的包覆膜，稱為壁材（也稱為外膜、囊壁）。壁材通常為合成高分子材料，可選用的壁材有聚乙烯、聚苯乙烯、聚脲、聚酰胺、環氧樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂等。此外，有些微膠囊相變材料中還含有成核劑等其它助劑，用來改善相變材料的性能。

（4）壓制燒結法。該法主要用于制備高溫定形相變材料，張仁元等成功制備了Na2C03 BaC03/MgO、Na2S04/Si02兩種無機鹽/陶瓷基復合儲熱材料。這種材料應用于高溫工業爐，既能起到節能降耗的作用，又可減小蓄熱室的體積，有利于設備的微型化。

二、高分子相變材料在建筑節能中的應用

（一）相變儲能材料的節能理論

建筑節能具體指在建筑物的規劃、設計、新建（改建、擴建）、改造和使用過程中，執行節能標準，采用節能型的技術、工藝、設備、材料和產品，提高保溫隔熱性能和采暖供熱、空調制冷制熱系統效率，加強建筑物用能系統的運行管理，利用可再生能源，在保證室內熱環境質量的前提下，減少供熱、空調制冷制熱、照明、熱水供應的能耗。

（二）高分子相變材料在建筑圍護結構上的應用

為了提高建筑物的利用率，把相變儲能材料應用于建筑物的圍護結構，是提高建筑物節能性的一個重要途徑。Khudhair等人給出了建筑儲能常用的無機和有機相變材料，由于固液相變材料使用時封裝較困難，不少研究者對材料進行了研究與改進.Hawes和Feldman等人綜述了有機相變材料在各種建筑水泥中的吸收特性和吸收機理，Hawes等人研究了有機相變材料在各種建筑水泥中的穩定性，德國BASF公司將石蠟封裝在微膠囊中，研制出石蠟砂漿，并已將這種砂漿用于房屋的內墻表面上，近幾年出現的一種定形相變材料（shape stabilizedPCM），是由相變材料（芯材）和高密度聚乙烯作為支撐材料（囊材）構成。

（三）高分子相變材料在建筑板材上的應用

把相變材料摻入到石膏板中制備的相變板材主要用作外墻的內壁材料。胡小芳等采用石蠟作為相變儲能介質，以多孔陶粒作為吸附基質，將該儲能材料加入到石膏板中，可明顯提高石膏板的儲能密度，延長儲熱時間.但由于在長期的使用過程中會出現石蠟不同程度的泄露，使其熱性能衰退，還需要不斷改進.在地板中應用定形相變材料使得相變材料與地板采暖系統相結合成為可能.現今，在地板領域的實際應用中不光是傳統的木質地板，新興起的聚合物板材，如PVC板、木塑復合地板都可以作為地板，其耐磨性、耐化學腐蝕性、美觀性有了較大提高。相變材料只要溫度低于支撐載體的熔點，即使定形相變材料中的相變材料從固體變為液體，就可以直接與傳熱介質或加熱器接觸，這樣可以減小熱阻，降低熱損。林坤平、張寅平等建立了分析定性相變材料蓄熱地板電采暖系統熱性能的理論模型，分析了系統各因素對熱性能的影響。

三、高分子相變儲能材料在建筑節能中的展望

大量的國內外知名學者在近年來通過對高分子相變儲能材料在建筑節能中研究中表明，這種材料無論是自身的性能還是經濟性因素仍存在諸多問題，主要表現在：①相變材料與高分子基體的相容性不好，需對現編材料進行改性；②相變材料的導熱系數不夠大，無法提高材料的換熱效率和穩定性以及單位體積的蓄熱量。③相變材料的封裝工藝需要改進，使之達到滲漏的穩定性要求。④成本較高。

因此如何選取經濟、環保且與建材基體相容性好的相變材料制備各種符合要求的相變儲能材料成了日后研究的主題。隨著新型PCM的發展，尤其是高分子PCM以及復合PCM，其本身出現的問題能夠得以解決，使之在建筑節能領域大有用武之地，其前景也會越來越廣闊。