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建筑節能中相變材料的運用論文
引言
隨著(zhù)人類(lèi)生活水平的不斷提高，建筑能源消費增長(cháng)迅速。以發(fā)展中國家為例，其建筑能源消費增量極為驚人，早就超過(guò)發(fā)達國家能源總消費量的20%[1]。建筑節能已經(jīng)成為能源安全與可持續發(fā)展戰略的重要環(huán)節，是當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、強度及地點(diǎn)上轉換和供需的不匹配，既方便高效利用能源又利于節能減排，而且還具有溫控系統裝置簡(jiǎn)單、維修管理方便和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的建筑節能方法[4—7]。凡物理性質(zhì)會(huì )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(jiǎn)稱(chēng)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?xún)r(jià)比關(guān)系該技術(shù)的應用前景。因此，研究高性?xún)r(jià)比的PCM，往往是開(kāi)發(fā)相變儲熱技術(shù)的關(guān)鍵。已有諸多文獻詳盡報道了PCM的研究進(jìn)展[4—11]，然而，只有少數文獻扼要介紹PCM的建筑節能應用[12，13]。本文將系統介紹相變材料及其在建筑節能中的應用研究進(jìn)展。
1 PCM的分類(lèi)與選擇
1。1 PCM的分類(lèi)
按化學(xué)成分，PCM可分為無(wú)機、有機和復合型3類(lèi)；按相變形式，常分為固—液、固—固、液—氣和固—氣型4類(lèi)；按相變溫度，又可分為低溫、中溫和高溫型3類(lèi)；按儲熱方式，還可分為顯熱、潛熱及反應儲熱型3類(lèi)[9]。以下按化學(xué)分類(lèi)法介紹PCM。
1。1。1無(wú)機PCM無(wú)機PCM主要有水合無(wú)機鹽、無(wú)機鹽、熔鹽和金屬合金。水合無(wú)機鹽可用AB·nH2O通式表示，在相變時(shí)會(huì )脫水，并轉化成含水更少的鹽，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?xún)r(jià)比為最高，應用最廣[14]。不一致熔融是此類(lèi)PCM的通病，表現為釋放的水不足以完全溶解相變過(guò)程所形成的鹽，易產(chǎn)生密度差、相分離和沉淀等不利應用的負面問(wèn)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(guò)程易出現過(guò)冷是它們的另一缺點(diǎn)，添加成核劑或保留少量晶體充當成核點(diǎn)是常用的克服方法。此外，它們在使用時(shí)一旦泄漏，還容易腐蝕設備與裝置。
無(wú)機鹽主要包括鋰、鈉、鉀、鋁和鎂的鹵化鹽、硝酸鹽、碳酸鹽及氧化物，可滿(mǎn)足190~1280℃的相變溫度需求[14]。但是，單一無(wú)機鹽的熔程較窄，因不含有結晶水，所以通常會(huì )將多種無(wú)機鹽混合形成共晶熔鹽，這樣一則調節相變溫度和儲熱量，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、熱穩定性好、對流傳熱系數佳和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是它們的導熱系數低、高溫腐蝕性強。鋁、銅、鎂、鋅的二元和三元合金，具有導熱性好、相變潛熱大、熱穩定性高，體積變化小和無(wú)過(guò)冷等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補前述無(wú)機鹽PCM的不足；但是它們的成本較高，也有高溫腐蝕性問(wèn)題。
1。1。2有機PCM按分子量，有機PCM多分為：（1）低分子類(lèi)，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(lèi)，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(guò)冷少且不易發(fā)生相分離是有機PCM的優(yōu)點(diǎn)[5]；但是它們的導熱系數小、熱穩定性差、可分解燃燒，且在使用過(guò)程中易發(fā)生泄漏或老化失效，往往需要添加導熱劑和封裝加以避免[8]。
石蠟是最常用的有機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(huì )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(wú)反應活性，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最大的不足是熱導率太低，無(wú)法提供所需的熱交換比率，通常須添加導電性粒子加以克服[14]。脂肪酸是非石蠟PCM的代表，其相變溫區為—15~81℃，相變焓范圍為45~210kJ/kg[8，17]，常見(jiàn)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(lái)源于自然，可生物降解，污染��；（2）可全等熔化，熔融焓高；（3）化學(xué)及熱穩定好，在數以十萬(wàn)計的熱（熔化/凍結）循環(huán)過(guò)程中無(wú)顯著(zhù)熱解；（4）具有較佳的熔化—凍結重現性，很少或基本無(wú)過(guò)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間實(shí)現固—液轉變，并且其混合物還能形成共晶，類(lèi)似于許多無(wú)機熔鹽，所以很少或基本無(wú)過(guò)冷行為。因此，酯也是潛在的理想PCM，常見(jiàn)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，甘油三酯在應用時(shí)容易出現多態(tài)相變，而一元酯則不會(huì )[14]。糖醇具有較高的相變溫區90~200℃，是潛在的中溫有機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—重復單元，為半結晶聚合物，結晶度可達83。8%~96。4%[18]，具有較高的熔融焓117~188kJ/kg[19，20]，是聚合物類(lèi)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，常將PEG和脂肪酸共混，同時(shí)共混還利于提高其熔融焓[21]。與多數有機PCM一樣，PEG最大的問(wèn)題也是熱導率較低。
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(jiàn)的多元醇，它們在低溫下幾乎都呈異質(zhì)相，但是當溫度升到其固—固相轉變溫度時(shí)，它們都會(huì )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)現完全固—固相變[25]；（3）物理共混物的相變焓主要由其體系內氫鍵的強度和數量決定[26]；（4）接枝改性PEG的相變主要發(fā)生在側鏈上的晶態(tài)與非晶態(tài)PEG間，并且其相變溫度還可通過(guò)改變側鏈PEG的分子量來(lái)調節[27]。共聚合改性，可大大改善PEG的熱穩定性，但是難度大、成本高[23]。讓多元醇、PEG分別與多異氰酸酯反應，均可衍生為聚氨酯 （PU）；此類(lèi)PU的相變行為與接枝改性PEG的類(lèi)似[28]。此外，有報道稱(chēng)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復合PCM單一無(wú)機或有機PCM一般都有缺點(diǎn)。將性能具有互補性的兩種及以上材料復合，不僅可賦予材料更全面的性能，利于改善應用效果、拓寬使用范圍，而且能降低成本[10]。因此，復合PCM往往更具實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)空間。按狀態(tài)通常將復合PCM分為混合PCM和定型PCM兩大類(lèi)[9]。前者制造簡(jiǎn)單、相變溫度易調，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，具有無(wú)需封裝、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，但是制備工藝復雜、成本高。
通過(guò)復合來(lái)強化傳熱是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合等技術(shù)。所謂物理組合，是指根據實(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填入傳統材料的孔穴中[32]；（4）金屬肋片與PCM同用。物理共混，是指通過(guò)添加微納米尺寸的金屬、石墨、碳纖維和聚苯胺等物質(zhì)來(lái)改善PCM的導熱性能。
化學(xué)改性，主要是指：（1）二元或多元無(wú)機鹽的混合，（2）有機—無(wú)機接枝或雜化，（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(shù)脂、脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚烯烴共聚物作膜壁；當壁材與相變物質(zhì)極性接近時(shí)，也可以通過(guò)物理共混來(lái)包封，得到類(lèi)似于微膠囊包封的PCM[34，35]。納米復合，則是指利用特殊的納米尺寸效應，通過(guò)調節或改變聚集態(tài)結構，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(zhù)相變儲熱技術(shù)發(fā)展的新方向[39]。
1。2 PCM的選擇通則
綜合權衡其在化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和經(jīng)濟性等多方面的性能，是選擇PCM的基本原則[11]。首先，要有相對的化學(xué)穩定性，經(jīng)反復使用性狀不發(fā)生質(zhì)的改變；并且安全無(wú)毒害，不易燃爆，腐蝕性小，無(wú)揮發(fā)或擴散污染。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(guò)程體積變化��；導熱性好，相變溫度合適、潛熱高，且相態(tài)轉變均勻有序。再次，滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)性能要求，相變速率快、可逆性好，結晶時(shí)速度要快，凝固時(shí)過(guò)冷度應小，熔化時(shí)宜無(wú)過(guò)飽和。最后，還要適應商業(yè)經(jīng)濟規律，不僅要原料易得，成本低廉，而且還要滿(mǎn)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)或尋找完全符合上述原則的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在建筑節能中的應用
2。1 PCM在建筑節能中的作用
2。1。1免費供冷或供熱免費供冷，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、計算機房、大型商場(chǎng)以及大型辦公建筑內區等。
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)等系統吸收熱量，使建筑冷卻）[6]。PCM免費供冷系統不僅節省人工制冷能耗，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(wú)機鹽PCM引入工業(yè)蒸發(fā)冷卻系統，用于夜間免費存儲冷能，經(jīng)模擬計算發(fā)現，PCM在高峰期可減少67%冷凍機組的運行。
Mosaffa A H等[41]用10mm的CaCl2·6H2O基PCM板將3。2mm矩形通氣孔隔開(kāi)，設計了一種寬1。3m類(lèi)似百葉窗的免費供冷系統，該系統能在25~36℃炎熱氣候下提供良好的舒適度。當然，也可依靠PCM利用天然熱源為建筑制熱，不妨稱(chēng)之為免費供熱。值得強調的是，免費供熱在原理上同免費供冷是一樣的，只不過(guò)從節能效果上看，它節省的是人工供熱能耗，而后者節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荷的用戶(hù)需求轉移到電力低谷負荷時(shí)段。通過(guò)電控系統使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(lái)，是實(shí)現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)間和強度上不匹配的矛盾，對加強電力需求側管理以實(shí)現建筑節能具有重大意義。閆全英等[30]
往復合輻射供暖板的硅鈣板結構層中添加石蠟基PCM，大大提升了該地板的儲熱能力，經(jīng)數值模擬分析發(fā)現用該地板構建的供暖系統不僅能節約電費，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(wú)PCM地板高41。1%和37。9%。
2。2 PCM在建筑中的節能方式
2。2。1被動(dòng)式節能被動(dòng)式節能是指建筑物本身通過(guò)各種自然的方式來(lái)收集和儲存能量，使之與其周?chē)沫h(huán)境形成能量自循環(huán)系統，而不需要耗能設備支持即能充分利用自然資源，進(jìn)而可明顯減少傳統能耗，在現代建筑設計中往往被優(yōu)先考慮[43]。被動(dòng)式建筑系統最大的不足就是容易過(guò)熱或過(guò)冷，用PCM建材完全或部分替代傳統建材，可顯著(zhù)降低被動(dòng)式建筑系統的過(guò)熱或過(guò)冷的年小時(shí)數，從而改善人居舒適度，并利于節能減排。
Sage—Lauck J S等[44]用儀表監控并研究一棟兩層復式公寓的室內環(huán)境質(zhì)量指標和建筑能源使用狀況，該復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(méi)有；經(jīng)觀(guān)測數據分析和計算模擬評估，他們發(fā)現安裝PCM能將公寓全年的過(guò)熱小時(shí)數減少1/2，極大改善了舒適性。Castell A等[45]用石蠟填充的PCM磚構建被動(dòng)式建筑節能系統，經(jīng)比較研究發(fā)現，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(dòng)供能干預，從而在單個(gè)夏季可節省15%的電耗，每年則會(huì )削減1~1。5kg/m2的CO2排量。
2。2。2主動(dòng)式節能主動(dòng)式節能是指利用各種機動(dòng)設備組成主動(dòng)系統來(lái)收集、轉化和儲存能量，以充分利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物能等可再生 能源，同時(shí) 提高傳 統能 源的 使 用 效 率[43]。利 用PCM良好的儲熱與散熱性能，構建主動(dòng)式加熱、通風(fēng)及空調系統，尤其適用于建筑節能[46]。由于被動(dòng)式和主動(dòng)式節能方法相輔相成、密切聯(lián)系、難以界分，所以已被研究的主動(dòng)式節能系統幾乎都是兼有被動(dòng)式和主動(dòng)式節能機制。將兩種節能機制聯(lián)用的潛在益處還在于既能提高節能效率，又可削減機動(dòng)設備成本。李建等[47]設計了一種電加熱相變地板供暖系統，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(dòng)式和主動(dòng)式節能機制于一體；該系統儲熱能力好，可平緩室內氣溫變化，能改善人居舒適度，且比普通地板供暖系統更省電。
Belmonte J F等[48]用石蠟基PCM復合的地板、天花板，搭建了兼有水力輻射制冷系統和空氣熱回收系統的模型房屋，并對其建筑能耗做了模擬研究，結果表明使用PCM可使模型房屋對制冷需求減少了50%以上。
2。3 PCM在建筑節能中的應用形式將PCM與傳統建材復合成PCM建材后，再用于建造建筑，是PCM在建筑節能中的主要應用形式；常用復合方法有[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(guò)毛細管作用吸收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乳液形式存在；它為潛熱功能流體，具有兩相熱轉換，在相變溫度范圍內較傳統單相的熱流體具有更大表觀(guān)比熱，并且PCM流體還會(huì )顯著(zhù)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、制冷和熱交換等方面具有許多潛在的重要應用[49]。已工程化應用的PCM流體主要有3類(lèi)：（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溫、保溫和隔熱性能，更高的抗壓強度和碳化深度�？沦毁坏萚51]用改性硅酸鈣粉末包覆的石蠟/膨脹珍珠巖PCM，與水泥砂漿復合獲得了PCM砂漿，該PCM砂漿具有良好的調溫性能，可以降低室溫波動(dòng)和減小最大溫度值，并且PCM摻量越大，調溫效果越明顯。
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(huì )下降，故此時(shí)摻量不宜過(guò)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(chǎng)合[53]。
2。3。3 PCM混凝土PCM混凝土的儲熱、散熱與調溫性能好，應用范圍廣，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)現將預制的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(zhù)，主要是因為這種簡(jiǎn)單方式的組合，一則無(wú)法達成PCM混凝土結構均一，易引發(fā)受熱與傳導的不均，二則PCM于混凝土的負載量受限，結果 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合，則更有利于克服結構不均的問(wèn)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)相變材料相當的PCM混凝土，能較好滿(mǎn)足實(shí)用要求。當然，選用多孔材料制作相變骨料時(shí)，一定要注意其結構特征對PCM吸附量的影響，因為由其衍生的PCM混凝土的儲能效果會(huì )隨PCM體積分數的增加而呈指數形式增加[56]。
與PCM砂漿類(lèi)似，引入PCM可能會(huì )劣化混凝土力學(xué)強度、長(cháng)期穩定性和阻燃性能等；若原料及方法選用得當，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骨料，研發(fā)石蠟相變水泥基復合材料，經(jīng)測試發(fā)現該材料的綜合力學(xué)性能不僅大大好于普通混凝土，而且也明顯優(yōu)于經(jīng)聚乙烯醇纖維強化的同類(lèi)水泥基復合材料，主要歸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；又由于采用細骨料，復合體結構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，選取細顆粒的水泥、砂和礫石等作原料，采用先干粒料預混、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)現該PCM混凝土的保溫性能和力學(xué)強度均很好，這主要受益于嚴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，或將PCM填入多孔燒結磚的孔穴內，即可獲得PCM磚。摻混型PCM磚具有制備工藝簡(jiǎn)單，熱性能易調節等優(yōu)點(diǎn)，但是力學(xué)強度欠佳。填充型PCM磚含有燒結磚體，可保持良好力學(xué)強度，但是，PCM類(lèi)型、填充量及填充位置均會(huì )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(lèi)型、填充量及填充位置對所得PCM磚熱性能的影響，結果發(fā)現：正二十烷PCM的熱性能優(yōu)于石蠟P116和正十八烷PCM；PCM磚調節室溫能力隨著(zhù)PCM填充量的增加而變強；PCM填充于磚的中心線(xiàn)位置，既能保持磚的強度，又會(huì )賦予PCM磚較好的熱效能，可使室內熱通量較無(wú)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的蓄放熱與調溫能力，在內隔墻、內墻貼面、天花板和外圍護結構等有著(zhù)廣泛的保溫節能應用價(jià)值[62，63]。李鴻錦等[64]基于焓法數值模型，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的隔熱性能與節能 效 益，結 果 表 明，該PCM石 膏 板 的 潛 熱 利 用 率 為38。7%，其所構成的墻體比普通墻體約節能27。6%。隨著(zhù)PCM復合量的增加，PCM石膏建材的節能效率通常會(huì )變大，但是其力學(xué)強度、熱穩定性反隨之下降，因此，PCM復合量不宜過(guò)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(shù)脂為壁材，通過(guò)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夾層，經(jīng)測試發(fā)現，引入PCM膠囊后，陶瓷板變得具有調溫性能，在吸熱與放熱過(guò)程的最大調溫值分別為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與傳統涂料摻混而成，具有吸/放熱及保溫功能[70]。于建香等[71]通過(guò)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，再摻之到內墻涂料，制得自調溫PCM涂料；該涂料的相變焓隨著(zhù)微膠囊PCM質(zhì)量分數的增加而增大，但是以質(zhì)量分數為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(lèi)似微膠囊化的PCM，再將其與聚氨酯復配制成自調溫PCM涂料，當微膠囊PCM復配達40%時(shí)，所得PCM涂料具有較好的粘接強度和抗熱震性能。
3 結語(yǔ)
全球建筑能源消費增長(cháng)快速驚人，建筑節能已是能源安全與可持續發(fā)展的重要環(huán)節�；赑CM的相變儲熱技術(shù)，能方便需求側管理，益于能源高效利用，利于節能減排，是理想的建筑節能方法。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(guò)物理組合、物理共混、化學(xué)改性、微膠囊包封或納米復合等技術(shù)強化PCM導熱性，是PCM研究的重點(diǎn)。
PCM應用于建筑節能已有近40年的歷史，主要經(jīng)歷了可行性篩選、復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用[33]。先將PCM吸收或封裝，再將之與傳統建材復合，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，它們都具有調溫性能，已被廣泛地應用于地板、墻壁和屋頂等建筑部分中，在節能中主要起免費供冷和削峰填谷作用，可采取主動(dòng)式節能、被動(dòng)式節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(lái)發(fā)展的主要方向。由于生產(chǎn)PCM建材的耗能高于傳統建材，所以在生命周期內深入考察PCM的節能功效、評價(jià)其環(huán)境影響，也會(huì )是該領(lǐng)域今后發(fā)展的重點(diǎn)方向[74]。
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