【相變材料的綜述】

相變材料（phase change material，簡(jiǎn)稱PCM），是指在物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)，可吸收或釋放大量能量（即相變焓）的一類材料。由于相變材料是利用潛熱儲(chǔ)能，儲(chǔ)熱密度大，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，并且在相變過(guò)程中本身溫度基本不變，易于管理，隨著全球節(jié)能意識(shí)的提高，相變材料的這一特性引起了研究人員的重視，相變儲(chǔ)熱技術(shù)在儲(chǔ)能領(lǐng)域越來(lái)越大放異彩。

一、相變材料的篩選原則

相變材料種類很多，依照不同分類方法可以被分為很多種。例如，按照相變方式不同分類，可以分為固—固相變材料、固—液相變材料和固—?dú)庀嘧儾牧希话凑詹牧戏N類分，可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料[1]。生活中最常見的相變材料是水，早在數(shù)千年前，古人就懂得利用水的相變過(guò)程來(lái)進(jìn)行實(shí)物保鮮或制冷。

雖然相變材料有很多種，但并不是所有相變材料都可被利用。目前公認(rèn)的相變材料篩選原則如下[2]：

（1）相變溫度在實(shí)際應(yīng)用操作范圍內(nèi)。

（2）潛熱儲(chǔ)存能力高。

（3）導(dǎo)熱率高。

（4）穩(wěn)定的化學(xué)和熱性能。

（5）無(wú)毒，無(wú)腐蝕性，對(duì)環(huán)境無(wú)害。

（6）成本低，易于獲得。

（7）相變過(guò)程中體積變化小。

（8）不發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象或過(guò)冷度很小。目前大多用的是固—液相變材料，由于相的改變，通常要對(duì)相變材料進(jìn)行封裝以防泄露。

二、相變材料在太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，太陽(yáng)能系統(tǒng)基本步入家家戶戶，但是也存在一些缺點(diǎn)，如：太陽(yáng)能利用是間歇性的，夜晚不可用。將相變材料應(yīng)用到太陽(yáng)能系統(tǒng)，可以保證在沒有太陽(yáng)輻射的情況下也可以應(yīng)用太陽(yáng)能。相變材料可以應(yīng)用在太陽(yáng)能熱電廠、太陽(yáng)能空氣加熱器、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能海水淡化器、太陽(yáng)能炊具等等領(lǐng)域。[3]以下圖為例，該裝置主要包括三部分：a）太陽(yáng)能系統(tǒng)單元，b）雙重管道熱能存儲(chǔ)器（TES），以及c）儲(chǔ)水箱。當(dāng)有太陽(yáng)時(shí)，含有相變材料的TES處于充能階段，此時(shí)閥門1打開，閥門2關(guān)閉；無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)，閥門1關(guān)閉而閥門2開啟。

利用TES技術(shù)制備的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

另外，長(zhǎng)久使用的相變材料儲(chǔ)能罐，由于腐蝕作用，可能會(huì)造成太陽(yáng)能熱電廠的故障[4]。對(duì)此，建議使用不銹鋼材料的封存罐，以防止相變材料的腐蝕。

三、相變材料在空調(diào)儲(chǔ)冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來(lái)，全國(guó)安裝的空調(diào)數(shù)量不斷增加，這意味著有很大一部分電能被應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，在夏季等用電高峰期，會(huì)對(duì)全球=過(guò)的電力系統(tǒng)造成很大的負(fù)荷。將PCM存儲(chǔ)系統(tǒng)放入空調(diào)的壓縮蒸汽循環(huán)中，可以存儲(chǔ)來(lái)自蒸發(fā)器的冷量；在非高峰用電階段，PCM可以存儲(chǔ)多余的冷量，然后在高峰用電期釋放，起到“移峰填谷”的效果[5]。

相變蓄冷空調(diào)系統(tǒng)示意圖

常用的相變蓄冷裝置有球形膠囊蓄冷裝置和殼管式蓄冷裝置[6]。球形膠囊蓄冷裝置是指將PCM封裝到聚乙烯球中并安置在冷水箱中，水直接與相變球交換熱量。殼管式冷藏裝置通常呈圓柱形或矩形，其由浸沒在靜止PCM中的水平或垂直平行彎曲管道組成，流體流經(jīng)管的四周。兩種裝置傳熱性能的影響因素各不相同，但是封裝相變材料的壁材的物理性能都及其重要。

相變蓄冷裝置圖（1）球形膠囊蓄冷裝置（2）殼管式蓄冷裝置

四、相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

除了可以將相變材料放置在空調(diào)系統(tǒng)中以此來(lái)降低能耗之外，直接將相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合也可以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度的作用。目前研究大多將相變材料結(jié)合在石膏墻板、混凝土中，或是與做成薄膜與窗戶相結(jié)合；在北方地區(qū)，地板下有地暖系統(tǒng)，與相變材料相結(jié)合可以進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的效果[7]。

應(yīng)用在建筑中的相變材料的封裝方法有以下幾種：直接浸漬法、微膠囊法和多孔材料吸附法等等[8]。其中，直接浸漬法是直接將建筑材料浸潤(rùn)著相變材料中，這種方法會(huì)造成較為嚴(yán)重的泄露，現(xiàn)在大多不被采用。使用微膠囊法或多孔材料吸附法制備的相變材料粉末，可以作為混凝土的細(xì)骨料加入，對(duì)其力學(xué)性能雖有一定損傷，但是不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重泄露。

五、相變材料的改性

為了進(jìn)一步提高相變材料的儲(chǔ)放熱效率，通常要對(duì)其進(jìn)行改性，以提高相變材料的導(dǎo)熱性能。相變材料的傳熱十分復(fù)雜，因?yàn)橄嘧冞^(guò)程中會(huì)發(fā)生固液轉(zhuǎn)變，往往認(rèn)為相變材料的傳熱是由對(duì)流和熱傳導(dǎo)共同控制的。提高相變材料的導(dǎo)熱性能通常從兩個(gè)方面入手[9]：一是對(duì)儲(chǔ)能裝置的改進(jìn)，如采用翅片來(lái)增加其和流體之間的傳熱面積、或采用多層相變材料組合式方式；二是對(duì)相變材料自身導(dǎo)熱的改進(jìn)，添加一些導(dǎo)熱率高的材料進(jìn)行復(fù)合，如膨脹石墨、石墨烯等。

在相變材料中加入納米結(jié)構(gòu)的材料也可以達(dá)到這一效果[10]，如碳納米管、納米金屬粉末、納米線等等?？傊?，在目前節(jié)能減排的大環(huán)境下，相變材料的應(yīng)用前景十分值得進(jìn)一步的研究，以真正發(fā)揮相變材料在實(shí)際生活中的作用。

參考文獻(xiàn)

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[2] Wei G, Wang G, Xu C, et al. Selection principles and thermophysical properties of high temperature phase change materials for thermal energy storage: A review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2018, 81.

[3] Pandey A K, Hossain M S, Tyagi V V, et al. Novel approaches and recent developments on potential applications of phase change materials in solar energy[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2018, 82:281-323.

[4] Vasu A, Hagos F Y, Noor M M, et al. Corrosion effect of phase change materials in solar thermal energy storage application[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 76:19-33.

[5] Zhai X Q, Wang X L, Wang T, et al. A review on phase change cold storage in air-conditioning system: Materials and applications[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013, 22(8):108-120.

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[7] Kuznik F, David D, Johannes K, et al. A review on phase change materials integrated in building walls[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(1):379-391.

[8] Zhou D, Zhao C Y, Tian Y. Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications[J]. Applied Energy, 2012, 92(4):593-605.

[9] Ibrahim N I, Al-Sulaiman F A, Rahman S, et al. Heat transfer enhancement of phase change materials for thermal energy storage applications: A critical review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 74:26-50.

[10] Ma Z, Lin W, Sohel M I. Nano-enhanced phase change materials for improved building performance[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 58:1256-1268.

本文由宮文君供稿，材料牛整理編輯。

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