随着经济的快速发展，人类对于能源的需求日益增长，不可再生能源的过度开发和浪费进一步加剧了能源的供应问题，能源短缺问题日益严重，节能问题已被当今社会广泛关注[1]。而建筑能耗在各领域中的能源消耗占有相当大的占比，我国直接或间接的建筑能耗十分巨大，据统计约占全社会能源总消耗的46.7%[2],根据国际能源署的数据，如果建筑部门依旧没有提高能源利用率的措施，到2050年，能源消耗预计将会在现有的能耗基础上增加50%[3]。为了缓解建筑能源危机，实现“碳达峰，碳中和”的目标，新型储能材料的研究迫在眉睫。在此基础上，越来越多的学者将目光投向潜热储能材料，其中最具代表性的就是相变储能材料的研究应用[4]。相变储能材料(PCMs)是一种有效的可持续热量储存的新型化学材料，是利用在相变过程中吸收或释放的能量来进行潜热储能的物质，PCMS具有高潜热性能、高储能密度以及近似恒定温度吸热和放热的特点，被认为是节能环保的最佳绿色环保载体，对于可再生能源的储存、回收和再利用具有重要意义，能够有效缓解能源需求与供应不足之间的矛盾[5]。

笔者从相变储能材料的分类、与建筑材料的复合及在建筑方面的应用几个方面入手，讨论介绍了相变储能材料的特性和研究现状，对相变储能材料在建筑节能领域的研究和应用具有一定的参考价值。

1、相变储能材料的分类及选择

1.1 相变储能材料的分类

相变储能材料的分类方式有很多种[6],一般来说，可按材料化学组成、相变温度及相变形式这3种方式分类(如图1所示)。按化学组成可将PCMs分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料，典型的无机相变材料包括结晶水合盐、熔盐、金属等，有机相变材料包括石蜡和非石蜡类[7],非石蜡类包括脂肪酸、糖脂/醇和多元醇，复合相变材料可分为无机-无机型、无机-有机型、有机-有机型这3类。按相变温度将PCMs分为低温(<100℃)、中温(100～200℃)和高温(>200℃)相变材料。按相变形式将PCMs分为固-液相变材料、固-气相变材料、固-固相变材料和液-气相变材料，其中应用最多的是固-液相变材料，其在相变过程中体积变化较小，但在熔融状态下具有流动性，易发生泄露。

图1 相变储能材料的分类图

1.2 相变储能材料的选择

选择PCMs应用于建筑物应具有以下特点：(1)要充分考虑建筑所在的气候条件，选取的相变储能材料的相变温度与工作温度相匹配，可以在相应的气候条件下完成相变反应；(2)建筑用相变储能材料应具有高潜热性能，用较少的相变储能材料就能满足储能需求；(3)选择的相变储能材料具有高导热性、密度大、比热容大、化学性质稳定、膨胀收缩性小且相变过程可逆，在经过多次相变循环反应过程后材料损失率低；(4)选择的相变储能材料与建筑材料相容、不易燃、无爆炸性、无毒性及腐蚀性；(5)原料储存丰富、价格低廉、容易大规模制备推广且对人体无害。常用于建筑材料的相变储能材料的性质见表1。

表1 部分常见相变储能材料的性质

在实际应用研究中，要找到满足所有特点的相变储能材料极其困难。因此，人们在选用相变储能材料时，往往优先考虑合适的相变温度和高潜热蓄能，然后考虑其他各种影响研究应用的因素。有时单一相变储能材料无法满足要求时，会将其进行改性处理或与其他相变储能材料复合，如采用两脂肪酸调整各组分比例进行混合，以达到需要的相变温度和相变潜热值[12]。常见的复合相变材料的性质见表2。

表2 部分常见复合相变材料的性质

2、相变储能材料与建筑材料的复合

将相变储能材料与建筑材料复合成相变储能建筑材料的方法主要有3种：直接混合法、浸渍法和封装法。

2.1 直接混合法

直接混合法是指将PCMs直接与传统建筑材料如砂浆、石膏、水泥等拌合[14]。这种方法操作简便且经济成本较低，是建筑材料和PCMs结合方式中最简便易行的一种。闫全英等[15]将不同掺量的石蜡与水泥砂浆混合后制备相变墙体，并与普通水泥砂浆墙进行对比，试验结果显示相变墙体的表面温度和热流远小于普通墙，且当石蜡掺量小于5%(质量分数)时，相变墙无石蜡渗透析出。

2.2 浸渍法

浸渍法是将建筑材料如墙板、混凝土、石膏板等浸泡在液体相变储能材料中，通过建筑材料中微孔的毛细作用力吸附相变储能材料。闫全英等[16]利用浸渍法得到在70%癸酸-30%硬脂酸混合物浸泡过的石膏板和在65%固体石蜡-35%液体石蜡中浸泡过的挤塑聚苯板，制备得到2种相变储能建筑墙体。与普通建筑墙体比较，将相变石膏板作为受热侧时的相变建筑墙体，温度和热流下降缓慢，而复合相变挤塑聚苯板的相变墙体与普通建筑墙体没有区别。范兆荣等[17]采用浸渍法，将石膏板浸泡在70%液体石蜡-25%固体石蜡-5%硬脂酸的混合液体中，制备相变石膏板，得出结论在相变温度最低为25℃时，非常适合制备相变墙体材料，且综合性较佳。

2.3 封装法

传统建筑材料和相变储能材料的复合方式很容易发生泄露的问题，许多专家学者研究发现在将相变储能材料和建筑材料复合前，先进行一次相变储能材料的单独封装，这一方法不仅可以有效解决相变储能材料的泄露问题，还能增强相变储能材料的热稳定性和机械稳定性[18]。常见的封装方法可以分为多孔吸附封装和微胶囊封装法[19]。

2.3.1 多孔吸附封装法

多孔吸附封装法是指将硅藻土、膨胀珍珠岩、膨胀石墨等多孔材料作为载体，利用孔隙结构的毛细作用力将液体中的相变储能材料吸附到多孔材料中，形成稳定的复合相变体系[9]。其优点在于不仅能够有效、可靠地储存大量的相变储能材料，还可使建筑材料和PCMs的结构和功能一体化[14]。黄正等[20]以碳气凝胶为载体，聚乙二醇(PEG)为相变材料，以熔融共混法和真空浸渍法制备了导热增强型的相变复合材料，并对其微观结构、导热性能和相变过程进行研究，结果表明碳气凝胶-聚乙二醇相变复合材料相比PEG材料导热性能明显提高且性能更加稳定。朱祥宁等[21]将碳化竹木分别吸附氧化石墨烯和还原氧化石墨烯，制备多孔载体，然后分别与聚乙二醇-2000(PEG-2000)复合得到复合相变材料，试验表明，碳化竹木/还原氧化石墨烯/PEG三元复合相变材料融化潜热为115.62J/g, 热导率为1.09W/(m·K)(是PEG-2000的3.7倍)。

2.3.2 微胶囊封装法

微胶囊封装法指将直径为1～1000μm的相变颗粒包裹在聚合物的壳内，再排列成连续基体的一种技术[22]。微胶囊相变储能材料(MEPCM)具有非常高的比表面积、壳层机械强度高、穿透性好、形貌大小可控且具有良好的热稳定性[23]。张云峰等[24]以石蜡为芯材，三聚氰胺树脂为壳材，并使用SiO2改性剂，采用原位聚合法制备改性MEPCM,并对其相变特性、热稳定性等进行测试，发现纳米SiO2含量为5%时的改性MEPCM相变潜热为145.7kJ/kg, 包裹率为81.8%。Cheng等[25]以正十八烷为芯材，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-碳纳米管为壳体，采用原位聚合法制备了新型相变微胶囊(C-PCMs),C-PCMs的潜热为112.25kJ/g, 在C-PCMs受热时，壳层在165℃时仍能保持完整。Xu等[26]采用凝聚法将PEG包覆在SiO2壳体内，制备了PEG@SiO2相变微胶囊，其在熔融-凝固过程中相变焓可达164.9J/g和160.1J/g, 经历冷热循环后仍保持良好的热稳定性和热可靠性。

3、相变储能材料在建筑节能领域的应用

相变储能材料在建筑节能领域的应用主要分为两大类：一类是将相变储能材料与建筑围护结构结合，主要用于室内温度调节，在实现建筑节能的同时提高人的居住舒适性；一类是将相变储能材料与供暖制冷系统结合，用于减少能耗，延长室内的保温保冷时长，提升人的室内舒适性。

3.1 相变储能材料在建筑围护结构中的应用

3.1.1 相变墙体

相变墙体可以分为单层相变墙体、双层相变墙体和其他形式的相变墙体三大类。单层相变墙体是将一种相变储能材料与建筑材料复合后用于墙体。Yang[27]采用原位聚合法制备纳米相变微胶囊，并将含有8%～23%(质量分数)的砂浆制成0.8cm的石膏样品，将其应用于墙体，对比相变墙体和普通墙体的室内温度发现，当外界温度发生变化时，相变墙体室内温度相对更加稳定适宜，可为居住者提供更加持久的热舒适度。双层相变墙体[28],顾名思义主要通过在墙体两侧设置不同相变温度的相变层，使相变储能材料能够在不同温度气候条件下充分发生相变反应，实现室内调温储能的作用[3]。张源等[29]提出了将两种不同相变温度的PCM同时填入到多层平壁墙体内，构成双层PCM墙体，采用显热融法对PCM的传热过程进行分析，并利用MATLAB软件编程对多种不同位置结构的双层PCM墙体在典型夏热冬冷的气候条件下进行分析计算，结果表明：两种PCM位于墙体中间时，建筑围护结构内表面温度最为稳定，低温相变PCM在冬季的利用率与高温相变PCM在夏季的利用率均在0～100%,能够使墙体保持较高的热工作性能。其他相变墙体形式如管道嵌入式相变复合墙体[30]和带空气夹层的相变储能墙体[31],这两种墙体也能有效缓解室内温度变化，减小室内负荷。

3.1.2 相变储能砂浆

相变储能砂浆是将相变储能材料、复合相变材料或封装相变材料等与砂浆混合。Wang等[32]将空心羟基磷灰石(HAP)与癸酸(CA)复合制备新型相变微胶囊CA-HAP,并将微胶囊和砂浆混合，制备不同含量CA-HAP微胶囊的相变水泥砂浆，对其工作性能、水化热、抗压强度等进行测试，结果表明随着CA-HAP含量的增加，相变水泥砂浆的流动性和抗压强度呈现先升高后降低的趋势，在CA-HAP含量为10%(体积分数)时相变砂浆抗压强度达到最高，在CA-HAP含量为20%(体积分数)时抗压强度最低，与普通水泥砂浆相比降低7.9%。杨籍等[33]以癸酸-月桂酸二元低共熔物/改性硅藻土定型相变材料，将其掺入到砂浆中制备相变控温砂浆，对控温砂浆热性能进项测试，并通过实验模拟和软件模拟的方法对比了相变控温砂浆对室内温度的调节效果，两种结果都表明相变控温砂浆可作为保温材料用在建筑围护结构中发挥保温隔热作用，降低建筑能耗。

3.1.3 相变板材

石膏材料是一种隔热防火材料[34],在建筑领域应用广泛，将相变储能材料与石膏结合制备相变石膏板材，具有更好的储能性，提升室内的舒适性。舒钊等[35]利用月桂酸-肉豆蔻酸-硬脂酸(LA-MA-SA)三元复合酸为相变储能材料，以多孔状膨胀石墨(EG)为热导率增强材料，硅藻土(DE)为定型材料，通过熔融浸渍法制备了不同EG含量的LA-MA-SA/EG/DE定型复合相变材料，然后采用直接混合法将LA-MA-SA/10%EG/10%DE(质量分数)与石膏粉混合制备相变石膏板，通过蓄/放热试验发现，相变石膏板在加热冷却过程中表现出良好的储、放热性能和较长的相对热舒适时间，较普通石膏板延长0.82h, 在缓解建筑能源危机上有巨大的应用前景。李琳等[36]将CA-MA二元脂肪酸与膨胀珍珠岩(EP)采用熔融吸附法制备CA-MA/EP定形相变材料，并用白乳胶对其进行二次包裹，将定形相变材料掺入到石膏基体中制成脂肪酸相变储能板，相变储能板的相变温度和相变潜热分别为24.62℃和29.10J/g, 并用软件Energy Plus对相变储能围护结构进行仿真模拟，证实了相变储能围护结构能够缓解室内环境温度波动，具有一定控温作用。

3.1.4 相变储能屋顶

建筑相变储能屋顶一般选择将相变储能材料与建筑石膏或砂浆混合，该屋顶能有效降低建筑内外导热和传热率，维持室内的温度。Tao等[37]以硬酯酸甲酯和硅藻土为原料，采用直接浸渍法制备复合定形相变材料(FSPCM),并与石膏粉混合得到相变石膏板，制备了相变石膏板天花板的小型试验箱并进行了建模，在真实环境条件下，与普通石膏板进行试验对比，证明了复合相变石膏板天花板具有更优异的热可靠性和热稳定性，可节省16.2%的冷负荷。杨颉等[38]研究了新型太阳能相变屋顶系统，即将两种相变材料和风道预制在屋顶内，相变温度不同的两种相变材料保证在供冷期夜间蓄冷日间吸热、供暖期日间蓄热夜间放热，并根据供暖工况(石家庄室外气象条件),采用模拟方法试验，最终与无相变通风屋顶相比，最佳相变通风屋顶(相变材料设置于钢筋混凝土板下)的相变温度为18～20℃、厚度30mm的相变通风屋顶各项评价指标更优。

3.1.5 相变储能表面涂料

将微胶囊相变材料(MEPCM)与普通涂料的结合方式得到相变储能表面涂料，张云峰等[24]采用原位聚合法制备改性MEPCM后，然后将其按一定比例加入到涂料中，试验得到随着MEPCM含量的增加，复合相变储能涂料的储放热性能也随之提升，当MEPCM含量达到30%时的复合相变储能涂料和未添加微胶囊的涂料相比，温度从15℃升至31℃时需增加12min左右，温度从38℃降温至20℃所需时间增加了6min左右，这说明相变储能涂料能够有效延缓温度波动。崔锦峰等[39]以三聚氰胺-甲醛(MF)树脂为壁材，以硬脂酸丁酯-正十四醇为芯材，采用原位聚合法制备了MEPCM,将MEPCM与自制硅溶胶-苯丙无机/有机复合乳液、助剂和颜填料复合得到相变储能内墙涂料，与市场在售涂料比较，相变储能内墙涂料可通过MEPCM的相变反应来有效降低室内温度波动频率，且相变储能涂料性能符合国标要求，试验得知当MEPCM的芯壁比为1.2∶1,相变储能涂料涂抹厚度达到1.0mm时，相变涂料储能调温效果最佳，为进一步降低建筑能耗提供了可能性。于建香等[40]采用溶剂挥发法，以聚甲基丙烯甲酯为胶囊壁材，以CaCl2·6H2O作为芯材，制备微胶囊相变材料，并将其加入到内墙涂料中制成自调温涂料，结果表明，随着微胶囊质量分数的增大，涂料的相变焓增大，相变温度也略有上升，但当质量分数超过15%时，涂料的粘性和附着性变差；随着自调温涂料放置时间的增加，相变温度基本不变，相变焓略微下降。

3.2 相变储能材料在建筑制冷供暖系统中的应用

3.2.1 相变储能材料与供暖系统结合

相变储能材料与供暖系统的结合主要可以分为三大类：相变辐射采暖、相变热泵系统和相变蓄热式集热器。相变辐射采暖是在辐射地板采暖系统中采用相变潜热存储技术，可以更合理地平衡能源供应需求[41],张春枝等[42]提出在地板辐射采暖结构中减少相变材料填充量的半层式填充架构形式，与无填充式、常规相变填充进行对比，通过对不同形式地板辐射供暖的模拟对比分析，得出结论半层式相变材料填充法能在一定程度上缩短热响应时间，提高室内热舒适性，具有较好的蓄热能力。刘旭飞等[43]针对北方寒冷天气限制传统空气源热泵系统应用的问题，开发了一种新型低环境温度空气源热泵系统及其控制系统，即相变蓄热蒸发型空气源热泵系统，此系统在环境温度为-30℃时，制热性能参数COP为1.8,当环境温度达到15℃时，COP为4.8,全工况提高了热泵系统在低温环境下的运行性能，且实验室调控和现场半年使用测试也表明整个系统性能稳定、可靠、节能性能良好。张文娟等[44]利用TRNSYS建立基于相变蓄热器的太阳能-地源热泵模型，以寒冷地区北京某办公建筑为研究对象，得到此模型运行最优策略是在供暖初、末期，利用太阳能集热器供暖，同时为13台相变蓄热器蓄热，在供暖中期，地源热泵利用低谷电为相变蓄热器蓄热，可节省8%～11%的电量，运行费用减少11%～14.29%,相变蓄热器的蓄热利用率达87%。

3.2.2 相变储能材料与制冷系统结合

夏季高温期间，空调制冷系统能耗增加，其能耗占大型公共建筑能耗的70%[45],将相变储能材料与制冷系统的结合是实现能源利用和节能的有效方案。古家安等[46]采用数值模拟方法搭建了带有相变夹层的辐射供冷板的二维瞬态传热模型，研究了相变储能材料种类和材料厚度两种因素对PCMs熔化、再生热过程及辐射供冷板传热性能的影响，发现只要添加相变储能材料就可降低室内温度的波动，且随着相变储能材料厚度和相变潜热增大，室内温度变化速度越慢，维持平缓的时间越久；不同的相变储能材料，相变温度的不同则决定了室内空气温度上升的温度范围，此模型为PCM辐射供冷板的实际工程应用提供了理论依据。Bejarano等[47]研究了将PCMs与制冷系统相结合的新型热能储存(TES)系统，在TES系统的填充床内添加大量MEPCM,当系统中的制冷剂工作流动时会吸收MEPCM中的热量而蒸发，解决了制冷系统工作不连续的问题，提高了系统能效比，将满足需求与降低成本结合，实现了灵活的冷能管理与应用。

4、结语

主要综述了相变储能材料在建筑节能领域的应用，包括相变墙体、相变储能砂浆、相变板材、相变储能屋顶、相变储能表面涂料和相变储能供暖制冷系统。相变储能材料在建筑围护结构中应用都能有效减缓室内温度的波动，并有效利用太阳能，提高了围护结构的蓄热能力，实现建筑节能降耗的同时提高人居住舒适性；相变储能供暖制冷系统可以提高供暖制冷系统的运行性能和能效，降低能耗。因此相变储能材料在未来必将有着广阔的应用需求和市场前景。但是国内外的相变储能材料的研究仍处于实验和小规模化应用的阶段，还有许多问题亟待探讨。

(1)相变储能材料在长期循环使用过程中耐久性和可靠性问题。

(2)相变储能材料与建筑材料的复合，在降低能耗的同时，如何有效地保证建筑材料的力学性能和建筑美学需求。

(3)如何降低相变储能材料的生产成本，实现工艺优化和工业化生产也是今后研究面临的一大难题。

虽然相变储能材料的应用仍存在许多问题，但它作为一种新型绿色环保储能材料，在未来的低碳化生产中必将发挥巨大的作用，发展成为社会新型能量源。

参考文献:

[1]彭立华,顾晓滨,刘鹏,等.硅藻土基相变储能材料研究进展[J].硅酸盐学报,2021,49(5):1006-1016.

[2]肖力光,王敬维.无机水合盐相变材料在建筑节能领域的应用[J].化工新型材料,2021,49(9):226-229.

[3]陈璞,蒋达华,徐玉珍,等.相变材料选用及储能墙体节能研究进展[J].化工新型材料,2023,51(2):207-212.

[8]顾庆军,费华,王林雅,等.脂肪酸相变储能材料热性能研究进展[J].化工进展,2019,38(6):2825-2834.

[10]喻彩梅,章学来,华维三.十水硫酸钠相变储能材料研究进展[J].储能科学与技术,2021,10(3):1016-1024.

[11]王文楷,董震,赖艳华,等.相变储能材料的研究与应用进展[J].制冷与空调(四川),2020,34(1):91-103.

[12]高洪军,黄隽怡.相变材料在建筑领域的应用及研究进展[J].广东建材,2023,39(5):30-33.

[13]沈澄,徐玲玲,李文浩.相变储能材料在建筑节能领域的研究进展[J].材料导报,2015,29(5):100-104.

[14]伏舜宇,沈仲华,杨英英,等.相变材料应用于建筑围护结构中定型封装方法研究进展[J].化工新型材料,2021,49(11):222-228.

[15]闫全英,梁辰,张林.相变石蜡掺量对水泥墙传热性能的影响[J].建筑材料学报,2009,12(2):236-238.

[16]闫全英,王立娟,岳立航.浸泡法制备的相变墙体传热性能的研究[J].新型建筑材料,2014,41(8):15-19.

[17]范兆荣,孙继超,谷亚新,等.应用于墙体中的相变储能材料的研究[J].广州化工,2018,46(18):57-60.

[18]李国俭.相变储能材料开发与封装技术研究进展[J].热力发电,2023,52(2):23-31.

[19]方桂花,张文涛,于孟欢.定形相变储能材料的研究进展[J].化工新型材料,2022,50(8):39-42.

[20]黄正,王朝明,王廷钧.碳气凝胶基复合相变材料的制备及其导热性能研究[J].化学推进剂高分子材料,2022,20(6):31-36.

[21]朱祥宁,冯黛丽,冯妍卉,等.木基生物质碳化骨架负载聚乙二醇相变材料及表面修饰对蓄传热性能的强化[J].物理学报,2023,72(8):326-335.

[23]王丹,安生霞,阿鑫,等.定型复合相变储能材料的研究进展[J].化工新型材料,2023,51(8):7-11.

[24]张云峰,张璐,刘鹏,等.纳米SiO2改性石蜡相变微胶囊涂料的制备及性能表征[J].涂料工业,2021,51(1):34-39.

[29]张源,吴志伟,葛凤华,等.夏热冬冷地区双层相变材料墙体热工性能分析[J].江苏大学学报(自然科学版),2019,40(4):465-471.

[30]陈萨如拉,常甜馨,杨洋,等.既有建筑嵌管式相变复合墙体夏季热特性研究(英文)[J].中国科学技术大学学报,2021,51(11):840-856.

[31]巫洋茜.带空气夹层的相变蓄能墙体传热性能研究[D].衡阳:南华大学,2021.

[33]杨籍,孟多,王安琪,等.相变控温砂浆用于改善建筑围护结构保温性能的研究[J].新型建筑材料,2020,47(1):104-107.

[34]田玮俊,刘何清,吴世先.相变储能材料的应用述评[J].广东化工,2023,50(4):108-109,101.

[35]舒钊,钟珂,肖鑫,等.硅藻土基脂肪酸定型相变材料的制备与表征[J].硅酸盐学报,2022,50(6):1652-1660.

[36]李琳,王宇,钱雯艳,等.脂肪酸相变储能板性能及控温效果模拟[J].储能科学与技术,2023,12(1):247-254.

文章来源:王晓风,宋小软,黄崧,等.相变储能材料在建筑节能领域中的研究进展[J].化工新型材料,2024,52(S2):320-325+331.