摘 要：相變儲(chǔ)能材料由于其在相變的過(guò)程中能夠吸收或釋放大量的熱，可以起到儲(chǔ)存能量和控制溫度的作用，還能夠解決能量供應(yīng)在時(shí)間和空間上分配不平衡的問(wèn)題，是一種提高能源利用的有效方法。它能夠廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能利用、工業(yè)余熱回收、塑料大棚等領(lǐng)域。

本文介紹了相變儲(chǔ)能材料在國(guó)內(nèi)外研究狀況和相變材料的種類，敘述了相變儲(chǔ)能材料的性能要求及其應(yīng)用。 

關(guān)鍵詞：相變儲(chǔ)能材料；節(jié)能能源；相變焓；晶型  　　

1 引言  　　

能源是當(dāng)今世界的一大主題，是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問(wèn)題[1-2]。能源的開(kāi)發(fā)和利用，一直是科研工作者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，也是關(guān)系到我國(guó)可持續(xù)發(fā)展及人民生活質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。隨著能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和使用，造成了能源的大量浪費(fèi)，因此，節(jié)約能源這項(xiàng)技術(shù)的研究利用已是刻不容緩，而相變儲(chǔ)能技術(shù)作為新型的節(jié)能技術(shù)之一，它有著自身獨(dú)特處理熱能的優(yōu)勢(shì)[3]。  　　

相變儲(chǔ)能材料的英文全稱是Phase Change Materials，簡(jiǎn)稱為PCMs，是指在一定的溫度范圍內(nèi)，利用材料本身結(jié)構(gòu)變化或相態(tài)變化，向環(huán)境自動(dòng)釋放或吸收熱量，從而達(dá)到控制環(huán)境溫度的一類物質(zhì)。具體相變過(guò)程為：當(dāng)環(huán)境溫度低于相變溫度，材料釋放儲(chǔ)存的熱量，以提高環(huán)境溫度；當(dāng)環(huán)境溫度高于相變溫度，材料吸收并儲(chǔ)存熱量，以降低環(huán)境溫度[4]。因而，相變儲(chǔ)能材料在現(xiàn)實(shí)生活中具有廣闊的應(yīng)用前景價(jià)值。  　　

2 相變儲(chǔ)能材料的研究現(xiàn)狀  　　

2.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀  　　

人們對(duì)于相變材料的研究是近幾十年的事，特別是七十年代能源危機(jī)時(shí)期，儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展。上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)能源部最先研究相變儲(chǔ)能材料，并且應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，之后，越來(lái)越多的科研者投入到相變儲(chǔ)能材料的研究中，如蒙特利爾大學(xué)Dorel Feldman[5]等人對(duì)材料的各種熱物性能和環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了研究。法國(guó)Fittinaldi E[6]等人報(bào)道過(guò)一些有機(jī)金屬材料，相變轉(zhuǎn)化時(shí)溫度區(qū)間可達(dá)120℃。北海道大學(xué)Katsunori Nagano[7]等人采用顆粒狀的相變材料進(jìn)行研究，主要用于增大建筑蓄熱能量的地板空調(diào)系統(tǒng)。此外，德國(guó)，澳大利亞等其他國(guó)家也為相變儲(chǔ)能材料的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。他們對(duì)各種相變儲(chǔ)能材料的性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，再根據(jù)每個(gè)國(guó)家的條件，將相變材料應(yīng)用于建筑物中進(jìn)行節(jié)能測(cè)試，結(jié)果表明相變材料的儲(chǔ)能功效非常好。  　　

2.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀  　　

國(guó)內(nèi)對(duì)于相變儲(chǔ)能材料的認(rèn)識(shí)程度還不夠，技術(shù)也不夠成熟。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉宏等人早期對(duì)相變材料進(jìn)行研究，他們建立相應(yīng)的理論模型，并作出數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)熔點(diǎn)在32℃左右的定形相變材料是新型地板輻射采暖系統(tǒng)比較理想的貯熱材料。研究表明，這種系統(tǒng)不僅節(jié)約能源、操作簡(jiǎn)單，而且還能提供舒適的熱環(huán)境[8]。華南理工大學(xué)肖敏等人將石蠟與一熱塑彈性體SBS復(fù)合制備復(fù)合相變蓄熱材料，研究發(fā)現(xiàn)在石蠟的復(fù)合相變材料中加入膨脹石墨后，石蠟的傳熱性能顯著提高，可達(dá)到放熱時(shí)間迅速縮短的效果[9]。鐵生年等人將相變儲(chǔ)熱材料應(yīng)用于溫室大棚，研究溫室儲(chǔ)熱材料的性能與其存在的問(wèn)題[10]。從整體來(lái)看，我國(guó)對(duì)相變材料的實(shí)際工程應(yīng)用研究并不深，并且存在很多問(wèn)題，還有待于科研工作者進(jìn)行深入研究，以達(dá)到合理、充分利用能源的目的。  　　

3 相變儲(chǔ)能材料的分類  　　

3.1 固-固相變儲(chǔ)能材料  　　

固-固相變儲(chǔ)能材料是相變前后材料的晶型從一種結(jié)晶形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N結(jié)晶形式而進(jìn)行吸熱和放熱，相變前后體積變化小，無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性，過(guò)冷度小，使用壽命長(zhǎng)，但其類別少、相變焓值較低且存在一些不足。目前研究的固-固相變儲(chǔ)能材料主要有多元醇類、高分子類和無(wú)機(jī)鹽類。  　　

3.2 固-液相變儲(chǔ)能材料  　　

固-液相變儲(chǔ)能材料是通過(guò)材料的固液相態(tài)變化進(jìn)行能量的吸收和釋放。該過(guò)程可逆，因此材料可重復(fù)多次利用。固-液相變儲(chǔ)能材料按其內(nèi)部構(gòu)成有以下幾種類型：（1）無(wú)機(jī)類，如結(jié)晶水合鹽、熔融鹽等系列材料；（2）有機(jī)類，如高級(jí)脂肪烴類、脂肪酸類等系列材料。這類相變儲(chǔ)能材料價(jià)格便宜、相變潛熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。但這類材料存在過(guò)冷和沉淀現(xiàn)象，所以要添加增稠劑和成核劑。  　　

4 相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用  　　

4.1 相變儲(chǔ)能材料在建筑中的應(yīng)用  　　

將處理的固-固相變儲(chǔ)能材料或改性過(guò)的固-液相變儲(chǔ)能材料與普通建筑材料相結(jié)合，制造出具有儲(chǔ)能效果的建筑材料，外觀上與普通建筑材料無(wú)差別，但卻具有儲(chǔ)能、節(jié)能功效[11]。若將室內(nèi)天花板、地板等材料做成相變材料，利用其吸熱和放熱功能，則可保持室內(nèi)溫度梯度降到舒適狀態(tài)。在建筑中很有前景的應(yīng)用是將相變物質(zhì)與通用多孔建筑材料復(fù)合，使這些建筑材料同時(shí)具有承重和儲(chǔ)能的雙重功能。這樣的多功能建筑材料，無(wú)需占用額外空間，也降低建筑成本，是性價(jià)比較高的新型建筑材料，具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。  　　

4.2 相變儲(chǔ)能材料在太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用  　　

在化石燃料逐漸減少的情況下，太陽(yáng)能已成為人類使用能源的重要部分。但太陽(yáng)能不穩(wěn)定，隨天氣、季節(jié)的變化輻射量不同，所以太陽(yáng)能的儲(chǔ)存和釋放成為科研者研究的熱點(diǎn)，相變儲(chǔ)能材料在太陽(yáng)能中的應(yīng)用引起了研究者的關(guān)注。如相變集熱系統(tǒng)熱水器，將相變儲(chǔ)能材料放在太陽(yáng)能集熱器真空管內(nèi)，在太陽(yáng)光照射時(shí)，集熱器產(chǎn)生的熱量在相變儲(chǔ)能材料中，當(dāng)冷水進(jìn)入集熱器時(shí)經(jīng)過(guò)真空管的相變材料，此過(guò)程冷水的過(guò)熱面積大，路徑也很長(zhǎng)，所以效率非常高，熱交換效果比較理想。  　　

4.3 相變儲(chǔ)能材料在溫室大棚中的應(yīng)用  　　

溫室大棚主要是控制農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度和濕度，而在反季節(jié)種植農(nóng)作物時(shí)，通常在大棚內(nèi)配備升溫和降溫系統(tǒng)，以適應(yīng)農(nóng)作物生長(zhǎng)，尤其在夏季的白天和冬季的夜晚，溫差很大，它對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)有重要的影響[10]。以前我國(guó)冬季溫室大棚夜間的升溫普遍采用煤、電設(shè)備，存在成本高、易污染等缺點(diǎn)，近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)科研人員開(kāi)始把相變儲(chǔ)熱材料引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一種被稱為“大棚太陽(yáng)能自動(dòng)儲(chǔ)熱袋”[12]的新產(chǎn)品在山東等地方的菜棚里得到推廣應(yīng)用，增溫效果很明顯，又環(huán)保節(jié)能，深受廣大菜農(nóng)的歡迎。