十篇綜述告訴你 相變材料的三大應用場景

相變材料（phase change material，簡稱PCM），是指在物質發生相變時，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能，儲熱密度大，蓄熱裝置結構緊湊，并且在相變過程中本身溫度基本不變，易于管理，隨著全球節能意識的提高，相變材料的這一特性引起了研究人員的重視，相變儲熱技術在儲能領域越來越大放異彩。

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—氣相變材料；按照材料種類分，可分為無機相變材料、有機相變材料和復合相變材料^[1]。生活中最常見的相變材料是水，早在數千年前，古人就懂得利用水的相變過程來進行實物保鮮或制冷。

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。目前公認的相變材料篩選原則如下^[2]：( 1）相變溫度在實際應用操作范圍內。 （2）潛熱儲存能力高。 （3）導熱率高。 （4）穩定的化學和熱性能。 （5）無毒，無腐蝕性，對環境無害。 （6）成本低，易于獲得。 （7）相變過程中體積變化小。 （8）不發生過冷現象或過冷度很小。目前大多用的是固—液相變材料，由于相的改變，通常要對相變材料進行封裝以防泄露。

二、相變材料在太陽能領域的應用

目前，太陽能系統基本步入家家戶戶，但是也存在一些缺點，如：太陽能利用是間歇性的，夜晚不可用。將相變材料應用到太陽能系統，可以保證在沒有太陽輻射的情況下也可以應用太陽能。相變材料可以應用在太陽能熱電廠、太陽能空氣加熱器、太陽能熱水器、太陽能海水淡化器、太陽能炊具等等領域。^[3]以下圖為例，該裝置主要包括三部分：a）太陽能系統單元，b）雙重管道熱能存儲器（TES），以及c）儲水箱。當有太陽時，含有相變材料的TES處于充能階段，此時閥門1打開，閥門2關閉；無太陽輻射時，閥門1關閉而閥門2開啟。

利用TES技術制備的太陽能熱水系統實驗裝置圖

另外，長久使用的相變材料儲能罐，由于腐蝕作用，可能會造成太陽能熱電廠的故障^[4]。對此，建議使用不銹鋼材料的封存罐，以防止相變材料的腐蝕。

三、相變材料在空調儲冷系統中的應用

近年來，全國安裝的空調數量不斷增加，這意味著有很大一部分電能被應用于空調系統，在夏季等用電高峰期，會對全球=過的電力系統造成很大的負荷。將PCM存儲系統放入空調的壓縮蒸汽循環中，可以存儲來自蒸發器的冷量；在非高峰用電階段，PCM可以存儲多余的冷量，然后在高峰用電期釋放，起到“移峰填谷”的效果^[5]。

相變蓄冷空調系統示意圖

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結構中的應用

除了可以將相變材料放置在空調系統中以此來降低能耗之外，直接將相變材料與建筑圍護結構相結合也可以達到調節室內溫度，減少室內溫度波動幅度的作用。目前研究大多將相變材料結合在石膏墻板、混凝土中，或是與做成薄膜與窗戶相結合；在北方地區，地板下有地暖系統，與相變材料相結合可以進一步達到節能的效果^[7]。

應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著相變材料中，這種方法會造成較為嚴重的泄露，現在大多不被采用。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骨料加入，對其力學性能雖有一定損傷，但是不會發生嚴重泄露。

五、相變材料的改性

為了進一步提高相變材料的儲放熱效率，通常要對其進行改性，以提高相變材料的導熱性能。相變材料的傳熱十分復雜，因為相變過程中會發生固液轉變，往往認為相變材料的傳熱是由對流和熱傳導共同控制的。提高相變材料的導熱性能通常從兩個方面入手^[9]：一是對儲能裝置的改進，如采用翅片來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；二是對相變材料自身導熱的改進，添加一些導熱率高的材料進行復合，如膨脹石墨、石墨烯等。

在相變材料中加入納米結構的材料也可以達到這一效果^[10]，如碳納米管、納米金屬粉末、納米線等等。總之，在目前節能減排的大環境下，相變材料的應用前景十分值得進一步的研究，以真正發揮相變材料在實際生活中的作用。

參考文獻

[1] Lin Y, Jia Y, Alva G, et al. Review on thermal conductivity enhancement, thermal properties and applications of phase change materials in thermal energy storage[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2018, 82.

[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.

[6] Moreno P, Solé C, Castell A, et al. The use of phase change materials in domestic heat pump and air-conditioning systems for short term storage: A review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 39(6):1-13.

[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.

本文由材料人專欄科技顧問宮文君供稿，材料牛整理編輯。

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