尚燕，張雄

(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092)

摘要：相變儲(chǔ)能材料將暫時(shí)不用的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，到需要時(shí)再將其釋放，從而可以緩解能量供與求之間的矛盾，節(jié)約能源，因此受到越來(lái)越廣泛的重視和深入的研究。介紹了相變材料在太陽(yáng)能、建筑、紡織行業(yè)、農(nóng)業(yè)等工業(yè)與民用方面的應(yīng)用，概括和評(píng)述了相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的制備方法廈其研究進(jìn)展，指出當(dāng)前存在的問(wèn)題以廈目前值得深入研究的課題。

隨著全球工業(yè)的高速發(fā)展，自從20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了能源危機(jī)及大量的能源消耗導(dǎo)致的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，人們一直在研究高效能源、節(jié)能技術(shù)、可再生環(huán)保型能源、太陽(yáng)能利用技術(shù)等。

相變儲(chǔ)能是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)，也是常用于緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配的有效方式，在太陽(yáng)能的利用、電力的移峰填谷、廢熱和余熱的回收利用、工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，目前已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。利用相變材料的相變潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，有助于提高能效和開(kāi)發(fā)可再生能源，是近年來(lái)能源科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的前沿研究方向。

相變儲(chǔ)能材料是指在其物相變化過(guò)程中，可以與外界環(huán)境進(jìn)行能量交換(從外界環(huán)境吸收熱量或者向外界環(huán)境放出熱量)，從而達(dá)到控制環(huán)境溫度和利用能量的目的的材料。與顯熱儲(chǔ)能相比，相變儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、體積小巧、溫度控制恒定、節(jié)能效果顯著、相變溫度選擇范圍寬、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，在特種航天、太陽(yáng)能利用、采暖和空調(diào)、供電系統(tǒng)優(yōu)化、醫(yī)學(xué)工程、特種工程、蓄熱建筑和極端環(huán)境服裝等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。

1相變儲(chǔ)能材料

20世紀(jì)30年代以來(lái)，特別是受70年代能源危機(jī)的影響，相變儲(chǔ)熱(LTEs)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究在發(fā)達(dá)國(guó)家(如美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)等)迅速崛起并得到不斷發(fā)展。材料科學(xué)、太陽(yáng)能、航天技術(shù)、工程熱物理、建筑物空調(diào)采暖通風(fēng)及工業(yè)廢熱利用等領(lǐng)域的相互滲透與迅猛發(fā)展為L(zhǎng)TEs研究和應(yīng)用創(chuàng)造了條件。LTES具有儲(chǔ)熱密度高、儲(chǔ)熱放熱近似等溫、過(guò)程易控制的特點(diǎn)。潛熱儲(chǔ)熱是有效利用新能源和節(jié)能的重要途徑。提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的相變速率、熱效率、儲(chǔ)熱密度和長(zhǎng)期穩(wěn)定型是目前面臨的重要課題。研究潛熱儲(chǔ)熱的核心是研究材料的相變傳熱過(guò)程。

2相變儲(chǔ)能材料的機(jī)理

相變材料從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，要經(jīng)歷物理狀態(tài)的變化，在這兩種相變過(guò)程中，材料要從環(huán)境中吸熱，反之，向環(huán)境放熱。

在物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)可儲(chǔ)存或釋放的能量稱為相變熱，發(fā)生相變的溫度范圍很窄。物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變。大量相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)寬的溫度平臺(tái)，該溫度平臺(tái)的出現(xiàn)體現(xiàn)了恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，并可與顯熱和絕緣材料區(qū)分開(kāi)來(lái)(絕緣材料只提供熱溫度變化梯度)。相變材料在熱循環(huán)時(shí)儲(chǔ)存或釋放顯熱。

相變材料在熔化或凝固過(guò)程中雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。以冰一水的相變過(guò)程為例，對(duì)相變材料在相變時(shí)所吸收的潛熱以及普通加熱條件下所吸收的熱量作一比較：當(dāng)冰融解時(shí)，吸收335J／g的潛熱，當(dāng)水進(jìn)一步加熱.每升高1℃，它只吸收大約4J／g的能量。因此，由冰到水的相變過(guò)程中所吸收的潛熱幾乎比相變溫度范圍外加熱過(guò)程的熱吸收高80多倍。除冰一水之外，已知的天然和合成的相變材料超過(guò)500種，且這些材料的相變溫度和儲(chǔ)熱能力各不相同。把相變材料與普通建筑材料相結(jié)合，還可以形成一種新型的復(fù)合儲(chǔ)能建筑材料。這種建材兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點(diǎn)。

目前，采用的相變材料的潛熱達(dá)到170J/g左右，而普通建材在溫度變化1℃時(shí)儲(chǔ)存同等熱量將需要190倍相變材料的質(zhì)量。因此，復(fù)合相變材料具有普通建材無(wú)法比擬的熱容，對(duì)于房間內(nèi)的氣溫穩(wěn)定及空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)是非常有利的。

相變材料應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：凝固熔化溫度窄，相變潛熱高，導(dǎo)熱率高，比熱大，凝固時(shí)無(wú)過(guò)冷或過(guò)冷度極小，化學(xué)性能穩(wěn)定，室溫下蒸氣壓低。此外，相變材料還需與建筑材料相容，可被吸收。

3相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用領(lǐng)域

相變儲(chǔ)能材料在許多領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值，包括太陽(yáng)能利用、電力調(diào)峰、廢熱利用、跨季節(jié)儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷、食物保鮮、建筑隔熱保溫、電子器件熱保護(hù)、紡織服裝、農(nóng)業(yè)等等。

3.1在太陽(yáng)能方面的應(yīng)用

太陽(yáng)能清潔、無(wú)污染，而且取用方便。利用太陽(yáng)能是解決能源危機(jī)的重要途徑之一。但是由于到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能量密度并不高，而且受地理、晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響，及陰晴云雨等隨機(jī)因素的制約，其輻射強(qiáng)度也不斷發(fā)生變化，而且具有稀薄性、非連續(xù)性和不穩(wěn)定性。所以為了保持供熱或供電裝置穩(wěn)定不問(wèn)斷地運(yùn)行，就需要通過(guò)貯熱裝置把太陽(yáng)能貯存起來(lái)，在太陽(yáng)能不足時(shí)再釋放出來(lái)，從而滿足生產(chǎn)、生活用能連續(xù)和穩(wěn)定供應(yīng)的需要。一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家晝夜用電存在谷峰差，可以利用相變材料在夜間儲(chǔ)存能量(電能轉(zhuǎn)化的熱能或者冷能)，到白天用電高峰時(shí)再釋放出來(lái)使用，緩解電網(wǎng)負(fù)荷。

相變儲(chǔ)能材料即可滿足這一要求。例如美國(guó)管道系統(tǒng)公司(Pipe System Inc.)應(yīng)用CaCl2·6H2O作為相變儲(chǔ)能材料制成貯熱管，用來(lái)貯存太陽(yáng)能和回收工業(yè)中的余熱。該公司稱：100根長(zhǎng)15cm、直徑9crn的聚乙烯貯熱管就能滿足一個(gè)家庭所有房間的取暖需要。法國(guó)ElFUnion公司和美國(guó)的太陽(yáng)能公司(SOlar Inc.)用NaSO4·10H2O作相變材料來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能，也都是應(yīng)用較成功的實(shí)例。

3 2在生態(tài)建筑業(yè)方面的應(yīng)用

有關(guān)資料顯示：社會(huì)一次能源總消耗量的1／3用于建筑領(lǐng)域。提高建筑領(lǐng)域能源使用效率，降低建筑能耗，對(duì)于整個(gè)社會(huì)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境都具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響。生態(tài)建筑是可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。在生態(tài)建筑中，相變儲(chǔ)能復(fù)合材料可以幫助利用太陽(yáng)能、季節(jié)溫差能等可再生能源，有效降低建筑物室內(nèi)溫度波動(dòng)、縮減各種熱能設(shè)備、降低能源支出和提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境}可以利用低峰電力、削峰填谷，降低電能消耗，緩解電力緊張。尤其是近年來(lái)，隨著高層建筑的快速發(fā)展，大量采用輕質(zhì)建筑材料，而輕質(zhì)建筑材料的熱容比較低，不利于平抑室內(nèi)溫度波動(dòng)。在輕質(zhì)建筑材料中加入相變材料是解決這一問(wèn)題的有效方法。

此外，利用相變材料作為室內(nèi)保溫裝置已進(jìn)入實(shí)用階段。在有暖氣的室內(nèi)安裝相變材料蓄熱器后，當(dāng)通人暖氣時(shí)，它會(huì)把熱貯存起來(lái)；當(dāng)停止送暖氣時(shí)，它會(huì)放出熱量，維持室內(nèi)的溫度較為恒定。如果在室內(nèi)的地板和天花板使用相變材料，由于相變材料的貯熱和放熱作用，則可將室內(nèi)溫度梯度降低到小于5℃的舒適狀態(tài)。相變材料還可用在空調(diào)節(jié)能建筑上，這是一種比較新的應(yīng)用，通過(guò)在墻、屋頂、門(mén)窗、地板中加人相變材料，可提高空調(diào)的使用效率，節(jié)約能源，而且室內(nèi)環(huán)境的舒適度也得到了提高。

相變儲(chǔ)能復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域中一個(gè)很有前景的應(yīng)用方式是將相變材料與現(xiàn)存的通用多孔建筑材料復(fù)合，即將相變材料儲(chǔ)藏在多孔建筑材料中，使這些建筑材料同時(shí)具有承重和儲(chǔ)能的雙重功能，成為結(jié)構(gòu)一功能一體化建筑材料。采用這樣的多功能建筑材料，在為建筑增加功能的同時(shí)，無(wú)需占用額外建筑空間，降低了建筑成本，是一種性價(jià)比較高的新型建筑材料，具有明顯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3在服裝紡織品方面的應(yīng)用

根據(jù)人體的冷熱舒適特點(diǎn)，結(jié)合氣候條件的差異，選擇相變溫度適當(dāng)?shù)南嘧儾牧?，可以為人體有效地提供一個(gè)舒適的微氣候環(huán)境，提高生活質(zhì)量和工作效率。美國(guó)Kallsas州立大學(xué)的shim等研究表明，含相變材料的紡織品能使人體在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于舒適狀態(tài)。在紡織服裝中加入相變儲(chǔ)能材料可以增強(qiáng)服裝的保暖功能，甚至使其具有智能化的內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)功能。把相變材料摻人紡織品后，如果外界環(huán)境升高，則相變材料熔化而吸收熱能，使得體表溫度不隨外界環(huán)境升高而升高；如果外界環(huán)境降低，則相變材料固化而放出熱能，使得體表溫度不隨外界環(huán)境降低而降低。

對(duì)以嚴(yán)寒氣候，宜選擇相變溫度為18.3～29.4℃的相變材料；對(duì)以溫暖氣候，宜選擇相變溫度為26.7～37.7℃的相變材料；對(duì)以炎熱氣候.宜選擇相變溫度為32.2～43.3℃的相變材料。固液相變儲(chǔ)能材料在液態(tài)時(shí)容易流動(dòng)散失，所以其應(yīng)用于紡織品時(shí)必須采用微膠囊化的形式，即微膠囊相變材料MPcMs。制備微膠囊的物理工藝主要有：噴射烘干、離心流失床或涂層處理。石蠟類(lèi)烷烴和聚乙二醇是常用于紡織品的相變材料。目前這方面的代表是Outlast公司發(fā)明的相變儲(chǔ)能纖維——outlast fiber。0utlast fiber是一種采用微膠囊技術(shù)生產(chǎn)的特殊纖維，根據(jù)使用要求可以具有不同的相變溫度。

3.4在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

溫室在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中有著舉足輕重的地位，它在克服惡劣的自然氣候、拓展農(nóng)產(chǎn)品品種和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技翠等方面具有重要的價(jià)值。溫室的核心是控制適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度和濕度環(huán)境。1987年11月我國(guó)在河北省安國(guó)縣設(shè)計(jì)建造了一座農(nóng)用太陽(yáng)能溫室，內(nèi)部設(shè)置的潛熱蓄熱增溫器就是利用相變材料的潛熱特性。潛熱蓄熱增溫器儲(chǔ)存農(nóng)用栽培溫室中自天過(guò)量的太陽(yáng)能，當(dāng)夜晚溫度下降到定范圍后釋放出儲(chǔ)存的這部分熱能，使天之中溫室內(nèi)溫度曲線的高峰區(qū)有所下降，而低谷區(qū)有所上升，晝夜之間的溫差變小。這既保證冬季蔬菜等作物的正常生長(zhǎng)，叉不需另設(shè)常規(guī)燃料增溫設(shè)備，節(jié)約了蒸氣鍋爐、燃油暖風(fēng)機(jī)等基本建設(shè)投資和日常燃料的消耗。結(jié)果表明，溫室冬季夜間最低溫度可以提高6℃，增溫效果明顯。

日本專利報(bào)道，用NaSO4·10H2O、NaCO3·10H2O、CH3COONa·3H2O作相變材料，用硼砂作過(guò)冷抑制劑，用交聯(lián)聚丙烯酸鈉作分相防止劑，制成在20℃相變的儲(chǔ)能相變材料。該材料可用于園藝溫室的保溫。

在農(nóng)業(yè)上，最先采用的相變材料是CaCl·6H2O，隨后又嘗試了NaSO4·10H2O、石蠟等。研究結(jié)果表明：相變材料不僅能為溫室儲(chǔ)藏能量，還具有自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)濕度的功能，能夠減少溫室的運(yùn)行費(fèi)用和降低能耗。

4相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

單一的相變材料存在很多缺點(diǎn)，如絕大多數(shù)無(wú)機(jī)物相變材料具有腐蝕性，相變過(guò)程中存在過(guò)冷和相分離的缺點(diǎn)。為防止無(wú)機(jī)物相變材料的腐蝕，儲(chǔ)熱系統(tǒng)必須采用不銹鋼等特殊材料制造，從而增加了制造成本；為抑制無(wú)機(jī)物相變材料在相變過(guò)程中的過(guò)冷和相分離，需通過(guò)大量試驗(yàn)研究，尋求好的成核劑和穩(wěn)定劑。因此，相變材料通常是由多組分構(gòu)成的，包括主儲(chǔ)劑和相變點(diǎn)調(diào)整劑、防過(guò)冷劑、防相分離劑和相變促進(jìn)劑組分。有機(jī)物相變材料則因相變潛熱低，易揮發(fā)、易燃燒、價(jià)格昂貴，特別是其熱導(dǎo)率較低、相變過(guò)程中的傳熱性能差，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用添加高熱導(dǎo)率材料如銅粉、鋁粉或石墨等作為填充物以提高熱導(dǎo)率，或采用翅片管換熱器依靠換熱面積的增加來(lái)提高傳熱性能，但這些強(qiáng)化傳熱的方法均未能解決有機(jī)相變材料熱導(dǎo)率低的本質(zhì)問(wèn)題。

近年來(lái)，為了克服單一相變儲(chǔ)能材料的缺點(diǎn)，更好地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合相變材料應(yīng)運(yùn)而生。它既能有效克服單一的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物相變材料存在的缺點(diǎn)，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果，拓展其應(yīng)用范圍。目前相變儲(chǔ)能材料的復(fù)合方法有以下幾種。

4.1膠囊型相變材料

為了解決相變材料在發(fā)生固一液相變后液相的流動(dòng)泄漏問(wèn)題，特別是對(duì)于無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變材料還存在的腐蝕性問(wèn)題，人們?cè)O(shè)想將相變材料封閉在球形的膠囊中，制成膠囊型復(fù)合相變材料來(lái)改善應(yīng)用性能。

其中，溶膠一凝膠法(Sol—gel)就是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一種。溶膠一凝膠工藝是一種獨(dú)特的材料合成方法，它是將前驅(qū)體溶于水或有機(jī)溶劑中形成均質(zhì)溶液，然后通過(guò)溶質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)生成納米級(jí)的粒子并形成溶膠，溶膠經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z來(lái)制備納米復(fù)合材料。它與傳統(tǒng)共混方法相比較具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①反應(yīng)用低粘度的溶液作為原料，無(wú)機(jī)一有機(jī)分子之間混合相當(dāng)均勻，所制備的材料也相當(dāng)均勻，這對(duì)控制材料的物理性能與化學(xué)性能至關(guān)重要；②可以通過(guò)嚴(yán)格控制產(chǎn)物的組成，實(shí)行分子設(shè)計(jì)和剪裁；③工藝過(guò)程溫度低，易操作；④制備的材料純度高。

林怡輝等采用溶膠—凝膠法，以二氧化硅作母材、有機(jī)酸作相變材料，合成復(fù)合相變材料。二氧化硅是理想的多孔母材，能支持細(xì)小而分散的相變材料，加入適合的相變材料后，能增進(jìn)傳熱、傳質(zhì)，其化學(xué)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性好。有機(jī)酸作相變材料克服了無(wú)機(jī)材料易腐蝕、存在過(guò)冷的缺點(diǎn)，而且具有相變潛熱大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

Lee Hyoen Kook研究出一種球形儲(chǔ)熱膠囊。其制備方法如下：先將無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變材料(如三水乙酸鈉)與一定量的成核劑和增稠劑混合均勻后，制成直徑為0.1～3mm的球體作為核，然后再在球形相變材料核的外表面涂覆1層憎水性的蠟?zāi)ひ约?～3層聚合物膜，最后得到直徑在0.3～10mm之間的膠囊型相變材料。

采用膠囊化技術(shù)制備膠囊型復(fù)合相變材料能有效解決相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性等問(wèn)題，但膠囊體的材料大都采用熱導(dǎo)率較低的高分子物質(zhì)，從而降低了相變材料的儲(chǔ)熱密度和熱性能。此外，尋求工藝簡(jiǎn)單、成本低以及便于工業(yè)化生產(chǎn)的膠囊化工藝也是需要解決的難題。

4.2與高分子材料復(fù)合制備定形相變材料

為了克服傳統(tǒng)的相變材料在實(shí)際應(yīng)用中需要加以封裝或使用專門(mén)容器以防止其泄漏的缺陷，近年來(lái)，出現(xiàn)了將有機(jī)相變材料與高分子材料進(jìn)行復(fù)合，制備出在發(fā)生相變前后均呈固態(tài)而保持形體不變的定形相變材料。

其中一種制備工藝是將相變材料(如石蠟)與高分子物質(zhì)(如聚乙烯)按一定比例在熱煉機(jī)上進(jìn)行加熱共混。肖敏等將石蠟與一熱塑性體苯乙烯丁二烯苯乙烯三嵌段共聚物(sBs)復(fù)合，制各了在石蠟熔融態(tài)下仍能保持形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變材料。復(fù)合相變材料保持了純石蠟的相變特性，其相變熱焓可高達(dá)純石蠟的80％。復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)性比純石蠟好，因此其放熱速率比純石蠟快，但由于sBs的引人，其對(duì)流傳熱作用削弱，所眥蓄熱速率比純石蠟慢。在復(fù)合相變材料中加入導(dǎo)熱填料膨脹石墨后，其熱傳導(dǎo)性進(jìn)一步提高，以傳導(dǎo)傳熱為主的放熱過(guò)程更快，放熱速率比純石蠟提高了1.5倍；而在以對(duì)

流傳熱為主的蓄熱過(guò)程中，由于熱傳導(dǎo)的加強(qiáng)效應(yīng)與熱對(duì)流減弱效應(yīng)相互抵消，保持了原來(lái)純石蠟的平均蓄熱速率。

這樣既充分發(fā)揮了定形固液相變材料的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需容器盛裝，可直接加工成型，不會(huì)發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象，使用安全方便；也克服了固一液相變材料明顯的缺陷：在相變介質(zhì)中加入熱導(dǎo)率較低的聚合物載體后，導(dǎo)致本來(lái)熱導(dǎo)率就不高的有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率更低了，并且還造成整個(gè)材料蓄熱能力的下降。

4.3利用毛細(xì)管作用將相變材料吸附到多孔基質(zhì)中

利用具有大比表面積微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)物作為支撐材料，通過(guò)微孔的毛細(xì)作用力將液態(tài)的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料(高于相變溫度條件下)吸人到微孔內(nèi)，形成有機(jī)／無(wú)機(jī)或無(wú)機(jī)／有機(jī)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。在這種復(fù)臺(tái)相變儲(chǔ)熱材料中，當(dāng)有機(jī)或無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)熱材料在微孔內(nèi)發(fā)生固一液相變時(shí)，由于毛細(xì)管吸附力的作用，液態(tài)的相變儲(chǔ)熱材料很難從微孔中溢出。

多孔介質(zhì)種類(lèi)繁多，具有變化豐富的孔空間，是相變物質(zhì)理想的儲(chǔ)藏介質(zhì)?？晒┻x擇的多孔介質(zhì)包括石膏、膨脹粘土、膨脹珍珠巖、膨脹頁(yè)巖、多孔混凝土等。采用多孔介質(zhì)作為相變物質(zhì)的封裝材料可使復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)功能一體化的優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用上可節(jié)約空間，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。多孔介質(zhì)內(nèi)部的孔隙非常細(xì)小，可以借助毛細(xì)管效應(yīng)提高相變物質(zhì)在多孔介質(zhì)中的儲(chǔ)藏可靠性。多孔介質(zhì)還將相變物質(zhì)分散為細(xì)小的個(gè)體，有效提高其相變過(guò)程的換熱效率。

5相變儲(chǔ)能材料存在的問(wèn)題和應(yīng)用展望

5.1存在的問(wèn)題

我國(guó)現(xiàn)階段相變儲(chǔ)能材料的研究和應(yīng)用方面仍然存在以下一些問(wèn)題。

(1)相變儲(chǔ)能材料的耐久性問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題主要分為三類(lèi)。首先，相變材料在循環(huán)相變過(guò)程中熱物理性質(zhì)的退化。其次，相變材料從基體材料中泄露出來(lái)，表現(xiàn)為在材料表面結(jié)霜。另外，相變材料對(duì)基體材料的作用，相變材料相變過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力使得基體材料容易破壞。

(2)相變儲(chǔ)能材料的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。這也是制約其廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域的障礙，表現(xiàn)為各種相變儲(chǔ)能材料及相變儲(chǔ)能復(fù)合材料價(jià)格較高，導(dǎo)致單位熱能的儲(chǔ)存費(fèi)用上升，失去了與其他儲(chǔ)熱方法的比較優(yōu)勢(shì)。

(3)相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能性能問(wèn)題。儲(chǔ)能性能有待更進(jìn)一步地提高。特別是對(duì)于相變儲(chǔ)能復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，為了使儲(chǔ)能體更加小巧和輕便，要求相變儲(chǔ)能復(fù)合材料具有更高的儲(chǔ)能性能，目前的槽變儲(chǔ)能復(fù)合材料的儲(chǔ)能密度普遍小于120J／g。有學(xué)者預(yù)測(cè)，通過(guò)增加相變物質(zhì)在復(fù)合材料中的含量和選擇相變焓更高的相變物質(zhì)，在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，將有可能將相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的儲(chǔ)能密度提高到150～200J／g。

5.2應(yīng)用展望

相變儲(chǔ)能材料的開(kāi)發(fā)已逐步進(jìn)入實(shí)用階段，主要用于控制反應(yīng)溫度、利用太陽(yáng)能、儲(chǔ)存工業(yè)反應(yīng)中的余熱和廢熱。低溫儲(chǔ)能主要用于廢熱回收、太陽(yáng)能儲(chǔ)存及供暖和空調(diào)系統(tǒng)。高溫儲(chǔ)能用于熱機(jī)、太陽(yáng)能電站、磁流體發(fā)電及人造衛(wèi)星等方面。此外，固一固相變儲(chǔ)能材料主要應(yīng)用在家庭采暖系統(tǒng)中，與水合鹽相比，具有不泄漏、收縮膨脹小、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，能耐3000次以上的冷熱循環(huán)(相當(dāng)于使用壽命25年)}把它們注入紡織物，可制成保溫性能好、重量輕的服裝}可用于制作保溫時(shí)間比普通陶瓷杯長(zhǎng)的保溫杯}含有這種相變材料的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋梁結(jié)冰。因此，它在工程保溫材料、醫(yī)療保健產(chǎn)品、特種航天器材、特種偵察、日常生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。今后相變儲(chǔ)能材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)進(jìn)一步篩選符合環(huán)保的低價(jià)的有機(jī)相變儲(chǔ)能材料，如可再生的脂肪酸及其衍生物。對(duì)這類(lèi)相變材料的深入研究，可以進(jìn)一步提升相變儲(chǔ)能建筑材料的生態(tài)意義。

(2)開(kāi)發(fā)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料是克服單一無(wú)機(jī)或有機(jī)相變材料不足、提高其應(yīng)用性能的有效途徑。

(3)針對(duì)相變材料的應(yīng)用場(chǎng)合，開(kāi)發(fā)出多種復(fù)合手段和復(fù)合技術(shù)，研制出多品種的系列復(fù)合相變材料是復(fù)合相變材料的發(fā)展方向之一。

(4)開(kāi)發(fā)多元相變組合材料。在同一蓄熱系統(tǒng)中采用相變溫度不同的相變材料合理組合，可以顯著提高系統(tǒng)效率，維持相變過(guò)程中相變速率的均勻性。這對(duì)于蓄熱和放熱有嚴(yán)格要求的蓄能系統(tǒng)具有重要意義。

(5)進(jìn)一步關(guān)注高溫儲(chǔ)熱和空調(diào)儲(chǔ)冷。美國(guó)NAsA Lewis研究中心利用高溫相變材料成功地實(shí)現(xiàn)了世界上第一套空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)2kw電力輸出，標(biāo)志這一重要的空間電力技術(shù)進(jìn)入了新的階段。太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，是最有前途的能源解決方案之一，必將極大地推動(dòng)高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展。另外.低溫儲(chǔ)熱技術(shù)是當(dāng)前空調(diào)行業(yè)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，并將成為重要的節(jié)能手段。

(6)納米復(fù)合材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展為制備高性能復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料提供了很好的機(jī)遇。納米材料不僅存在納米尺寸效應(yīng)，而且比表面效應(yīng)大，界面相互作用強(qiáng)。利用納米材料的特點(diǎn)制備新型高性能納米復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料是制備高性能復(fù)合相變材料的新途徑。