十篇综述告诉你 相变材料的三大应用场景

相变材料（phase change material，简称PCM），是指在物质发生相变时，可吸收或释放大量能量（即相变焓）的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能，储热密度大，蓄热装置结构紧凑，并且在相变过程中本身温度基本不变，易于管理，随着全球节能意识的提高，相变材料的这一特性引起了研究人员的重视，相变储热技术在储能领域越来越大放异彩。

一、相变材料的筛选原则

相变材料种类很多，依照不同分类方法可以被分为很多种。例如，按照相变方式不同分类，可以分为固—固相变材料、固—液相变材料和固—气相变材料；按照材料种类分，可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料^[1]。生活中最常见的相变材料是水，早在数千年前，古人就懂得利用水的相变过程来进行实物保鲜或制冷。

虽然相变材料有很多种，但并不是所有相变材料都可被利用。目前公认的相变材料筛选原则如下^[2]：( 1）相变温度在实际应用操作范围内。 （2）潜热储存能力高。 （3）导热率高。 （4）稳定的化学和热性能。 （5）无毒，无腐蚀性，对环境无害。 （6）成本低，易于获得。 （7）相变过程中体积变化小。 （8）不发生过冷现象或过冷度很小。目前大多用的是固—液相变材料，由于相的改变，通常要对相变材料进行封装以防泄露。

二、相变材料在太阳能领域的应用

目前，太阳能系统基本步入家家户户，但是也存在一些缺点，如：太阳能利用是间歇性的，夜晚不可用。将相变材料应用到太阳能系统，可以保证在没有太阳辐射的情况下也可以应用太阳能。相变材料可以应用在太阳能热电厂、太阳能空气加热器、太阳能热水器、太阳能海水淡化器、太阳能炊具等等领域。^[3]以下图为例，该装置主要包括三部分：a）太阳能系统单元，b）双重管道热能存储器（TES），以及c）储水箱。当有太阳时，含有相变材料的TES处于充能阶段，此时阀门1打开，阀门2关闭；无太阳辐射时，阀门1关闭而阀门2开启。

利用TES技术制备的太阳能热水系统实验装置图

另外，长久使用的相变材料储能罐，由于腐蚀作用，可能会造成太阳能热电厂的故障^[4]。对此，建议使用不锈钢材料的封存罐，以防止相变材料的腐蚀。

三、相变材料在空调储冷系统中的应用

近年来，全国安装的空调数量不断增加，这意味着有很大一部分电能被应用于空调系统，在夏季等用电高峰期，会对全球=过的电力系统造成很大的负荷。将PCM存储系统放入空调的压缩蒸汽循环中，可以存储来自蒸发器的冷量；在非高峰用电阶段，PCM可以存储多余的冷量，然后在高峰用电期释放，起到“移峰填谷”的效果^[5]。

相变蓄冷空调系统示意图

常用的相变蓄冷装置有球形胶囊蓄冷装置和壳管式蓄冷装置^[6]。球形胶囊蓄冷装置是指将PCM封装到聚乙烯球中并安置在冷水箱中，水直接与相变球交换热量。壳管式冷藏装置通常呈圆柱形或矩形，其由浸没在静止PCM中的水平或垂直平行弯曲管道组成，流体流经管的四周。两种装置传热性能的影响因素各不相同，但是封装相变材料的壁材的物理性能都及其重要。

相变蓄冷装置图（1）球形胶囊蓄冷装置（2）壳管式蓄冷装置

四、相变材料在建筑围护结构中的应用

除了可以将相变材料放置在空调系统中以此来降低能耗之外，直接将相变材料与建筑围护结构相结合也可以达到调节室内温度，减少室内温度波动幅度的作用。目前研究大多将相变材料结合在石膏墙板、混凝土中，或是与做成薄膜与窗户相结合；在北方地区，地板下有地暖系统，与相变材料相结合可以进一步达到节能的效果^[7]。

应用在建筑中的相变材料的封装方法有以下几种：直接浸渍法、微胶囊法和多孔材料吸附法等等^[8]。其中，直接浸渍法是直接将建筑材料浸润着相变材料中，这种方法会造成较为严重的泄露，现在大多不被采用。使用微胶囊法或多孔材料吸附法制备的相变材料粉末，可以作为混凝土的细骨料加入，对其力学性能虽有一定损伤，但是不会发生严重泄露。

五、相变材料的改性

为了进一步提高相变材料的储放热效率，通常要对其进行改性，以提高相变材料的导热性能。相变材料的传热十分复杂，因为相变过程中会发生固液转变，往往认为相变材料的传热是由对流和热传导共同控制的。提高相变材料的导热性能通常从两个方面入手^[9]：一是对储能装置的改进，如采用翅片来增加其和流体之间的传热面积、或采用多层相变材料组合式方式；二是对相变材料自身导热的改进，添加一些导热率高的材料进行复合，如膨胀石墨、石墨烯等。

在相变材料中加入纳米结构的材料也可以达到这一效果^[10]，如碳纳米管、纳米金属粉末、纳米线等等。总之，在目前节能减排的大环境下，相变材料的应用前景十分值得进一步的研究，以真正发挥相变材料在实际生活中的作用。

参考文献

[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.

本文由材料人专栏科技顾问宫文君供稿，材料牛整理编辑。

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