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摘 要：相变儲能材料由于其在相变的过程中能够吸收或释放大量的热，可以起到储存能量和控制温度的作用，还能够解决能量供应在时间和空间上分配不平衡的问题，是一种提高能源利用的有效方法。它能够广泛应用于太阳能利用、工业余热回收、塑料大棚等领域。本文介绍了相变储能材料在国内外研究状况和相变材料的种类，叙述了相变储能材料的性能要求及其应用。
关键词：相变储能材料；节能能源；相变焓；晶型
1 引言
能源是当今世界的一大主题，是人类赖以生存的基础，也是我国国民经济发展的重要问题[1-2]。能源的开发和利用，一直是科研工作者重点关注的问题，也是关系到我国可持续发展及人民生活质量的关键性因素。随着能源的大规模开发和使用，造成了能源的大量浪费，因此，节约能源这项技术的研究利用已是刻不容缓，而相变储能技术作为新型的节能技术之一，它有着自身独特处理热能的优势[3]。
相变储能材料的英文全称是Phase Change Materials，简称为PCMs，是指在一定的温度范围内，利用材料本身结构变化或相态变化，向环境自动释放或吸收热量，从而达到控制环境温度的一类物质。具体相变过程为：当环境温度低于相变温度，材料释放储存的热量，以提高环境温度；当环境温度高于相变温度，材料吸收并储存热量，以降低环境温度[4]。因而，相变储能材料在现实生活中具有广阔的应用前景价值。
2 相变储能材料的研究现状
2.1 国外的研究现状
人们对于相变材料的研究是近几十年的事，特别是七十年代能源危机时期，储能应用技术在发达国家迅速发展。上个世纪80年代，美国能源部最先研究相变储能材料，并且应用于建筑领域，之后，越来越多的科研者投入到相变储能材料的研究中，如蒙特利尔大学Dorel Feldman[5]等人对材料的各种热物性能和环境问题进行了研究。法国Fittinaldi E[6]等人报道过一些有机金属材料，相变转化时温度区间可达120℃。北海道大学Katsunori Nagano[7]等人采用颗粒状的相变材料进行研究，主要用于增大建筑蓄热能量的地板空调系统。此外，德国，澳大利亚等其他国家也为相变储能材料的发展做出了巨大贡献。他们对各种相变储能材料的性质进行实验研究，再根据每个国家的条件，将相变材料应用于建筑物中进行节能测试，结果表明相变材料的储能功效非常好。
2.2 国内的研究现状
国内对于相变储能材料的认识程度还不够，技术也不够成熟。中国科学技术大学叶宏等人早期对相变材料进行研究，他们建立相应的理论模型，并作出数值模拟，发现熔点在32℃左右的定形相变材料是新型地板辐射采暖系统比较理想的贮热材料。研究表明，这种系统不仅节约能源、操作简单，而且还能提供舒适的热环境[8]。华南理工大学肖敏等人将石蜡与一热塑弹性体SBS复合制备复合相变蓄热材料，研究发现在石蜡的复合相变材料中加入膨胀石墨后，石蜡的传热性能显著提高，可达到放热时间迅速缩短的效果[9]。铁生年等人将相变储热材料应用于温室大棚，研究温室储热材料的性能与其存在的问题[10]。从整体来看，我国对相变材料的实际工程应用研究并不深，并且存在很多问题，还有待于科研工作者进行深入研究，以达到合理、充分利用能源的目的。
3 相变储能材料的分类
3.1 固-固相变储能材料
固-固相变储能材料是相变前后材料的晶型从一种结晶形式转变为另外一种结晶形式而进行吸热和放热，相变前后体积变化小，无毒性、无腐蚀性，过冷度小，使用寿命长，但其类别少、相变焓值较低且存在一些不足。目前研究的固-固相变储能材料主要有多元醇类、高分子类和无机盐类。
3.2 固-液相变储能材料
固-液相变储能材料是通过材料的固液相态变化进行能量的吸收和释放。该过程可逆，因此材料可重复多次利用。固-液相变储能材料按其内部构成有以下几种类型：（1）无机类，如结晶水合盐、熔融盐等系列材料；（2）有机类，如高级脂肪烃类、脂肪酸类等系列材料。这类相变储能材料价格便宜、相变潜热大、导热系数高等优点。但这类材料存在过冷和沉淀现象，所以要添加增稠剂和成核剂。
4 相变储能材料的应用
4.1 相变储能材料在建筑中的应用
将处理的固-固相变储能材料或改性过的固-液相变储能材料与普通建筑材料相结合，制造出具有储能效果的建筑材料，外观上与普通建筑材料无差别，但却具有储能、节能功效[11]。若将室内天花板、地板等材料做成相变材料，利用其吸热和放热功能，则可保持室内温度梯度降到舒适状态。在建筑中很有前景的应用是将相变物质与通用多孔建筑材料复合，使这些建筑材料同时具有承重和储能的双重功能。这样的多功能建筑材料，无需占用额外空间，也降低建筑成本，是性价比较高的新型建筑材料，具有很好的市场竞争力。
4.2 相变储能材料在太阳能领域的应用
在化石燃料逐渐减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要部分。但太阳能不稳定，随天气、季节的变化辐射量不同，所以太阳能的储存和释放成为科研者研究的热点，相变储能材料在太阳能中的应用引起了研究者的关注。如相变集热系统热水器，将相变储能材料放在太阳能集热器真空管内，在太阳光照射时，集热器产生的热量在相变储能材料中，当冷水进入集热器时经过真空管的相变材料，此过程冷水的过热面积大，路径也很长，所以效率非常高，热交换效果比较理想。
4.3 相变储能材料在温室大棚中的应用
温室大棚主要是控制农作物生长的温度和湿度，而在反季节种植农作物时，通常在大棚内配备升温和降温系统，以适应农作物生长，尤其在夏季的白天和冬季的夜晚，温差很大，它对农作物生长有重要的影响[10]。以前我国冬季温室大棚夜间的升温普遍采用煤、电设备，存在成本高、易污染等缺点，近年来我国农业科研人员开始把相变储热材料引入农业生产，一种被称为“大棚太阳能自动储热袋”[12]的新产品在山东等地方的菜棚里得到推广应用，增温效果很明显，又环保节能，深受广大菜农的欢迎。 5 展望
相變储能技术从开始研究到今天已经取得了很大的成就，它的节能和环保越来越受到人们的广泛关注，其实际应用领域依然不断延伸，在农业生产、能源电力及日常生活等方面有着重要的应用，但很多方面还不完善，也有不少问题需要去解决。坚信随着科技的进步与发展，相变储能技术会给人们带来更为广阔的应用和巨大的经济效益。
参考文献
[1] 黄金. 融盐自发浸渗过程与微米级多孔陶瓷基复合相变储能材料研究[D]. 广东工业大学， 2005.
[2] 鄢瑛. 微胶囊相变材料的制备及在防护中的应用[D]. 华南理工大学， 2009.
[3] 王婷玉. 水合盐微胶囊相变储能材料的制备及其热物性研究[D]. 广东工业大学， 2013.
[4] 田雁晨. 相变储能材料[J]. 化学建材， 2009， 4（25）： 32-34.
[5] Feldman D， Shapiro MM， Banu D. Organic Phase Change Materials for Thermal Energy Storage[J]. Solar Energy Materials， 1986， 13（1）： 1-10.
[6] Fittinaldi E. Energy Storage by Solid-Solid Phase Change Materials， Proceeding of the First Seminar on Solar Energy Storage-Thermal Storage. Trieste， Italy： International Centre of Theoretical Physics.1978， （9）： 4-8.
[7] Nagano K， Takeda S， Mochida T， et al. Study of a Floor Supply Air Conditioning System Using Granular Phase Change Material to Augment Building Mass Thermal Storage-Heat Response in Small Scale Experiments[J]. Energy and Buildings， 2006， 5（38）： 436-446.
[8] 叶宏， 葛新石， 焦冬生. 带定形PCM的相变贮能式地板辐射采暖系统热性能的数值模拟[J]. 太阳能学报， 2002， 23（4）： 482-487.
[9] 肖敏， 龚克成. 良导热、形状保持相变蓄热材料的制备及性能[J]. 太阳能学报， 2001， 22（4）： 427-430.
[10] 铁生年， 蒋自鹏. 相变储能材料在温室大棚中应用研究进展[J]. 硅酸盐通报， 2015， 34（7）： 1933-1940.
[11] 闫洪远. 用于建筑节能的多孔基体相变储能材料的制备及应用实验[D]. 重庆大学， 2011.
[12] 潘永新. 大棚用上“储热”袋[J]. 河南农业， 2003， （2）： 32-33.
关键词：相变储能材料；节能能源；相变焓；晶型
1 引言
能源是当今世界的一大主题，是人类赖以生存的基础，也是我国国民经济发展的重要问题[1-2]。能源的开发和利用，一直是科研工作者重点关注的问题，也是关系到我国可持续发展及人民生活质量的关键性因素。随着能源的大规模开发和使用，造成了能源的大量浪费，因此，节约能源这项技术的研究利用已是刻不容缓，而相变储能技术作为新型的节能技术之一，它有着自身独特处理热能的优势[3]。
相变储能材料的英文全称是Phase Change Materials，简称为PCMs，是指在一定的温度范围内，利用材料本身结构变化或相态变化，向环境自动释放或吸收热量，从而达到控制环境温度的一类物质。具体相变过程为：当环境温度低于相变温度，材料释放储存的热量，以提高环境温度；当环境温度高于相变温度，材料吸收并储存热量，以降低环境温度[4]。因而，相变储能材料在现实生活中具有广阔的应用前景价值。
2 相变储能材料的研究现状
2.1 国外的研究现状
人们对于相变材料的研究是近几十年的事，特别是七十年代能源危机时期，储能应用技术在发达国家迅速发展。上个世纪80年代，美国能源部最先研究相变储能材料，并且应用于建筑领域，之后，越来越多的科研者投入到相变储能材料的研究中，如蒙特利尔大学Dorel Feldman[5]等人对材料的各种热物性能和环境问题进行了研究。法国Fittinaldi E[6]等人报道过一些有机金属材料，相变转化时温度区间可达120℃。北海道大学Katsunori Nagano[7]等人采用颗粒状的相变材料进行研究，主要用于增大建筑蓄热能量的地板空调系统。此外，德国，澳大利亚等其他国家也为相变储能材料的发展做出了巨大贡献。他们对各种相变储能材料的性质进行实验研究，再根据每个国家的条件，将相变材料应用于建筑物中进行节能测试，结果表明相变材料的储能功效非常好。
2.2 国内的研究现状
国内对于相变储能材料的认识程度还不够，技术也不够成熟。中国科学技术大学叶宏等人早期对相变材料进行研究，他们建立相应的理论模型，并作出数值模拟，发现熔点在32℃左右的定形相变材料是新型地板辐射采暖系统比较理想的贮热材料。研究表明，这种系统不仅节约能源、操作简单，而且还能提供舒适的热环境[8]。华南理工大学肖敏等人将石蜡与一热塑弹性体SBS复合制备复合相变蓄热材料，研究发现在石蜡的复合相变材料中加入膨胀石墨后，石蜡的传热性能显著提高，可达到放热时间迅速缩短的效果[9]。铁生年等人将相变储热材料应用于温室大棚，研究温室储热材料的性能与其存在的问题[10]。从整体来看，我国对相变材料的实际工程应用研究并不深，并且存在很多问题，还有待于科研工作者进行深入研究，以达到合理、充分利用能源的目的。
3 相变储能材料的分类
3.1 固-固相变储能材料
固-固相变储能材料是相变前后材料的晶型从一种结晶形式转变为另外一种结晶形式而进行吸热和放热，相变前后体积变化小，无毒性、无腐蚀性，过冷度小，使用寿命长，但其类别少、相变焓值较低且存在一些不足。目前研究的固-固相变储能材料主要有多元醇类、高分子类和无机盐类。
3.2 固-液相变储能材料
固-液相变储能材料是通过材料的固液相态变化进行能量的吸收和释放。该过程可逆，因此材料可重复多次利用。固-液相变储能材料按其内部构成有以下几种类型：（1）无机类，如结晶水合盐、熔融盐等系列材料；（2）有机类，如高级脂肪烃类、脂肪酸类等系列材料。这类相变储能材料价格便宜、相变潜热大、导热系数高等优点。但这类材料存在过冷和沉淀现象，所以要添加增稠剂和成核剂。
4 相变储能材料的应用
4.1 相变储能材料在建筑中的应用
将处理的固-固相变储能材料或改性过的固-液相变储能材料与普通建筑材料相结合，制造出具有储能效果的建筑材料，外观上与普通建筑材料无差别，但却具有储能、节能功效[11]。若将室内天花板、地板等材料做成相变材料，利用其吸热和放热功能，则可保持室内温度梯度降到舒适状态。在建筑中很有前景的应用是将相变物质与通用多孔建筑材料复合，使这些建筑材料同时具有承重和储能的双重功能。这样的多功能建筑材料，无需占用额外空间，也降低建筑成本，是性价比较高的新型建筑材料，具有很好的市场竞争力。
4.2 相变储能材料在太阳能领域的应用
在化石燃料逐渐减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要部分。但太阳能不稳定，随天气、季节的变化辐射量不同，所以太阳能的储存和释放成为科研者研究的热点，相变储能材料在太阳能中的应用引起了研究者的关注。如相变集热系统热水器，将相变储能材料放在太阳能集热器真空管内，在太阳光照射时，集热器产生的热量在相变储能材料中，当冷水进入集热器时经过真空管的相变材料，此过程冷水的过热面积大，路径也很长，所以效率非常高，热交换效果比较理想。
4.3 相变储能材料在温室大棚中的应用
温室大棚主要是控制农作物生长的温度和湿度，而在反季节种植农作物时，通常在大棚内配备升温和降温系统，以适应农作物生长，尤其在夏季的白天和冬季的夜晚，温差很大，它对农作物生长有重要的影响[10]。以前我国冬季温室大棚夜间的升温普遍采用煤、电设备，存在成本高、易污染等缺点，近年来我国农业科研人员开始把相变储热材料引入农业生产，一种被称为“大棚太阳能自动储热袋”[12]的新产品在山东等地方的菜棚里得到推广应用，增温效果很明显，又环保节能，深受广大菜农的欢迎。 5 展望
相變储能技术从开始研究到今天已经取得了很大的成就，它的节能和环保越来越受到人们的广泛关注，其实际应用领域依然不断延伸，在农业生产、能源电力及日常生活等方面有着重要的应用，但很多方面还不完善，也有不少问题需要去解决。坚信随着科技的进步与发展，相变储能技术会给人们带来更为广阔的应用和巨大的经济效益。
参考文献
[1] 黄金. 融盐自发浸渗过程与微米级多孔陶瓷基复合相变储能材料研究[D]. 广东工业大学， 2005.
[2] 鄢瑛. 微胶囊相变材料的制备及在防护中的应用[D]. 华南理工大学， 2009.
[3] 王婷玉. 水合盐微胶囊相变储能材料的制备及其热物性研究[D]. 广东工业大学， 2013.
[4] 田雁晨. 相变储能材料[J]. 化学建材， 2009， 4（25）： 32-34.
[5] Feldman D， Shapiro MM， Banu D. Organic Phase Change Materials for Thermal Energy Storage[J]. Solar Energy Materials， 1986， 13（1）： 1-10.
[6] Fittinaldi E. Energy Storage by Solid-Solid Phase Change Materials， Proceeding of the First Seminar on Solar Energy Storage-Thermal Storage. Trieste， Italy： International Centre of Theoretical Physics.1978， （9）： 4-8.
[7] Nagano K， Takeda S， Mochida T， et al. Study of a Floor Supply Air Conditioning System Using Granular Phase Change Material to Augment Building Mass Thermal Storage-Heat Response in Small Scale Experiments[J]. Energy and Buildings， 2006， 5（38）： 436-446.
[8] 叶宏， 葛新石， 焦冬生. 带定形PCM的相变贮能式地板辐射采暖系统热性能的数值模拟[J]. 太阳能学报， 2002， 23（4）： 482-487.
[9] 肖敏， 龚克成. 良导热、形状保持相变蓄热材料的制备及性能[J]. 太阳能学报， 2001， 22（4）： 427-430.
[10] 铁生年， 蒋自鹏. 相变储能材料在温室大棚中应用研究进展[J]. 硅酸盐通报， 2015， 34（7）： 1933-1940.
[11] 闫洪远. 用于建筑节能的多孔基体相变储能材料的制备及应用实验[D]. 重庆大学， 2011.
[12] 潘永新. 大棚用上“储热”袋[J]. 河南农业， 2003， （2）： 32-33.