相變材料(Phase Change Material, PCM)

建築施工、工法、構法、建築材料、機具、設計用之軟硬體
回覆文章
準建新聞

相變材料(Phase Change Material, PCM)

文章 準建新聞 »

出處

相變化材料(phase-change material (PCM))
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

相變化材料(Phase Change Material, 簡稱 PCM)為一種具有高熔化熱的物質,它具有儲存或釋放大量能量的能力。它在特定的溫度時熔化或固化,藉由物質狀態的改變來吸收或釋放熱能。例如:以醋酸鈉為材質的暖暖包(Heating pad),當醋酸鈉溶液結晶時,熱量就會釋出,使人感到暖和。

特性與分類

相變化材料潛熱的儲存有:固相變固相、固相變液相、固相變氣相及液相變氣相等方式,然而只有固相變液相是有實際應用價值的。液相變氣相的改變,因其體積變化量太大,並產生高壓,而沒有實際應用價值。其它如固相變固相,也因反應慢且潛熱小,亦無應用價值。

相變化材料物質在吸收熱能的過程中,其溫度並沒有明顯的升高,但當其外在環境溫度降低時,相變化材料固化就能放出潛熱。可當相變化材料的物質種類繁多,其溫度範圍可從-5 oC一直到190 oC。在人類最感舒適的溫度20~30 oC範圍內,相變化材料的應用效果很令人滿意。相變化材料其單位體積的能量儲存量是一般傳統儲熱物質如:水、磚石(masonry)或岩石(rock)的5到14倍。

有機相變化材料(Organic PCMs)

如石蠟(Paraffin)(CnH2n+2)與脂肪酸(fatty acids)(CH3(CH2)2nCOOH)等

優點:
1. 冷卻時無過冷現象發生。
2. 同成份物質易互熔。
3. 與一般傳統物質的相容性高。
4. 化學穩定性。
5. 高熔化熱。
6. 安全不反應。
7. 可回收再利用。

缺點:
1.固態時導熱性差
2.體積潛熱儲存率低
3.易燃
4.為了獲得可靠的相變化點,大多使用工業用級的石蠟,因此成本高。


無機相變化材料(Inorganic PCMs)

通常為鹽類水合物(Salt hydrates)(MnH2O)

優點:
1. 體積潛熱儲存率高。
2. 容易取得且便宜
3.有明確的熔點(sharp melting point)
4.高熱傳率
5.高熔化熱
6.無毒性。

缺點:
1. 體積改變量大。
2. 易有過冷現象發生。
3. 需添加成核試劑(nucleating agents),但重複使用會失效。

共熔相變化材料(Eutectics)

共熔物有明確的熔點與一般物質相似,且體積潛熱儲存密度略高於有機物。但是缺點是可實際應用的物質種類少。

吸濕性相變化材料(Hygroscopic materials)

許多自然界的建築材料是吸濕性的相變化材料,它們可吸收(水凝結(water condenses))和釋放水(水蒸發(water evaporates))。其過程如下:

凝結(Condensation)(氣相變液相),反應熱小於零;焓減少為放熱反應釋出能量。
蒸發(Vaporization)(液相變氣相),反應熱大於零;焓增加為吸熱反應吸收能量。其相關物質有羊毛、泥土及黏土等。

參考資料:
1. Phase_change_material。http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_change_material
2. Sozen, Z. Z.; Grace, J. R.; Pinder, K. L. Ind. Eng. Chem. Res., 1988, 27, 684
回覆文章