第二章 廣義隔熱材料
2.3 相變材料
2.3.3 相變材料加工與應用
2.3.3.2 相變材料的應用
相變材料利用潛熱來吸收、釋放熱能，以達到控溫之效果，因此需要控溫效 果之產品皆利用相變材料的特性來達到目的，應用相當廣泛。若將相變材料加於 服飾上，可使衣服受環境或人體產生的溫度變化量降低，人體可以感受到較為舒 適的溫度，如圖 2-12；亦可將相變材料應用於醫學上，如血液保存，保存血液需 維持在較低的溫度下，因此可利用相變材料包覆在其周圍，在其溫度過高時將熱 量吸收，如圖 2-13；而本研究主要是將相變材料應用於建築物之除熱效果上，讓
19
室內白天溫度過高時，相變材料會利用潛熱吸收熱量使高溫降低，並在夜晚時再 將此能量釋放，此時室內空氣較為寒冷，吸收熱量後之溫度亦不會使人體感到不 舒適，如圖 2-14、圖 2-15。
將相變材料應用於建築物上大致上可分為主動與被動兩種機制。主動是指利 用人為產生的熱源(冷源)來加熱(冷卻)相變材料，因此相變材料需與此人為產生的 熱源(冷源)結合。而被動是指單純利用自然通風、太陽輻射、環境空氣溫度來加熱 (冷卻)相變材料，因此相變材料可依照環境、需求加裝於建築物的任何地方。一般 而言有 3 種比較典型的系統，(1)相變材料之朝陽保溫牆(PCM Trombe Wall)、(2)板 狀之相變材料加於牆上或天花板(PCM wallboard)、(3)相變材料之百葉窗(PCM shutter (Sharma et al., 2007)。
a. 相變材料之朝陽保溫牆
朝陽保溫牆是用來除冷，其利用一質量較大的牆，面對太陽之方向而建，牆 與室外空氣以一玻璃面和一個空氣層相隔。因此白天時此牆可吸收較多之熱量保 存，等夜晚來臨時，此牆所吸收之熱量便會釋放於室內，提高室內空氣的溫度，
如圖 2-16。而相變材料之朝陽保溫牆則是將此質量較大的牆用相變材料代替，在 較小的體積下可得到相同的熱容量(thermal mass)來達到除冷效果。
b. 板狀之相變材料加於牆上或天花板
選擇適當的相變材料後，經加工製成板狀後即可安裝於室內牆、天花板上。
此方法在安裝、拆卸都極為方便，因此板狀之相變材料在應用上相當廣泛。其施 工圖如圖 2-17。而本研究探討相變材料應用於建築物上所模擬的對象便是此種方 法。
20
c. 相變材料之百葉窗
將含相變材料之百葉窗安裝於窗戶外，在白天時陽光照射，可使相變材料吸 熱熔化，等夜晚時將百葉窗關起來並且將窗戶開著，相變材料在夜晚時會放熱，
即可加溫室內空氣。如圖 2-18。
21
表 2-1 隔熱材料分類表 (Dr. Mohammad S. Al-Homoud, 2005)
分類 品種
纖維狀
有機質
天然 棉麻、稻草等
人造 軟質纖維板類(木纖維板、穀類纖維板等)
無機質
天然 石棉纖維
人造 礦物纖維(礦渣棉、岩棉、玻璃棉等)
微孔狀
有機質 天然 碳化木材
無機質
天然 矽藻土
人造 矽酸鈣、碳酸美等
氣泡狀
有機質
天然 軟木類
人造
發泡聚苯乙烯(EPS)、
壓出型發泡聚苯乙烯(XPS)、發泡聚乙烯(EPE)、
發泡聚胺基甲酸酯(EPU)、發泡橡膠
無機質 人造 珍珠岩、蛭石、火山灰微粒
層狀 金屬類 鋁製板、鋁箔片
22
23
表 2-4 微膠囊製備方法的分類 (Vandegaer,1974)
表 2-5 不同分類之相變材料 (Sharma et al.,2009) Paraffins
No. of carbon atoms Melting point(°C) Latent heat of fusion(kJ/kg)
15 10 205
18 28 244
21 40.2 200
Non paraffins
Material Melting point(°C) Latent heat of fusion(kJ/kg)
Glydern 17.9 198.7
Methyl palmitate 29 205
Caprylone 40 259
Fatty acids
Material Melting point(°C) Latent heat of fusion(kJ/kg)
Acetic acid 16.7 184
Capric acid 36 152
Lauric acid 49 178
Salt hydrates
Material Melting point(°C) Latent heat of fusion(kJ/kg)
K2HPO4．6H2O 14 109
CaCl2．12H2O 29.8 174
FeCl3．6H2O 37 223
一、物理化學方法
凝膠-相分離法 (coacervation-phase separation) 液中乾燥法 (drying in liquid process)
熔熔分散冷卻法 (cooling meltable dispersion) 核物質交換法 (exchangement of core method) 粉床法 (powder bed method)
二、化學方法
界面縮合聚合法 (interfacial polycondensation) 原位聚合法 (in-situ polymerization)
液中硬化被覆法 (orifice method)
三、機械方法
噴霧乾燥法 (spray drying) 氣中懸浮乾燥法 (air suspension) 真空蒸鍍被覆法 (vacuum deposition) 靜電合體法 (electrostatic method)
24
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f) 圖 2-1 常見隔熱材料
(a) 纖維狀-有機質-石棉纖維(glass fiber wool) (b) 纖維狀-無機質-岩棉(rock mineral wool)
(c) 氣泡狀-有機質-壓出型、發泡聚苯乙烯(XPS、EPS) (d) 氣泡狀-有機質-發泡聚乙烯(EPE)
(e) 氣泡狀-有機質-發泡聚胺基甲酸酯(EPU) (f) 氣泡狀-無機質-珍珠岩(perlite)
(圖面來源：(a)-(c) www.knaufinsulation.co.uk、(d)-(e) www.lypackage.com、
(f) 臺大地質科學典藏數位化計畫)
25
圖 2-2 發泡聚苯乙烯外牆隔熱系統 (張雄, 2009)
圖 2-3 珍珠岩磚造隔熱系統 (M. Zukowski et al, 2010) 混凝土
EPS or XPS
錨栓 黏著砂漿
抗裂砂漿
磁磚、粉刷面 錨栓
26
圖 2-4 相變材料分類 (Pasupathy et al., 2008)
圖 2-5 相變材料熱焓圖 (Mewes and Mayinger, 2008)
相變材料
有機物
烷烴類 C n H 2n+2
非烷烴類
無機物 水合鹽類
M n H 2 O 共晶體
(Eutectic)
27
圖 2-6 浸置法步驟示意圖 (Nomura et al.,2009)
圖 2-7 粗膠囊化法-塑膠容器(Cristopia Energy Systems)
28
圖 2-8 粗膠囊化法-金屬容器(Climator)
圖 2-9 粗膠囊化法-袋狀容器(Climator)
29
圖 2-10 微膠囊化化之顯微鏡放大圖(fhG-ISE)
圖 2-11 微膠囊化之石蠟，左圖為液態右圖為粉末狀(BASF)
圖 2-12 相變材料應用於衣服上(Climator)
30
圖 2-13 相變材料應用於醫學上(delta T Gesellschaft für Medizintechnik mbH)
圖 2-14 相變材料應用於建築物上 (DuPont)
31
圖 2-15 相變材料應用於建築物上 (Arkar and Medved, 2007)：
圖 2-16 朝陽保溫牆(Trombe Wall)示意圖
32
圖 2-17 板狀之相變材料施工圖 (DuPont)
圖 2-18 相變材料之百葉窗 (Sharma et al., 2009)