建筑相變蓄熱建筑材料的分類與制備探究

1、建筑相變蓄熱建筑材料的分類與制備探究引言第三次工業(yè)革命之后人類科技得到了高速發(fā)展，隨之而來的是能源需求的逐年增加。根據(jù)國際能源署（Internatio-nal Energy Agency,IEA）的報(bào)道，化石燃料消耗占全球能源消耗的81%,而且這一趨勢(shì)將持續(xù)到2030年1.化石燃料資源的持續(xù)減少以及能源使用中產(chǎn)生的溫室氣體、有毒氣體、粉塵等嚴(yán)重威脅著人類生存和自然環(huán)境。與此同時(shí)，能源短缺的現(xiàn)狀與人們?nèi)找嬖鲩L的室內(nèi)溫度舒適度需求之間的矛盾也不可忽視。能量存儲(chǔ)技術(shù)被看作是解決能源短缺問題的有效途徑，將它應(yīng)用在建筑中既可以降低能耗、提高能源利用率，又可以降低溫室氣體的排放。相變材料（Phase ch

2、ange materials,PCM）是一種高效儲(chǔ)能物質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)它會(huì)由一種相態(tài)轉(zhuǎn)化到另一種相態(tài)，同時(shí)伴有能量的吸收（釋放）而自身溫度不會(huì)發(fā)生改變。利用相變材料這一獨(dú)有的特性來協(xié)調(diào)能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的問題是經(jīng)濟(jì)可行的方法，因而它被廣泛地應(yīng)用于能量儲(chǔ)存和溫度控制領(lǐng)域2.將相變材料應(yīng)用于建筑材料中，可得到具有儲(chǔ)能和控溫功能的復(fù)合型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在減小室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度的同時(shí)，還可以減輕建筑結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省空調(diào)采暖費(fèi)用3.相變材料可以分為有機(jī)相變材料（Organic phase changematerials,OPCMs）、無機(jī)相變材料（Inorganic phase ch

3、angematerials,IPCMs）和復(fù)合相變材料（Composite phase changematerials,CPCMs）。其中有機(jī)相變材料具有相變潛熱大、無過冷、無腐蝕、無體積效應(yīng)、無毒無害等優(yōu)點(diǎn)4,得到科研工作者的廣泛關(guān)注。本文綜合國內(nèi)外科研工作者近5年的科研成果，總結(jié)了有機(jī)相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。1 有機(jī)相變材料分類1.1石蠟石蠟是精制石油的副產(chǎn)品，通常是從原油的蠟餾分中分離而得，需要經(jīng)過常減壓蒸餾、溶劑精制、溶劑脫蠟脫油、加氫精制等工藝才能從石油中提煉出來5.石蠟主要由含碳數(shù)為1430的直鏈烷烴構(gòu)成，具有相變溫度寬（1080）、蓄熱密度中等、相變潛熱高（200300

4、J/g）等特點(diǎn)。表1列出了不同含碳數(shù)直鏈烷烴的熱物性質(zhì)。直鏈烷烴的熔點(diǎn)隨含碳數(shù)的增加而升高，相變潛熱總體上也隨含碳量的增加而增加6.石蠟類相變材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的原因在于它具有相變潛熱高、相變溫度范圍寬、無過冷現(xiàn)象、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)7,以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。Shukla等8報(bào)道了A、B、C三種不同相變溫度石蠟的凍融循環(huán)測試結(jié)果。石蠟A和B經(jīng)過600次循環(huán)后相變潛熱和相變溫度均發(fā)生少量降低。然而，石蠟C經(jīng)過1500次循環(huán)后的熱性能與循環(huán)600次的A和B相差無幾。這說明石蠟類相變材料在初期會(huì)發(fā)生儲(chǔ)熱性能的衰減，但經(jīng)歷了初期的性能衰減之后，石蠟性能趨于穩(wěn)定，適合長期使用。Alkan等9用聚丙烯和

5、石蠟制備出一種定型相變材料。為了驗(yàn)證材料的穩(wěn)定性，他們對(duì)3000次凍融循環(huán)后的定型相變材料進(jìn)行差示掃描量熱分析（Dif-ferential scanning calorimeter analysis,DSC）和傅里葉紅外光譜分析（Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR），測試結(jié)果表明無論在蓄熱能力還是化學(xué)穩(wěn)定性上，這一復(fù)合材料都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。根據(jù)以上工作可以看出，石蠟類相變材料在熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性上具有很好的可靠性。1.2脂肪酸及其衍生物常見的有機(jī)相變材料除石蠟外，還有脂肪酸及其衍生物。脂肪酸及其衍生物是一類羧酸化合物，由碳?xì)浣M成的烴類

6、基團(tuán)連結(jié)羧酸所構(gòu)成。脂肪酸及其衍生物與石蠟一樣具備了潛熱高、過冷度低、無毒無腐蝕、來源廣泛等特點(diǎn)7,10.另外，脂肪酸及其衍生物特有低共熔效應(yīng)-將不同脂肪酸熔融混合形成低共熔混合物，可有效降低混合物的相變溫度，從而拓寬了脂肪酸類相變材料相變溫度范圍，使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛11.劉程等12對(duì)脂肪酸低共熔混合物相變溫度和潛熱理論預(yù)測公式進(jìn)行了選擇和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過DSC測試月桂酸-肉豆蔻酸二元低共熔混合物、月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元低共熔混合物的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測公式對(duì)低共熔質(zhì)量配比和相變溫度預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可以用于計(jì)算脂肪酸類低共熔混合物的熱特性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，他們用5種不同的飽

7、和脂肪酸作原料，制備了10種低共熔混合脂肪酸，它們的熔點(diǎn)覆蓋建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)溫度范圍，最大相變潛熱可達(dá)177.39J/g.付路軍等13以癸酸和月桂酸作為儲(chǔ)能材料，基于施羅德公式計(jì)算結(jié)果制備了相變溫度各不相同的4種低共融相變材料，其相變溫度在2025之間，相變潛熱均大于103J/g.而后他們用溶膠-凝膠法將低共融相變材料嵌入多孔SiO2的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，成功制得癸酸-月桂酸/SiO2定型相變材料。通過掃描電子顯微鏡（Scanning e-lectron microscope,SEM）觀察可知，癸酸-月桂酸被束縛在SiO2的網(wǎng)格中不會(huì)發(fā)生液相泄漏。DSC分析表明，定型相變材料的相變潛熱是70.17J/g,相變溫度是20.96。2 有機(jī)相變材料的應(yīng)用相變材料在建筑材料中的應(yīng)用主要分為兩大類：一類是把相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合，制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可大大增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用，使建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動(dòng)幅度被減弱、作用時(shí)間被延遲，從而提高建筑