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。根據國際能源署（Internatio-nal Energy Agency,IEA）的報道，化石燃料消耗占全球能源消耗的81%,而且這一趨勢將持續(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生的溫室氣體、有毒氣體、粉塵等嚴重威脅著人類生存和自然環(huán)境。與此同時，能源短缺的現狀與人們日益增長的室內溫度舒適度需求之間的矛盾也不可忽視。能量存儲技術被看作是解決能源短缺問題的有效途徑，將它應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）是一種高效儲能物質，當環(huán)境溫度發(fā)生改變時它會由一種相態(tài)轉化到另一種相態(tài)，同時伴有能量的吸收（釋放）而自身溫度不會發(fā)生改變。利用相變材料這一獨有的特性來協調能量供求在時間和強度上不匹配的問題是經濟可行的方法，因而它被廣泛地應用于能量儲存和溫度控制領域2.將相變材料應用于建筑材料中，可得到具有儲能和控溫功能的復合型建筑圍護結構，在減小室內溫度波動，提高舒適度的同時，還可以減輕建筑結構自重，節(jié)省空調采暖費用3.相變材料可以分為有機相變材料（Organic phase changematerials,OPCMs）、無機相變材料（Inorganic phase ch

3、angematerials,IPCMs）和復合相變材料（Composite phase changematerials,CPCMs）。其中有機相變材料具有相變潛熱大、無過冷、無腐蝕、無體積效應、無毒無害等優(yōu)點4,得到科研工作者的廣泛關注。本文綜合國內外科研工作者近5年的科研成果，總結了有機相變材料在建筑節(jié)能領域的研究現狀。1 有機相變材料分類1.1石蠟石蠟是精制石油的副產品，通常是從原油的蠟餾分中分離而得，需要經過常減壓蒸餾、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.石蠟主要由含碳數為1430的直鏈烷烴構成，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。表1列出了不同含碳數直鏈烷烴的熱物性質。直鏈烷烴的熔點隨含碳數的增加而升高，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能領域得以廣泛應用的原因在于它具有相變潛熱高、相變溫度范圍寬、無過冷現象、價格低廉等優(yōu)點7,以及穩(wěn)定的化學性質。Shukla等8報道了A、B、C三種不同相變溫度石蠟的凍融循環(huán)測試結果。石蠟A和B經過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發(fā)生儲熱性能的衰減，但經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。為了驗證材料的穩(wěn)定性，他們對3000次凍融循環(huán)后的定型相變材料進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），測試結果表明無論在蓄熱能力還是化學穩(wěn)定性上，這一復合材料都表現出了優(yōu)異的性能。根據以上工作可以看出，石蠟類相變材料在熱穩(wěn)定和化學穩(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，由碳氫組成的烴類

6、基團連結羧酸所構成。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7,10.另外，脂肪酸及其衍生物特有低共熔效應-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，使得其應用領域更加廣泛11.劉程等12對脂肪酸低共熔混合物相變溫度和潛熱理論預測公式進行了選擇和實驗驗證，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，發(fā)現理論預測公式對低共熔質量配比和相變溫度預測與實驗結果吻合較好，可以用于計算脂肪酸類低共熔混合物的熱特性參數。在此基礎上，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，它們的熔點覆蓋建筑暖通空調設計溫度范圍，最大相變潛熱可達177.39J/g.付路軍等13以癸酸和月桂酸作為儲能材料，基于施羅德公式計算結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的三維網絡結構中，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的網格中不會發(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 有機相變材料的應用相變材料在建筑材料中的應用主要分為兩大類：一類是把相變材料與建筑圍護結構結合，制成相變蓄能圍護結構，可大大增加圍護結構的蓄熱作用，使建筑物室內和室外之間的熱流波動幅度被減弱、作用時間被延遲，從而提高建筑