相變儲能材料在建筑工程中的應(yīng)用研究,建筑材料論文

相變儲能材料在建筑工程中的應(yīng)用研究,建筑材料論文相變材料〔PCM〕在其周圍環(huán)境溫度變化經(jīng)過中，通過本身相轉(zhuǎn)變從外界吸收或向外界釋放熱能，協(xié)調(diào)能量需求在時間或強(qiáng)度上的不匹配，進(jìn)而到達(dá)調(diào)控溫度的目的[1],能夠解決能源在時間和空間上分配不均的矛盾，提高能源利用率，成為今后解決能源問題和環(huán)境問題的努力方向。將其與一些建筑材料〔如石膏板和混凝土等〕復(fù)合制備相變儲能建筑材料〔PCBM〕[2],能夠提高建筑圍護(hù)構(gòu)造的熱惰性，減小室內(nèi)溫度波動，提高環(huán)境溫度舒適度；能夠有效抑制或減小大體積混凝土的溫度裂縫。相變儲能建筑材料的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)下建筑節(jié)能保溫和功能建筑材料領(lǐng)域的熱門問題之一[3].1相變儲能材料的特性及建筑用相變儲能材料的制備方式方法當(dāng)前具有相變儲能特點的材料有20000多種，按相變方式可分為固-氣、液-氣、固-固和固-液相變材料[4].華而不實，固-氣、液-氣兩類相變材料在相變經(jīng)過中產(chǎn)生大量氣體，體積膨脹大，對封裝容器要求高，限制了其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用；固-固相變材料具有相變經(jīng)過體積變化小、耐久性好、傳熱效率高和過冷度小的優(yōu)點，但通常相變溫度高[5];固-液相變材料因其在相變前后體積變化小、相變潛熱大、相變經(jīng)過中溫度近似恒定且價格較便宜等優(yōu)點成為建筑應(yīng)用中的研究熱門。按化學(xué)組成通?？蓪⒐?液相變材料統(tǒng)分為無機(jī)水合鹽類和有機(jī)物類。無機(jī)水合鹽類是中、低溫相變儲能材料中重要的一種，具有導(dǎo)熱系數(shù)大、密度高、相變潛熱較大、使用范圍廣、價格低廉等優(yōu)點，但同時也普遍存在過冷和析出問題，使其儲熱性能逐步衰退，影響相變材料的儲放熱效率及耐久性。通常采用添加成核劑[6]或增稠劑[7]的方式方法降低過冷度，抑制無機(jī)水合鹽固-液相分離。有機(jī)類固-液相變材料主要分為烷烴類〔如石蠟等〕及酸酯類。石蠟是由不同長度碳鏈的直鏈烷烴混合而成，具有潛熱高、自成核、無過冷和相分離、熔融蒸汽壓低、化學(xué)穩(wěn)定性好、無腐蝕性、價格較低等優(yōu)點，但同時也存在導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小等缺陷。對石蠟性能研究主要集中在調(diào)控其相變溫度[8]、提高導(dǎo)熱性能[9]和解決液相泄漏問題[10].酸酯類相變材料同樣也存在導(dǎo)熱性差的缺陷[11].研究發(fā)現(xiàn)脂肪酸相變材料相變潛熱與其相變溫度相關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度呈反比關(guān)系[12].將固-液相變儲能材料應(yīng)用于建筑材料中，在環(huán)境溫度高于相變溫度以上時其轉(zhuǎn)化成液相，易流動泄漏到承載基體中，不僅影響本身的耐久性與儲熱能力，而且泄漏的相變材料在由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時往往存在體積膨脹，致使建筑基體外表鼓包或開裂，甚至?xí)?yán)重降低基體強(qiáng)度，對建筑材料的使用性能及外觀造成不利影響。因而，在實際應(yīng)用時需要采取相應(yīng)的封裝措施。常用的方式方法有微膠囊法、多孔介質(zhì)吸附法、高分子聚合定形法和直接混合法[2,13].1.1微膠囊法微膠囊法是將分散均勻的顆?；蛞旱螤顟B(tài)的相變材料包封在聚合物薄膜內(nèi)，構(gòu)成粒徑在1~1000m之間的微米級膠囊的一種技術(shù)[14].相變微膠囊的成型方式方法主要包括化學(xué)法、物理法和物理化學(xué)法。微膠囊的外觀形態(tài)和粒徑分布對其溶解性、形狀穩(wěn)定性、流動性及力學(xué)性能等有著重要影響。通過微膠囊的包裹，能夠有效阻隔相變材料與周圍環(huán)境之間發(fā)生作用，降低相變材料對基體材料的腐蝕作用，減緩相變材料本身的老化，提高相變材料熱穩(wěn)定性和耐久性；保持相變材料形態(tài)穩(wěn)定，限制相轉(zhuǎn)變經(jīng)過中的體積變化[15].優(yōu)化微膠囊工藝，降低成本，獲得相變潛熱更大、囊壁機(jī)械強(qiáng)度更高層次、致密性好、粒徑分布均勻、熱導(dǎo)性和親水性良好的相變微膠囊是今后持續(xù)研究的目的。1.2高分子聚合定形法高分子聚合定形法是利用接枝、嵌段共聚或高分子交聯(lián)，將相變材料與其它高分子鏈以化學(xué)鍵的方式結(jié)合到一起而制備出的定形相變材料[16].相變物質(zhì)分布于聚合物三維網(wǎng)狀構(gòu)造中，使其在相變經(jīng)過中表現(xiàn)為宏觀固相、微觀液相，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。然而，高分子材料大多易燃，怎樣加強(qiáng)定形相變材料的阻燃防火性能、提高其使用安全性還有待進(jìn)一步的研究。1.3無機(jī)多孔材料吸附法利用具有較大比外表積的多孔或?qū)訝顭o機(jī)材料作為吸附介質(zhì)，通過微孔毛細(xì)管作用或離子的濃度差作用，將熔融的液態(tài)相變材料吸入微孔構(gòu)造或?qū)訝顦?gòu)造中，制備PCM/無機(jī)載體復(fù)合相變材料。常見的無機(jī)吸附介質(zhì)如膨脹珍珠巖、膨脹石墨、硅藻土、膨潤土、膨脹蛭石等儲量豐富，便宜易得；并且鑒于無機(jī)材料較大的導(dǎo)熱系數(shù)，往往在負(fù)載相變材料的同時能夠提升其導(dǎo)熱性能[17].2相變儲能材料在建筑工程中的應(yīng)用研究2.1在墻體建筑節(jié)能工程中的應(yīng)用隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對建筑節(jié)能要求及人們對室內(nèi)寓居環(huán)境舒適度要求不斷提高的背景下，相變儲能已然成為一個倍受關(guān)注的節(jié)能手段。早在20世紀(jì)70年代，國外學(xué)者就試圖將相變材料引入建筑墻體圍護(hù)構(gòu)造中，并在相變材料制備、儲能系統(tǒng)設(shè)計及性能改善等方面進(jìn)行了較為深切進(jìn)入的研究[18].Castell等[3]針對地中海地區(qū)的實際氣候環(huán)境建立了普通墻體和摻加相變材料的小房間模型。結(jié)果顯示，摻加相變材料的房間峰值溫度比普通房間低1℃以上且室內(nèi)溫度波動平緩；其年用電量較普通房間降低15%,等同于每平米每年CO2排放量減少1~1.5kg,節(jié)能減排效益可觀。在國內(nèi)，張正松等[19]針對南京地區(qū)典型的夏熱冬冷氣候特點，比照模擬了相變儲能石膏板和膨脹型聚苯乙烯板對改善圍護(hù)構(gòu)造隔熱性能的影響：相變溫度為28℃的儲能墻體傳入室內(nèi)的熱量最小，約為447.75W/m2;而EPS外保溫墻體內(nèi)外表溫度波動頻率較大，導(dǎo)致空調(diào)頻繁開/停機(jī)，耗電量增加。在應(yīng)用成本方面，StovallTK[20]研究得出，在考慮峰谷電價差而忽視安裝成本的情形下，相變墻板的投資回收期為3~5年。2.2在大體積混凝土中的應(yīng)用大體積混凝土溫度裂縫已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域面臨的一個棘手的問題。減少溫度裂縫構(gòu)成的常用方式方法有：選用低熱水泥、預(yù)埋冷卻水管并通循環(huán)冷卻水、以冰屑部分替代拌合水等，但這類措施或者工藝復(fù)雜、造價成本高，或者效果不顯著、不能從根本上解決問題[21].在混凝土中引入相變材料，利用相變材料熱效應(yīng)，吸收水泥部分水化熱，降低大體積混凝土內(nèi)外及各部位溫度梯度，控制大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力，能夠防止大體積混凝土溫度裂縫的構(gòu)成。史巍等[22]以石蠟等體積取代砂的方式方法配制石蠟比例為2%和4%的兩種相變混凝土，不僅能夠降低溫峰，同時還能夠減緩升降溫速率，防止因溫度變化過快而產(chǎn)生的溫度裂縫。然而摻加石蠟對基體強(qiáng)度影響很大：由于相變發(fā)生在水泥水化初期，石蠟滲入到水泥基體中，在水泥顆粒與水之間構(gòu)成一層有機(jī)隔離層，阻隔水泥的進(jìn)一步水化，影響其后期強(qiáng)度發(fā)展。將多孔陶粒吸附相變材料作為粗骨料制備相變混凝土是近年來發(fā)展的一個新途徑[23].但是相變材料會在陶粒外表構(gòu)成有機(jī)包裹層，使其與硬化水泥石的界面薄弱，降低相變混凝土的強(qiáng)度。徐仁崇[24]以吸附石蠟的相變陶粒作為骨料配制了相變混凝土〔如此圖1〕，混凝土的主要斷裂方式由原來的骨料斷裂變?yōu)榻缑鏀嗔选?.3在路面工程上的應(yīng)用冰雪條件下路面的摩擦系數(shù)急劇降低，影響交通安全及通行效率。而當(dāng)下對路面積雪尚沒有一種理想的解決方式方法，人工或機(jī)械鏟雪需消耗損費大量人力物力，成本太高且效率較低；撒鹽除雪引入的氯離子會腐蝕構(gòu)造、污染環(huán)境，帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此在道路橋梁工程建設(shè)時主動引入相變控溫技術(shù)，力圖為路面除雪防凍提供一條新途徑。楊獻(xiàn)章等[25]提出用于橋面防凍的相變材料相變點必須略高于冰點，以0~5℃為宜。加熱融雪是一種比擬清潔的技術(shù)手段，然而路面面層產(chǎn)生的較大溫度應(yīng)力會促使混凝土溫度裂縫的構(gòu)成?；袈盏萚26]在電伴熱帶體系的基礎(chǔ)上融入相變材料構(gòu)成相變儲能發(fā)熱體，以蛇形形式鋪設(shè)在埋深3cm的磨耗層內(nèi)，能夠降低路面溫度波動頻率，減小面層的溫度應(yīng)力。3建筑用相變儲能材料存在的問題相變儲能建筑材料將來的研究重點是根據(jù)環(huán)境條件要求，研制出具有適宜的相變溫度與相變焓，并且能夠長期使用、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的相變材料，概括起來應(yīng)知足下面性能要求[13-14,27]:〔1〕熱力學(xué)性能：相變溫度適宜，比熱及相變潛熱大，導(dǎo)熱系數(shù)高，相變經(jīng)過體積變化小、蒸氣壓低；〔2〕動力學(xué)性能：結(jié)晶速度快以避免過冷現(xiàn)象，晶體生長速度快以提高熱循環(huán)效率，相變經(jīng)過可逆；〔3〕物理化學(xué)性能：大量相變循環(huán)后性能無明顯退化，耐久性好，與儲存容器或建筑基體相容性好，對人體無毒、無腐蝕，耐火；〔4〕經(jīng)濟(jì)性：成本低；原料豐富、易獲取等。相變材料是一個綜合熱學(xué)性能、力學(xué)性能、耐久性及經(jīng)濟(jì)性于一體的復(fù)合體系，而當(dāng)下大多數(shù)研究只是停留在實驗室階段，真正投入使用時還需要重點關(guān)注下面問題：〔1〕優(yōu)化相變材料的制備工藝。微膠囊法成本較高、制備工藝復(fù)雜且導(dǎo)熱性不良；高分子材料大多易燃；多孔介質(zhì)吸附法普遍需要在負(fù)壓條件下進(jìn)行。無論是何種方式方法，均難以知足規(guī)?；a(chǎn)要求?！?〕深化相變材料傳熱性能研究。研究相變材料導(dǎo)熱系數(shù)動態(tài)變化規(guī)律，改善傳熱加強(qiáng)介質(zhì)在相變材料中的分散狀態(tài)，提高相變材料傳熱效率，能夠在有效降低成本的同時加強(qiáng)相變材料儲熱能力?！?〕提高相變材料的耐久性。耐久性問題不僅局限于相變材料本身的老化或損失，同樣要關(guān)注其對建筑基體整體性能的影響，而這點往往在當(dāng)下研究中忽視或弱化。〔4〕進(jìn)行相變材料應(yīng)用成本分析。根據(jù)不同使用環(huán)境調(diào)整相變溫度、設(shè)計相變材料的使用方式與安裝位置、提高相變材料的使用效率；針對不同地區(qū)的氣候特點，選擇合適的保溫隔熱方式等。4結(jié)束語相變儲能建筑材料是相變材料與建材基體復(fù)合制備的一種新型儲能建筑材料，在保存?zhèn)鹘y(tǒng)建材本身性能的基礎(chǔ)上附加了儲熱能力，是近年來材料科學(xué)和建筑領(lǐng)域一個重要的研究與發(fā)展課題。隨著人們環(huán)保意識的逐步加強(qiáng)以及對節(jié)能問題的日益重視，相變儲能建筑材料必將在將來發(fā)揮更大的作用，其應(yīng)用前景也會越來越廣闊。以下為參考文獻(xiàn)[1]張寅平，胡漢平，孔祥冬，等.相變貯能-理論和應(yīng)用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社