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相变储能材料在建筑工程中的应用研究

来源:泰全网络 | 时间:2019-10-28 13:28:11 | 移动端:相变储能材料在建筑工程中的应用研究

相变储能材料在建筑工程中的应用研究 本文关键词:相变,建筑工程,材料,储能,研究

相变储能材料在建筑工程中的应用研究 本文简介:相变材料(PCM)在其周围环境温度变化过程中,通过自身相转变从外界吸收或向外界释放热能,协调能量需求在时间或强度上的不匹配,从而达到调控温度的目的[1],能够解决能源在时间和空间上分配不均的矛盾,提高能源利用率,成为今后解决能源问题和环境问题的努力方向。将其与一些建筑材料(如石膏板和混凝土等)复合制

相变储能材料在建筑工程中的应用研究 本文内容:


  相变材料(PCM)在其周围环境温度变化过程中,通过自身相转变从外界吸收或向外界释放热能,协调能量需求在时间或强度上的不匹配,从而达到调控温度的目的[1],能够解决能源在时间和空间上分配不均的矛盾,提高能源利用率,成为今后解决能源问题和环境问题的努力方向。将其与一些建筑材料(如石膏 板 和 混 凝 土 等)复 合 制 备 相 变 储 能 建 筑 材 料(PCBM)[2],能够提高建筑围护结构的热惰性,减小室内温度波动,提高环境温度舒适度;能够有效抑制或减小大体积混凝土的温度裂缝。相变储能建筑材料的开发与应用已成为当前建筑节能保温和功能建筑材料领域的热点问题之一[3].

  1相变储能材料的特性及建筑用相变储能材料的制备方法
  
  目前具有相变储能特点的材料有20000多种,按相变方式可分为固-气、液-气、固-固和固-液相变材料[4].其中,固-气、液-气两类相变材料在相变过程中产生大量气体,体积膨胀大,对封装容器要求高,限制了其在建筑领域的应用;固-固相变材料具有相变过程体积变化小、耐久性好、传热效率高和过冷度小的优点,但通常相变温度高[5];固-液相变材料因其在相变前后体积变化小、相变潜热大、相变过程中温度近似恒定且价格较便宜等优点成为建筑应用中的研究热点。按化学组成通常可将固-液相变材料统分为无机水合盐类和有机物类。

  无机水合盐类是中、低温相变储能材料中重要的一种,具有导热系数大、密度高、相变潜热较大、使用范围广、价格低廉等优点,但同时也普遍存在过冷和析出问题,使其储热性能逐步衰退,影响相变材料的储放热效率及耐久性。通常采用添加成核剂[6]或增稠剂[7]的方法降低过冷度,抑制无机水合盐固-液相分离。

  有机类固-液相变材料主要分为烷烃类(如石蜡等)及酸酯类。石蜡是由不同长度碳链的直链烷烃混合而成,具有潜热高、自成核、无过冷和相分离、熔融蒸汽压低、化学稳定性好、无腐蚀性、价格较低等优点,但同时也存在导热系数低、密度小等 缺 陷。对 石 蜡 性 能 研 究 主 要 集 中 在 调 控 其 相 变 温度[8]、提高导热性能[9]和解决液相泄漏问题[10].酸酯类相变材料同样也存在导热性差的缺陷[11].研究发现脂肪酸相变材料相变潜热与其相变温度相关,导热系数和相变温度呈反比关系[12].

  将固-液相变储能材料应用于建筑材料中,在环境温度高于相变温度以上时其转化成液相,易流动泄漏到承载基体中,不仅影响自身的耐久性与储热能力,而且泄漏的相变材料在由固态向液态转变时往往存在体积膨胀,致使建筑基体表面鼓包或开裂,甚至会严重降低基体强度,对建筑材料的使用性能及外观造成不利影响。因此,在实际应用时需要采取相应的封装措施。常用的方法有微胶囊法、多孔介质吸附法、高分子聚合定形法和直接混合法[2,13].

  1.1微胶囊法
  
  微胶囊法是将分散均匀的颗粒或液滴状态的相变材料包封在聚合物薄膜内,形成粒径在1~1000μm之间的微米级胶囊的一种技术[14].相变微胶囊的成型方法主要包括化学法、物理法和物理化学法。微胶囊的外观形态和粒径分布对其溶解性、形状稳定性、流动性及力学性能等有着重要影响。通过微胶囊的包裹,能够有效阻隔相变材料与周围环境之间发生作用,降低相变材料对基体材料的腐蚀作用,减缓相变材料自身的老化,提高相变材料热稳定性和耐久性;保持相变材料形态稳定,限制相转变过程中的体积变化[15].优化微胶囊工艺,降低成本,获得相变潜热更大、囊壁机械强度更高、致密性好、粒径分布均匀、热导性和亲水性良好的相变微胶囊是今后持续研究的目标。

  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联,将相变材料与其它高分子链以化学键的方式结合到一起而制备出的定形相变材料[16].相变物质分布于聚合物三维网状结构中,使其在相变过程中表现为宏观固相、微观液相,具有优良的热稳定性。然而,高分子材料大多易燃,如何增强定形相变材料的阻燃防火性能、提高其使用安全性还有待进一步的研究。

  1.3无机多孔材料吸附法
  
  利用具有较大比表面积的多孔或层状无机材料作为吸附介质,通过微孔毛细管作用或离子的浓度差作用,将熔融的液态相变材料吸入微孔结构或层状结构中,制备PCM/无机载体复合相变材料。常见的无机吸附介质如膨胀珍珠岩、膨胀石墨、硅藻土、膨润土、膨胀蛭石等储量丰富,廉价易得;并且鉴于无机材料较大的导热系数,往往在负载相变材料的同时能够提升其导热性能[17].

  2 相变储能材料在建筑工程中的应用研究
  
  2.1在墙体建筑节能工程中的应用
  
  随着经济的快速发展,国家对建筑节能要求及人们对室内居住环境舒适度要求不断提高的背景下,相变储能已然成为一个倍受关注的节能手段。早在20世纪70年代,国外学者就试图将相变材料引入建筑墙体围护结构中,并在相变材料制备、储能系统设计及性能改善等方面进行了较为深入的研究[18].Castell等[3]针对地中海地区的实际气候环境建立了普通墙体和掺加相变材料的小房间模型。结果显示,掺加相变材料的房间峰值温度比普通房间低1℃以上且室内温度波动平缓;其年用电量较普通房间降低15%,等同于每平米每年CO2排放量减少1~1.5kg,节能减排效益可观。在国内,张正松等[19]针对南京地区典型的“夏热冬冷”气候特点,对比模拟了相变储能石膏板和膨胀型聚苯乙烯板对改善围护结构隔热性能的影响:相变温度为28℃的储能墙体传入室内的热量最小,约为447.75W/m2;而EPS外保温墙体内表面温度波动频率较大,导致空调频繁开/停机,耗电量增加。在应用成本方面,Stovall T K[20]研究得出,在考虑峰谷电价差而忽视安装成本的情形下,相变墙板的投资回收期为3~5年。

  2.2在大体积混凝土中的应用
  
  大体积混凝土温度裂缝已经成为土木工程领域面临的一个棘手的问题。减少温度裂缝形成的常用方法有:选用低热水泥、预埋冷却水管并通循环冷却水、以冰屑部分替代拌合水等,但这类措施或者工艺复杂、造价成本高,或者效果不显着、不能从根本上解决问题[21].在混凝土中引入相变材料,利用相变材料热效应,吸收水泥部分水化热,降低大体积混凝土内外及各部位温度梯度,控制大体积混凝土内部温度应力,能够防止大体积混凝土温度裂缝的形成。

  史巍等[22]以石蜡等体积取代砂的方法配制石蜡比例为2%和4%的两种相变混凝土,不仅能够降低温峰,同时还可以减缓升降温速率,防止因温度变化过快而产生的温度裂缝。

  然而掺加石蜡对基体强度影响很大:由于相变发生在水泥水化初期,石蜡渗入到水泥基体中,在水泥颗粒与水之间形成一层有机隔 离 层,阻 隔 水 泥 的 进 一 步 水 化,影 响 其 后 期 强 度发展。

  将多孔陶粒吸附相变材料作为粗骨料制备相变混凝土是近年来发展的一个新途径[23].但是相变材料会在陶粒表面形成有机包裹层,使其与硬化水泥石的界面薄弱,降低相变混凝土的强度。徐仁崇[24]以吸附石蜡的相变陶粒作为骨料配制了相变混凝土(如图1),混凝土的主要断裂方式由原来的骨料断裂变为界面断裂。
  
  2.3在路面工程上的应用
  
  冰雪条件下路面的摩擦系数急剧降低,影响交通安全及通行效率。而当前对路面积雪尚没有一种理想的解决方法,人工或机械铲雪需耗费大量人力物力,成本太高且效率较低;撒盐除雪引入的氯离子会腐蚀结构、污染环境,带来严重的负面影响。因而在道路桥梁工程建设时主动引入相变控温技术,力图为路面除雪防冻提供一条新途径。杨献章等[25]提出用于桥面防冻的相变材料相变点必须略高于冰点,以0~5℃为宜。加热融雪是一种比较清洁的技术手段,然而路面面层产生的较大温度应力会促使混凝土温度裂缝的形成。霍曼琳等[26]在电伴热带体系的基础上融入相变材料构成相变储能发热体,以蛇形形式铺设在埋深3cm的磨耗层内,能够降低路面温度波动频率,减小面层的温度应力。

  3 建筑用相变储能材料存在的问题
  
  相变储能建筑材料未来的研究重点是根据环境条件要求,研制出具有合适的相变温度与相变焓,并且能够长期使用、物理化学性能稳定、经济环保的相变材料,概括起来应满足以下性能要求[13-14,27]:(1)热力学性能:相变温度适宜,比热及相变潜热大,导热系数高,相变过程体积变化小、蒸气压低;(2)动力学性能:结晶速度快以避免过冷现象,晶体生长速度快以提高热循环效率,相变过程可逆;(3)物理化学性能:大量相变循环后性能无明显退化,耐久性好,与贮存容器或建筑基体相容性好,对人体无毒、无腐蚀,耐火;(4)经济性:成本低;原料丰富、易获取等。

  相变材料是一个综合热学性能、力学性能、耐久性及经济性于一体的复合体系,而当前大多数研究只是停留在实验室阶段,真正投入使用时还需要重点关注以下问题:

  (1)优化相变材料的制备工艺。微胶囊法成本较高、制备工艺复杂且导热性不良;高分子材料大多易燃;多孔介质吸附法普遍需要在负压条件下进行。无论是何种方法,均难以满足规模化生产要求。

  (2)深化相变材料传热性能研究。研究相变材料导热系数动态变化规律,改善传热增强介质在相变材料中的分散状态,提高相变材料传热效率,能够在有效降低成本的同时增强相变材料储热能力。

  (3)提高相变材料的耐久性。耐久性问题不仅局限于相变材料自身的老化或损失,同样要关注其对建筑基体整体性能的影响,而这点往往在当前研究中忽视或弱化。

  (4)进行相变材料应用成本分析。根据不同使用环境调整相变温度、设计相变材料的使用方式与安装位置、提高相变材料的使用效率;针对不同地区的气候特点,选择适合的保温隔热方式等。

  4 结语
  
  相变储能建筑材料是相变材料与建材基体复合制备的一种新型储能建筑材料,在保留传统建材自身性能的基础上附加了储热能力,是近年来材料科学和建筑领域一个重要的研究与发展课题。随着人们环保意识的逐步增强以及对节能问题的日益重视,相变储能建筑材料必将在将来发挥更大的作用,其应用前景也会越来越广阔。

  参考文献
  
  [1] 张寅平,胡汉平,孔祥冬,等.相变贮能-理论和应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1996,1-4.
  [2] 施韬,孙伟.相变储能建筑材料的应用技术进展[J].硅酸盐学报,2008,36(7):1031-1036.
  [3]Castell A,Martorell I,Medrano M,et al.[J].Energy and Build-ings,2010,42(4):534-540.
  [4] 汪意,杨睿,张寅平,等.定形相变材料的研究进展[J].储能科学与技术,2013,2(4):362-368.

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