相变调温建筑材料技术探讨与应用前景
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摘要:随着人们节能和环保意识的增强,建筑节能日益受到关注。相变调温建筑材料的推广应用可以减少建筑能耗,达到节能的目的。目前国内应用于建筑的相变调温材料尚处于研究和试用阶段,随着对建筑节能问题的日益重视,相变储能建筑材料必将在生态建筑领域具有广阔前景。
关键词:相变材料;建筑材料;技术应用;展望
复合到建筑材料中的相变材料(PCM)在其转化温度下发生相变,可以吸收环境的热量,并在低于转化温度时向外释放热量,相变材料的转化过程在其转变温度下进行。利用PCM相变潜热大,相变时温度恒定的特性,可以将其置于混凝土中制成具有温度自动控制和自动调节的特征性智能混凝土。
一、相变建筑材料的优点
相变调温建筑材料具有以下优点:
(1)相变潜热大,相变时温度基本恒定,具有温度自动调节能力。相变调温建筑材料可以增强建筑的蓄热能力,储存太阳能,降低夏季室内最高温度,提高冬季室内最低温度;减小室内空气温度波动,较长时间保持所需温度,提高人体舒适度。
(2)相变调温可以转移高峰用电负荷,在电力上削峰填谷,缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾,调温系统的发展是解决电力供需时间问题的方法之一,掺加相变材料的建筑可以将居民空调用电从峰期转移到谷期,这样峰期供电系统的投资减小,电能消费者的费用也可以降低。
(3)减少建筑耗能对环境的负面影响,在建筑节能领域提供利用自然能源的新方式。相变材料及相变储能在建筑节能中的应用,不但可以有效降低建筑能耗,同时也为太阳能等低成本清洁能源在供暖空调系统中的应用创造了条件。
(4)相变调温建筑材料可以减小外墙厚度,从而达到减轻建筑物自重,节约建筑材料的目的。此外,相变调温材料可以吸收部分大体积混凝土水化所放出的热,减小混凝土结构内部的温差应力,达到控制温度裂缝的效果。
二、相变建筑材料的种类选择
建筑用相变调温材料要考虑以下几点:较高的储热能力,合适的相变温度,吸放热时温度变化和体积变化尽可能小,可逆性好,无毒无腐蚀,制作原料廉价易得,易于操作。理想的PCM材料还应具有较高的热导率,尽可能小的离析或过冷。能够同时满足上述条件的相变材料几乎没有实际应用中,主要依据潜热和相变温度选择合适的相变材料,再采取适当的措施改善其它性能。目前研究较多的相变材料可分为三类:无机水合盐类相变材料,有机相变材料和复合相变材料。
无机相变材料主要是碱及碱土金属的卤化物、硝酸盐,磷酸盐,碳酸盐及醋酸等。这类相交材料相变潜热大、导热系数高、相变时体积变化小、价格低廉,但由于它们的结晶水模数在相变中有变化,使得相变的可逆性变差、而且存在一些如过冷问题严重、易分层、腐蚀性强等缺点,妨碍了在建筑领域中的应用。
有机相变材料通常是一些醇、酸、高级烷烃等。这些材料具有合适的相变温度和较高的潜热并且无毒、无腐蚀性、无过冷、无分层等问题,稳定性强,相变过程可逆性好,适合在建筑领域中应用。用作固液相变的有机物由于官能团不同,因此它们在性质上相差很大。缺点是导热性差、价格高,有些材料在高温或强氧化剂存在时会燃烧、分解等,因此要加以选择,以确保安全。
(1)相变储能石膏板
Feldman等通过2种方法制作相变储能石膏板。第1种方法是将普通石膏板浸泡在相变材料溶液中得到。第2种方法是在制作石膏板的过程中,加入PCM。Feldman还通过DSC分析比较了这2种方法,结果为前者得到的石膏板里层和外层含的PCM量不均匀,后者则分布均匀。
日本的Takeshi Kondo等则将PCM压入交联聚乙烯中制成PCM小球。然后再把这种PCM小球加到其它多孔材科,如石膏板中。从而得到具有储热能力的PCM石膏板。
(2)相变储能混凝土
Day chahroudi在20世纪70年代就对PCM混凝土进行了研究。Hawes等对蓄热混凝土作了广泛深入的研究。M.Hadjieva等人用DSC测试了无机水合盐混凝土体的蓄热能力。此外,他们还用红外光谱分析了无机水合盐混凝土体系的结构稳定性。张东等也对相变调温混凝土进行了制备和分析研究。
(3)其它相变储能建筑材料
姜夷等采用化学方法,对固―液相变高分子材料进行改造。在低熔点物质与骨架材料间引入化学键,使其具有固―固相变性质。可克服用物理方法制造的高分子相变材料使用寿命短、易老化的缺点。所得相变材料在相变温度以下时,材料中对相变有贡献的成分―聚乙二醇支链处于结晶状态,材料表现为白色不透明、非常坚硬的固体。
三、研究与建议
相变调温建筑材料储存技术存在的问题,包括相变物质的泄漏问题、封装的耐久性问题和相变过程的换热效率问题等。相变物质如果从金属或塑料容器中泄漏出来,会造成储能功能劣化和环境污染等问题,而相变物质如果是以比较大的体积形式使用,其换热效果必然不佳,导致相变过程不完全,或需要很长时间才能完成相变,造成相变物质利用率偏低或能量浪费,降低了相变潜热储能的利用价值。目前,相变建筑材料一般采用固――液相变建筑材料,因此相变建筑材料的封装至关重要。从相变建筑材料的封装技术发展的过程来看,主要采用将相变建筑材料与其他基体材料进行复合,制成相变储能复合材料。大体有三种方法:直接浸泡法、微胶囊法和多孔无机载体复合法。
现在国内应用于建筑的相变调温材料尚处于研究和试用阶段,可借鉴相对成熟的太阳能材料和空调调温材料的研究成果。相变调温建筑材料需要深入研究的问题包括:
(1)进一步筛选合适的相变材料,探索新型相变材料,采用多元复合等技术研制新型高效的相变调温建筑材料。
(2)研究相变材料的封装技术及其与基材的复合工艺,制备性能稳定、生态友好的相变调温材料;
(3)添加辅助成分解决相变材料存在的过冷结霜等问题;与改性材料(如石墨,Si02等)结合,提高其导热系数,增加换热效率;
(4)建立模型模拟不同的气候条件,优化相变温度,以便于进行针对性的研究和应用。
(5)对相变调温建材的力学性能和耐久性能进行研究,为建筑的寿命预测提供依据。
四、应用前景
相变储能建筑材料的应用前景随着人们对建筑节能的重视而越来越广阔。目前相变储能建筑材料已经在空调蓄冷、保持建筑物舒适性以及电力行业削峰填谷等众多领域获得成功应用。现代建筑向高层发展,要求所用围护结构为轻质材料。但普通轻质材料热容较小,导致室内温度波动较大。这不仅造成室内热环境不舒适,而且还增加空调负荷,导致建筑能耗上升。通过向普通建筑材料中加入相变材料,可以制成具有较高热容的轻质建筑材料,利用相变储能复合材料构筑建筑围护结构,可以降低室内温度波动,提高舒适度,使建筑供暖或空调不用或者少用能量;可以减小所需空气处理设备的容量,同时可使空调或供暖系统利用夜间廉价电运行,降低空调或供暖系统的运行费用。
随着高分子技术的发展,合适的微胶囊囊壁材料的获得以及生产工艺的简化,相变材料将主要以微胶囊形式出现。如用含相变材料的微胶囊制备涂料。这种涂料。即可以在新建建筑中使用,也可以用来提升老房屋的储热能力。这将有利于相变储能复合材料的推广。此外,天然或人工的一些多孔颗粒材料可以用来做相交材料载体,制备能量小球。这种方法是目前较为经济可行的一种方法。多孔颗粒将相变材料分隔开来,能够较好的封装储存。且多孔颗粒的价格较低,可以降低整个能量小球的价格,从而降低单位热能储存费用。
随着对建筑节能问题的日益重视,相变储能建筑材料必将在生态建筑领域具有广阔前景。
参考文献:
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