略谈相变材料在建筑节能中的应用(全文)

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摘要：目前国家对建筑节能提出了较为严格的条件，通常需要民用建筑节能达到60%，传统的建筑节能材料只具有保温隔热的效果，很难满足节能的需求。因此开发新型的建筑节能产品成为研究的热点。本文论述了如何通过在建筑材料中加人相变材料制成具有储存潜热能力的围护结构的方法、相变建筑材料的热工性能和节能效果。并探讨了相变材料在建筑节能方面的发展和应用前景,以实现建筑节能和热舒适的双重目的。

关键词：相变材料;节能;建筑

中图分类号： TE08文献标识码：A 文章编号：

国家在“十一五”规划中明确提出了要发展资源节约性社会，所以建筑节能产品的开发与应用已成为当前建筑材料领域的热点问题之一。传统的建筑节能材料主要采用对内外墙保温隔热从而降低能量的消耗，这远远不能满足当前节能的要求。一方面，目前用的节能建材虽然有很好的保温效果，但无法满足人们对环境温度舒适度的要

一、相变材料的概念

相变材料(phaseChangeMaterials,简称PCM)是近年来材料科学和节能技术中一个研究方向。在材料的相变期间,吸收环境的热(冷)量,并在需要时向环境释放出热(冷)量,从而可以控制材料周围环境的温度.相变材料的这种能量贮存和再利用的性质,有助于研发对环境具有应变性能的建筑复合材料。通过将相变材料与建筑材料基体复合,可以制成相变储能建筑材料,能够将能量以相变潜热的形式进行贮存,实现能量在不同时空位置之间的转换。虽然在相变过程中温度变化比较小,但是吸收和释放的相变潜热却相当大,少量的材料可以存储大量的热(冷)量.与混凝土、砖等储热建材相比,可以大大降低能量储存对建筑物结构的要求,从而减少建筑材料的占用面积,可在建筑物中采用更加灵活的墙体结构形式。

二、相变材料应用于建筑的条件

相变材料(phase changematerial简称PCM)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。它具有独特的潜热性能,即在相变化过程中,可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量,从而达到热量存储和释放的目的。相变材料与传统建材(如水泥、石膏)复合成具有储热和温度控制功能的建筑围护结构材料,可以减少室内温度波动,提高舒适度,增大室内空间,减轻建筑物自重,节省制冷和采暖费用。目前,已发现的相变材料已有几万种,但并不是每一种PCM都可以应用在建筑中。PCM在建筑中的应用需要具有以下条件:具有良好的热传导系数,单位质量的相变潜热大,体积膨胀率小,密度大;相变过程可逆性好,相变过程的方向仅以温度决定,不存在过冷和降解现象;无毒、无腐蚀、无泄漏、防火、不污染环境;相变材料经济且原料来源容易;相变过程可靠性好,不会产生降解和变化,使用寿命长,一般要求达到50年以上;相变温度合适,适合于该地域的气候特征和接近人体的舒适温度;与建筑材料相容,不影响建筑材料的机械性能和强度;蒸汽压力低。实际上能同时满足以上各种条件的理想的相变材料几乎是没有的。只能在实际应用中采取适当的措施克服各种相变材料的缺点,使之适合人类生活环境。

三、相变材料应用于建筑中的主要类型

相变材料按照其相变前后的物态,可以将其分成:固-液类相变材料、固-固类相变材料、固-气类相变材料及液-气类相变材料等几种。固-气类相变材料及液-气类相变材料在相变过程中有大量气体存在,材料体积变化较大,在建筑节能领域难以应用。因此,固-液类和固-固类相变材料是在建筑节能中主要研究和应用的两类相变材料。

1、固-液相变材料

这一类相变材料包括无机材料和有机材料两大类。无机固-液相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等;有机固-液相变材料包括某些高级脂肪烃类、脂肪酸类或其他酯类、盐类化合物以及某些醇类、芳香烃类化合物。为了得到相变温度适当的相变材料,常常将几种有机(无机)相变材料复合形成二元或多元相变材料,有时也将有机与无机相变材料混合,以弥补二者的不足。但是混合相变材料在调节相变温度的同时,也会导致相变潜热下降,在长期的相变过程中,还容易变性。

2、固-固相变材料

固-固相变材料在发生相变前后固体的晶格结构改变而放热吸热。因此,这种相变材料在相变过程中无液相产生,相变前后体积变化小,无毒、无腐蚀,对容器的材料和制作技术要求不高,其相变潜热与固-液相变材料处于同一数量级,且过冷度小,使用寿命长,是一类有应用前景的蓄热材料。目前,关于固-固相变材料的研究和应用工作还刚刚开始,他们的分子结晶态及能量的转变过程机理还有待进一步探明,其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。但是,由于其相变过程独有的优点,可以预见,固-固相变材料在建筑节能领域将是很有应用前途的一类相变材料。

四、相变材料的应用技术

随着相变材料在建筑节能领域的应用研究，其应用技术和产品性能逐步提高，产品品种也越来越多。目前已经确定了一定数量的能够应用于建筑材料的相变材料，但如何应用成为目前人们最为关注的问题。通常能够用于建筑节能的低温相变材料中固-固相变的材料很少，大多为固-液相变材料。对于低温固-液相变材料，其工作状态都是固液态的不断转化，如何将相变材料应用于在建筑材料既有节能效果又不影响墙体质量成为最关键的技术。虽然国内对相变材料在建筑节能的研究起步较晚，但对产品应用研究和推广进展很快。目前已经形成了相变砂浆、相变水泥、相变腻子、相变混凝土、相变石膏板、甚至相变涂料等一系列保温节能产品，其保温节能性能不但优于传统材料，而且其他力学性能、抗裂等性能也优于传统材料。根据在建筑中不同的使用方法和不同产品，相变材料可以选择不同的定性技术，比如将相变材料封装后用于建筑物构件的夹层；将相变材料与建筑材料掺和制成砖瓦、墙板、地板、天花板等建筑材料；将相变材料制成微米或纳米级胶囊填入混凝土或用于涂层等等。

1 . 相变材料吸附封装技术

将有机相变材料与无机三维网络结构材料，通过特殊混合工艺将相变材料嵌入到无机材料空间中，这类材料一般具有较高的相变潜热和稳定性，而且价格较低使用方便。这种网状或层状的无机纳米材料吸附相变材料形成的微小颗粒不但可以复合入石膏板、墙板、内外墙涂料、地板、沙浆、水泥等建筑材料，而且可作为填料与高分子材料混和，成为具有可热塑形加工的材料，随意加工成各种板材或异型材。同济大学的张东等人目前主要研究以多孔或网状无机材料作为相变材料的存储基质，使得相变材料易于工业化生产应用，而且价格低廉。另外，无机石墨粉体具有丰富的微孔结构，将有机物相变材料与石墨在高于其相变温度条件下进行共混吸附，有机物相变材料被吸附到膨胀石墨的微孔结构中，能有效地解决有机物相变材料

2 . 相变材料微胶囊封装技术

微胶囊技术是一种先进的微包覆技术，传统的做法是将被包封物质分散在液体中，在微小分散体的表面包覆一层聚合物薄膜。人们已将此技术利用于很多领域，如：化妆品、药剂、香料、油墨等生活常用品中。由于相变材料的性能很不稳定，微胶囊技术可以很好地解决相变材料的稳定性，因此微胶囊技术成为相变材料应用研究的重点。相变材料被包覆成为胶囊后使用非常方便，而且能够广泛应用于墙体、涂料、石膏板、房屋内装饰材料等。

该技术主要是将相变材料制成一种球形小颗粒，然后再表面封装一层性能稳定的外壳，即得到相变材料微胶囊，胶囊的直径一般在1～1000μm之间，高分子是最为常见的外壳材料。该项技术工艺相对简单成熟，易于大规模生产。目前存在的主要问题是，对于体积变化较大的相变材料（体积变化>15%），反复的相变影响材料的使用寿命，因此要求包封层具有足够的厚度和强度，且不影响相变材料的热导性能。我国的清华大学、天津工业大学、河北工业大学等机构对相变材料微胶囊技术的基础研究较多。微胶囊的应用技术主要是将相变材料如石蜡、脂肪酸等乳化后形成微胶囊材料，用于墙体材料的砂浆、腻子、水泥、石膏板、涂料等。为了防止相变材料的泄漏和破裂，成都新柯力化工科技有限公司针对具体的产品应用，进行了微胶囊的改进，形成了可直接应用于建筑节能材料的相变材料，该材料使用方便性能良好，而且可用于节能涂料。

结语

建筑保温隔热材料是建筑节能的物质基础.根据相变材料的相变储能原理,在隔热材料中掺人相变材料来制备高效节能建筑隔热材料,是建筑节能领域中的研究热点之一。相信随着新型相变材料的不断研究和开发,新的测试技术的逐步完善,相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地,随着人们对建筑节能的重视其应用前景也会越来越广阔。

【参考文献】

[1] 张静,丁益民,陈念贻.相变储能材料的研究及应用[J].盐湖研究, 2005(9): 53-59.

略谈相变材料在建筑节能中的应用

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