相变储能材料在建筑节能中的应用综述

相变储能材料在建筑节能中的应用综述1.前言目前欧美发达国家的建筑能耗已达到全社会总能耗的40％，在我国建筑能耗约占全国总能耗的27．8％，随着经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，建筑能耗的比重将进一步增加。因此，建筑节能技术的开发与应用已成为当前建筑和建筑材料领域的热点问题之一。目前广泛应用的外墙外保温和内墙内保温技术虽然可以降低能量的消耗，但由于材料本身的热容量有限，不能充分地将能量进行储存利用，因而限制了建筑节能的能力。由于相变物质在其物相变化过程(熔化或凝固)中，可以从环境吸收或放出大量热量，同时保持温度不变，可以多次重复使用等优点，将其应用于建筑节能领域不但可以提高墙体的保温能力，节省采暖能耗，而且可以减小墙体自重，使墙体变薄，增加房屋的有效使用面积，因而具有广阔的应用前景。本文在对相变材料的筛选、相变材料的制备和相变材料的评价技术现状进行分析的基础上，对相变储能材料的相变储能控温保温机理进行了详细的描述，并提出了相变储能材料在建筑材料中的发展方向。2.相变储能材料的发展2．1相变物质的筛选及发展相变物质应用于建材的研究始于1982年，由美国能源部太阳能司发起。1988年起由美国能量储存分配办公室推动此项研究，80年代Dow化学公司对可以被用作相变材料的20000多种PCM纯物质进行了筛选，结果表明只有1％的相变材料有实际应用价值。Lane在其著作《太阳热能储存一一潜热材料》一书中对20世纪80年代初以前相变材料和容器的发展作了总结。20世纪90年代初人们开始对有机相变材料进行研究，如Feld—nm其研究合作者对脂肪酸及其衍生物进行了广泛的研究，包括测试相变材料的热物理性质、化学稳定性以及对环保的影响。1999年，俄亥俄州戴顿大学研究所研制成功一种新型建筑材料一固液共晶相变材料，它的固液共晶温度是23．3℃。当温度高于23．3℃时，晶相熔化，积蓄热量，一旦气温低于这个温度时，结晶固化再现晶相结构，同时释放出热量，在墙板或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料，可以保持室内适宜的温度。由于民用建筑对材料的性质与经济因素有严格的限制，尽管PCM化合物数量非常多，但适用于储能建材的PCM却不多，其相变特性更无法调整。如正烷烃的熔点随碳链长度增加而升高，但增加一个碳原子熔点有几度之差，难以选到最佳相变温度的化合物。然而由纯物质组成的二元(或多元)混合物，却可能具有不同于任一组元的相平衡性质。为了克服PCM纯物质的局限，获得性质更优良的PCM，选用复合相变储热材料是必要的。复合相变储热材料的使用对储能建材的研究与开发有十分重要的意义：(1)突破了纯物质熔点和价格对选用PCM的限制，使得筛选的视野大为开阔。(2)由于选用不同组元和改变成分几乎可以连续调整储能建材的相变强度，使得对相变温度的优化有了实际意义。(3)适当选择组元，可使混合物部分保留某些组元的优点，例如，烷烃与脂类混合，可能既保留了相当大的相变能，又能抑制表面结霜现象。2．2相变储能建筑材料制备技术发展目前制备相变储能建筑材料主要有3种方法：(1)浸渍法，即将相变工质材料渗入成型后的建材中。(2)直接掺人法，即在建材制备过程中，将相变材料直接掺入。(3)微胶囊法，即先制得含相变材料的微胶囊，或先将含有相变材料的微胶囊复合组成大胶囊，然后在建筑材料制备过程中掺人该微胶囊或大胶囊，制得具有相变自调温功能的建筑材料。最初的研究主要为直接浸泡法，优点是工艺简单，易于对已有的建筑材料改进。在70年代国外诸多专家采用无机相变材料制备相变储能混凝土，并对其耐久性能和不同建筑材料吸收相变材料的能力进行了大量研究。虽然这些相变储能复合材料其储能性能方面有较大的提高，但是相变料与基体材料的相容性问题始终难以有效解决，因而不能得到实际的推广应用。如将高密度交联使聚乙烯颗粒在熔化的PCM中膨化，然后直接掺人建材原料中，这种方法由于其相容性问题而对相变材料的要求较高。20世纪70年代，美国的研究人员首先将相变材料包敷在囊壁内，制成了适用范围更广泛的相变材料微胶囊，后来美国PCM公司将其用于建筑材料砖和地板中取得了良好的节能效果。3.相变储能理论在建筑节能材料中的应用3．1相变储能材料的相变理论相变材料从液态向固态转变时，要经历物理状态的变化。在这两种相变过程中，材料要从环境中吸热，反之，向环境放热。在物理状态发生变化时可储存或释放的能量称为相变热，发生相变的温度范围很窄。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变。大量相变热转移到环境中时，产生了一个宽的温度平台。相变材的出现，体现了恒温时间的延长，并可与显热和绝缘材料在热循环时，储存或释放显热。3．2调节室内温度目前，可能采用的PCEM的潜热达到170J／g左右，而普通建材在温度变化1℃时储蓄同等热量将需要190倍于PCM的质量。因此，复合PCEM具有普通建材无法比拟的热容，对于房间内气温的稳定及空调系统工况的平稳是非常有利的。当室外温度有较大波动(波峰与波谷的距离较大)时，墙体温度波动不大，这样室内温度波动也不大，同时，相变房间的热流密度也明显比普通房间低，因此相变储能材料起到了调节室内温度的效果。3．3降低混凝土水化反应温度众所周知，混凝土水化反应时释放出大量的反应热，导致混凝土内温度升高，使混凝土开裂、强度降低，尤其是在大体积混凝土更为明显，甚至可能造成结构破坏等严重的工程事故。笔者对掺人相变材料和不掺相变材料的混凝土水化热进行了对比分析，如图5所示，加入适当的相变材料，可以吸收水化反应释放的热量，发生相变，使混凝土内部温度稳定在某一范围内，在反应结束时热量才逐渐传递出来，不会造成混凝土内部温度过高，达到降低混凝土水化反应温度的目的。3．4相变储能材料的工程应用实例相变储能材料已在武汉市建筑节能示范小区的多个工程中进行了试点应用，如丽岛花园、南湾俊园和紫竹园等。实际工程应用表明：相变储能材料对混凝土的温升有了明显改善，尤其是大体积混凝土。混凝土的表面裂纹现象已得到了较好的控制，同时，在保温隔热性能和房屋有效使用面积增大等方面也得到了广大用户的认可与好评。4.相变储能材料在建筑节能中的展望储能建材的研究涉及三个方面的问题：PCEM的热物性、PCEM与建材基体的相容性和经济性。PCEM的热物性表现为以下几个方面：(1)相变温度正好是室内设计温度或供暖、空调系统要求控制的温度。(2)具有足够大的相变潜热。(3)导热系数大，密度大。(4）相变时膨胀或收缩性要小。(5)相变的可逆性要好。因此如何选取环保且与建材基体相容性很好的廉价材料进行研究制备符合各种要求的相变储能材料成了日后研究的主题。为此，相变储能材料在建筑节能领域的研究应注重以下方面的内容：(1)针对不同的室内外环境条件及不同的使用目的，开发出具有合适的相变温度与相变焓并在长期使用过程中物理化学性能稳定的相变材料。(2)普通建筑材料中掺入相变材料后，相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热特性的研究。(3)在应用了相变储热装置或相变储热围护结构，具有不同热(冷)源形式的供暖、空调系统中，针对不同的使用条件(包括气象条件)，开展房间热过程的数值模拟研究和与模拟对应的实验研究。