相变储能材料在建筑方面的研究与应用

相变储能材料在建筑方面的研究与应用摘要:随着建筑行业的向前发展，当前人们对于居住的要求也变得越来越高，对于居住条件的舒适性、安全性成为居民居住的主要考虑因素。正因如此，智能化、生态化已经成为当前建筑材料发展的趋势。相变储能材料作为传统建筑材料与相变材料复合而成的一中新型材料，由于其具有储能密度大、能够近似恒温下的吸放热而发展迅速。另一方面，相变储能材料的应用可以保持环境舒适，节省采暖制冷所需能源而受到建筑界的欢迎。本文将从多个方面对相变储能材料进行具体的分析，为后期的深入研究奠定基础。关键词：建筑材料；相变材料；储能技术EnergystoragematerialsresearchandapplicationofphasechangeinarchitectureAbstract：Withforwardtheconstructionindustry,thecurrentrequirementforpeopletolivehasbecomeincreasinglyhigh,thecomfortoflivingconditions,securityhasbecomeamajorconsiderationresidents.Forthisreason,intelligent,ecologicalbuildingmaterialshasbecomethecurrenttrendofdevelopment.Phasechangematerialastraditionalbuildingmaterialsandphasechangematerialsinacompositemadeofanewmaterial,becauseofitslargeenergydensity,canbeapproximatedunderconstantheatabsorptionandrapiddevelopment.Ontheotherhand,applicationofenergystoragephasechangematerialcanbekeptcomfortable,energy-savingheatingandcoolingneededandwelcomedbytheconstructionindustry.Thisarticlefromthemultipleaspectsofthephasechangematerialspecificanalysis,tolaythefoundationforfurtherresearchlater.Keywords:constructionmaterials;phasechangematerial;energystoragetechnology在当今社会，能源和环境问题人类发展必须面对的两大问题。据统计，随着世界人口的急剧增加和工业的迅速发展，全球能源消耗量每年都以2.3%的速率增加，而在能源大量消耗的同时，传统的燃料和汽油等的使用又带来了严重的环境问题。作为能源消耗的主要部分，建筑物每年都要消耗大量的矿物燃料，在欧美地区，建筑能耗占到了整个能源消耗的40%以上。为了实现能源节约，实现绿色发展，节能技术已经成为了国内外许多学者重点研究的课题。在各种节能技术的运用中，相变节能材料具有较高的热能储存密度，在较小的体积和温度变化过程中，能够产生更高的热量吸收和释放，是性能更加稳定、性价比更高的一种节能技术，因而受到了越来越多研究者的兴趣，其在建筑材料领域的应用前景也非常广阔。1.相变材料及相变储能技术概述（1）相变材料相变储能材料是指在材料的相变温度下，当其由一种相态转变为另一种相态的过程中，能够吸收或释放热量，从而能达到调节温度的一种功能材料。相变材料种类有很多种，从化学组成角度来说一般分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料三类[1]。其中，无机相变材料一般有金属合金、熔融盐等；有机相变材料一般有石蜡、酯类等；混合相变材料则一般是由无机相变材料和有机相变材料通过移动的方式混合而成的。而按照相变温度分类，相变材料可以分为低温（90℃）、中温（90℃-400℃）和高温（400℃）相变材料。此外，按照形态变化，相变材料又可以固-液，固-气，固-固和液-气四种。当前，在建筑节能方面，相变材料主要用到的是固-液和固-固相态变化的材料。固-固相变材料是从一种结晶状态转变为另一种形态的材料，与固-气相比，由于相变过程不会产生气体，装置体积小，因而更具有使用价值。固-液材料的优点是其相变过程中能够产生更大的热量变化，潜热大，并且成本更低，也是建筑节能主要的选择之一。相变材料能够运用于建筑节能，主要归因于其具有较高的储热能力，特别是，其能在较小的体积和温度变化中，产生更多的热量变化。而能够用于建筑节能方面的相变材料应该具有以下基本的性质：（1）热学性能。高的热量储存密度和高的比热，材料能够在较小的体积和温度变化内产生更多的热量变化；合适的相变温度，由于建筑节能材料所处的环境温度与气温接近，因此，相变材料的相变温度也要与气温一致，能用于建筑节能的材料的相变温度大都需要在20℃-30℃；具有较高的热导系数。（2）化学性能。优良的化学稳定性和耐腐蚀性；无毒无害；结晶可逆性好，且不存在退化；（3）结晶动力学性能。不会过冷，且具有较高的晶体生长速率；（4）经济性能。材料丰富，成本低，能够适用于大面积的推广和使用。（2）相变储能技术相变材料在节能方面的运用主要是用到潜热储能技术。这种技术主要是利用了材料在固态和液态相态变化过程中的储蓄热量。而由于市场上用到的石蜡等材料的导热性不好，实际使用时，一般需要通过封装技术，将这些相变材料渗入到多孔的基质里，这些基质一般有着更大的导热区域，以便于热量的传递。只有通过封装改性后的相变材料才能直接用于建筑的墙面。相变节能技术的关键在于封装基体的选择，封装基地既不能使得相变材料泄露，其自身也需要具有很好的耐腐蚀性。2.相变储能材料在建筑方面的研究进展相变储能材料由于其具有储能密度大、能够近似恒温下的吸放热而发展迅速。并且，相变储能材料的应用可以保持环境舒适，节省采暖制冷所需能源，是当前建筑节能的主要技术。在实际生活中，建筑节能主要用到相变储能墙板、相变储能墙、地板和天花板采暖、节能窗户、天花板的自动取热和冷却等。（1）相变储能墙板将相变材料注入墙板后形成的相变储能墙板本身就具有蓄热特性，会使通过围护结构的传热量降低，从而提高室内舒适性。注入相变材料的墙板能够有效地降低室内的温度波动浮动，能够有效地提高相变材料凝固放热量值，并且可以提高相变材料的隔热保温性能、耐久性能和吸水性能。将相变材料注入墙板而成的相变储能材料根据注入量、注入种类的不同，在使用时又可以产生不同的效果。如将硬脂酸和石蜡注入，以聚乙烯醇为分散剂，则会有吸水性强、耐久性能强的特性；若用硬脂酸、月杜醇和RT20与蒙脱土注入，则纸杯而成的相变储能材料具有热稳定性，适用于建筑行业；若在上述基础上再加入MMT，则具有更高的热传递效率。该墙板可以有效地降低室内温度，以此来实现降低建筑能耗，能够有效提高相变围护结构的建筑物传热效率。Scalat等认为，将相变储能材料运用到墙板中，能够量室温保持在人体舒适的范围内，并且当系统关闭后，室内还能自动升温或降温至一般温度。Athienitis等将相变储能材料掺入到石膏板后，用这些板块做成了测试屋，在太阳的照射下进行了测试实验，结果表明，相变储能材料制成的墙板能够使得测试屋内的温度降低，降温幅度最高可达4℃。Neeper将石蜡和脂肪酸混合到石膏墙板里，在白天和晚上分别对墙板的热学性质进行了检测，研究发现，在白天，当室温接近相变储能材料的熔融温度的时候，材料就会产生最大的储能，而若是材料相变要在一定的范围内过渡才能发生，材料的储能会相应的降低。此外，为了研究在外部环境温度变化和太阳照射下相变储能材料热容量的稳定性，Kuznik等利用相变储能材料做成的墙板进行了实验，结果表明，相变储能墙板能够降低室内气温的波动，促进室内空气的对流活动，避免因为热量的集中引起人体的不舒服。而与降低室内温度相对应的是，Lv等同样搭建了由相变储能材料组成的测试屋，并在中国东北地区进行了测试实验，作者发现，相变储能墙板能够减弱室内空气流动，大大降低了室内温度向户外的流失，这种材料也具有保持室内温暖的效果。（2）相变储能混凝土与相变储能墙板对应的是，在建筑物的构造过程中，直接将相变储能材料掺杂到混凝土和水泥中。这种经相变储能材料掺杂后的混凝土也能发挥节能的作用。将相变材料注入混凝土中，由于混凝土种类的不同，最终制备的相变储能材料性能也会与不同。若将混凝土进行加热再将相变材料融入其中，会最终使得材料的蓄热能力提高2倍。另外，采用“两步法”制备出的相变储能混凝土优点会更加明显。这种方法即先制备相变蓄能骨料，再将相变储能骨料与普通的混凝土进行融和。用此种方法制备的相变储能材料吸放热效果更佳，可用于避免建筑过程中出现的早期热裂缝。虽然相变储能材料的掺杂，使得这种混凝土做成的墙面开始具有节能和维持室内温度的性质，但是混凝土本身的强度会受到影响，这可能限制这种相变储能材料掺杂混凝土的使用。为了解决这个问题，Cabeza研究了一种新的方法，该方法既能保证相变储能材料能够掺杂到混凝土中，发挥其节能功能，又不会对混凝土的力学性能产生影响。他们构建了两个具有一定尺寸的混凝土隔板，并且用微胶囊技术将相变储能材料掺杂到混凝土中，结果发现，混凝土的抗压强度超过了25MPa，拉裂强度极限则超过了6MPa，并且，其强度在6个月后也不会发生变化。（3）地板和天花板采暖在过去几年，相变储能材料制成的地板和天花板的太阳采暖也引起了研究者们的兴趣。一种新型的加热采暖方式是利用室内的地板和天花板来完成。这种采暖方式的优点在于室内地板的面积较大，且热量能够均匀散发，使得周围的温度分布较均匀。将相变材料封装在微胶囊中并用微胶囊制备储能地板和天花板，用此地板和天花板来用于室内装饰，可使得地板和天花板的表面温度波动比较小、热舒适性较好，可以大大简化温度控制系统。Xu等将形状固定的相变储能材料的地板用于在太阳辐照下的建筑物中，并构建了相应的模型分析了各种能够影响其热学性能的因素。作者指出，相变储能材料层的厚度、相变材料的熔点、熔化热和热导率都会影响地板的节能效果。作者指出，在实际使用中，相变储能材料的熔化热要大于120kJ/kg，热导率也应该大于0.5W/mK，而相变储能材料层的厚度不能超过20mm。另外，Pasupathy和Velraj则研究了用相变储能材料做成的平板用于屋顶时的节能效果，结果表明，这种平板厚度和使用位置的不同会产生不同的效果，具有双层相变储能材料平板，且位置位于屋顶空气温度变化较小的地方，天花板的实际效果更好，并能适用于一年之中的所有时期。（4）节能窗户窗户是增加建筑物能耗的主要原因之一。在夏天，阳光可以通过窗户进入到室内，导致室内温度升高。而在冬天，窗户又没有保温效果，导致室内热量向户外流失。这些效果都增加了空调的使用频率，增加能源的消耗。而相变材料的使用则能使得建筑物的窗户具有节能的效果，夏天能够减小阳光的照射，冬天能够保持室内温度而不至于其流失。但是，这种能够用于窗户的相变储能材料有着更高的要求，其必须是透明的，要使得可见光能够完全透过。Jain和Sharma研究了商业上使用的相变材料的光透过率，研究表明，厚度为4-30mm的未经修饰的相变材料的透过率范围在90.7–80.3%之间，他们认为，相变材料能够作为透明的绝热介质。Goia等则比较了相变材料做成的玻璃装置和传统的掺杂绝热介质的双层玻璃在冬天、夏天和其他时期对室内温度的控制效果。与传统的玻璃装置相比，相变材料做成的玻璃装置在一年的绝大部分时候有着更好的温度调节作用，但是，在阴天，两种装置具有相同的效果。作者也同时说明，相变材料的相变温度时影响其调节温度的关键。（5）相变材料用于空调系统此外，将相变储能材料用于空调系统中可以解决能量供给与需求时间上的不匹配问题，实现电网耗电“削峰填谷”的目的。空