相變儲能材料在建筑工程中的應用研究

相變材料(PCM)在其周圍環境溫度變化過程中,通過自身相轉變從外界吸收或向外界釋放熱能,協調能量需求在時間或強度上的不匹配,從而達到調控溫度的目的[1],能夠解決能源在時間和空間上分配不均的矛盾,提高能源利用率,成為今后解決能源問題和環境問題的努力方向。將
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  相變材料(PCM)在其周圍環境溫度變化過程中,通過自身相轉變從外界吸收或向外界釋放熱能,協調能量需求在時間或強度上的不匹配,從而達到調控溫度的目的[1],能夠解決能源在時間和空間上分配不均的矛盾,提高能源利用率,成為今后解決能源問題和環境問題的努力方向。將其與一些建筑材料(如石膏 板 和 混 凝 土 等)復 合 制 備 相 變 儲 能 建 筑 材 料(PCBM)[2],能夠提高建筑圍護結構的熱惰性,減小室內溫度波動,提高環境溫度舒適度;能夠有效抑制或減小大體積混凝土的溫度裂縫。相變儲能建筑材料的開發與應用已成為當前建筑節能保溫和功能建筑材料領域的熱點問題之一[3].

  1相變儲能材料的特性及建筑用相變儲能材料的制備方法
  
  目前具有相變儲能特點的材料有20000多種,按相變方式可分為固-氣、液-氣、固-固和固-液相變材料[4].其中,固-氣、液-氣兩類相變材料在相變過程中產生大量氣體,體積膨脹大,對封裝容器要求高,限制了其在建筑領域的應用;固-固相變材料具有相變過程體積變化小、耐久性好、傳熱效率高和過冷度小的優點,但通常相變溫度高[5];固-液相變材料因其在相變前后體積變化小、相變潛熱大、相變過程中溫度近似恒定且價格較便宜等優點成為建筑應用中的研究熱點。按化學組成通常可將固-液相變材料統分為無機水合鹽類和有機物類。

  無機水合鹽類是中、低溫相變儲能材料中重要的一種,具有導熱系數大、密度高、相變潛熱較大、使用范圍廣、價格低廉等優點,但同時也普遍存在過冷和析出問題,使其儲熱性能逐步衰退,影響相變材料的儲放熱效率及耐久性。通常采用添加成核劑[6]或增稠劑[7]的方法降低過冷度,抑制無機水合鹽固-液相分離。

  有機類固-液相變材料主要分為烷烴類(如石蠟等)及酸酯類。石蠟是由不同長度碳鏈的直鏈烷烴混合而成,具有潛熱高、自成核、無過冷和相分離、熔融蒸汽壓低、化學穩定性好、無腐蝕性、價格較低等優點,但同時也存在導熱系數低、密度小等 缺 陷。對 石 蠟 性 能 研 究 主 要 集 中 在 調 控 其 相 變 溫度[8]、提高導熱性能[9]和解決液相泄漏問題[10].酸酯類相變材料同樣也存在導熱性差的缺陷[11].研究發現脂肪酸相變材料相變潛熱與其相變溫度相關,導熱系數和相變溫度呈反比關系[12].

  將固-液相變儲能材料應用于建筑材料中,在環境溫度高于相變溫度以上時其轉化成液相,易流動泄漏到承載基體中,不僅影響自身的耐久性與儲熱能力,而且泄漏的相變材料在由固態向液態轉變時往往存在體積膨脹,致使建筑基體表面鼓包或開裂,甚至會嚴重降低基體強度,對建筑材料的使用性能及外觀造成不利影響。因此,在實際應用時需要采取相應的封裝措施。常用的方法有微膠囊法、多孔介質吸附法、高分子聚合定形法和直接混合法[2,13].

  1.1微膠囊法
  
  微膠囊法是將分散均勻的顆粒或液滴狀態的相變材料包封在聚合物薄膜內,形成粒徑在1~1000μm之間的微米級膠囊的一種技術[14].相變微膠囊的成型方法主要包括化學法、物理法和物理化學法。微膠囊的外觀形態和粒徑分布對其溶解性、形狀穩定性、流動性及力學性能等有著重要影響。通過微膠囊的包裹,能夠有效阻隔相變材料與周圍環境之間發生作用,降低相變材料對基體材料的腐蝕作用,減緩相變材料自身的老化,提高相變材料熱穩定性和耐久性;保持相變材料形態穩定,限制相轉變過程中的體積變化[15].優化微膠囊工藝,降低成本,獲得相變潛熱更大、囊壁機械強度更高、致密性好、粒徑分布均勻、熱導性和親水性良好的相變微膠囊是今后持續研究的目標。

  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聯,將相變材料與其它高分子鏈以化學鍵的方式結合到一起而制備出的定形相變材料[16].相變物質分布于聚合物三維網狀結構中,使其在相變過程中表現為宏觀固相、微觀液相,具有優良的熱穩定性。然而,高分子材料大多易燃,如何增強定形相變材料的阻燃防火性能、提高其使用安全性還有待進一步的研究。

  1.3無機多孔材料吸附法
  
  利用具有較大比表面積的多孔或層狀無機材料作為吸附介質,通過微孔毛細管作用或離子的濃度差作用,將熔融的液態相變材料吸入微孔結構或層狀結構中,制備PCM/無機載體復合相變材料。常見的無機吸附介質如膨脹珍珠巖、膨脹石墨、硅藻土、膨潤土、膨脹蛭石等儲量豐富,廉價易得;并且鑒于無機材料較大的導熱系數,往往在負載相變材料的同時能夠提升其導熱性能[17].

  2 相變儲能材料在建筑工程中的應用研究
  
  2.1在墻體建筑節能工程中的應用
  
  隨著經濟的快速發展,國家對建筑節能要求及人們對室內居住環境舒適度要求不斷提高的背景下,相變儲能已然成為一個倍受關注的節能手段。早在20世紀70年代,國外學者就試圖將相變材料引入建筑墻體圍護結構中,并在相變材料制備、儲能系統設計及性能改善等方面進行了較為深入的研究[18].Castell等[3]針對地中海地區的實際氣候環境建立了普通墻體和摻加相變材料的小房間模型。結果顯示,摻加相變材料的房間峰值溫度比普通房間低1℃以上且室內溫度波動平緩;其年用電量較普通房間降低15%,等同于每平米每年CO2排放量減少1~1.5kg,節能減排效益可觀。在國內,張正松等[19]針對南京地區典型的“夏熱冬冷”氣候特點,對比模擬了相變儲能石膏板和膨脹型聚苯乙烯板對改善圍護結構隔熱性能的影響:相變溫度為28℃的儲能墻體傳入室內的熱量最小,約為447.75W/m2;而EPS外保溫墻體內表面溫度波動頻率較大,導致空調頻繁開/停機,耗電量增加。在應用成本方面,Stovall T K[20]研究得出,在考慮峰谷電價差而忽視安裝成本的情形下,相變墻板的投資回收期為3~5年。

  2.2在大體積混凝土中的應用
  
  大體積混凝土溫度裂縫已經成為土木工程領域面臨的一個棘手的問題。減少溫度裂縫形成的常用方法有:選用低熱水泥、預埋冷卻水管并通循環冷卻水、以冰屑部分替代拌合水等,但這類措施或者工藝復雜、造價成本高,或者效果不顯著、不能從根本上解決問題[21].在混凝土中引入相變材料,利用相變材料熱效應,吸收水泥部分水化熱,降低大體積混凝土內外及各部位溫度梯度,控制大體積混凝土內部溫度應力,能夠防止大體積混凝土溫度裂縫的形成。

  史巍等[22]以石蠟等體積取代砂的方法配制石蠟比例為2%和4%的兩種相變混凝土,不僅能夠降低溫峰,同時還可以減緩升降溫速率,防止因溫度變化過快而產生的溫度裂縫。

  然而摻加石蠟對基體強度影響很大:由于相變發生在水泥水化初期,石蠟滲入到水泥基體中,在水泥顆粒與水之間形成一層有機隔 離 層,阻 隔 水 泥 的 進 一 步 水 化,影 響 其 后 期 強 度發展。

  將多孔陶粒吸附相變材料作為粗骨料制備相變混凝土是近年來發展的一個新途徑[23].但是相變材料會在陶粒表面形成有機包裹層,使其與硬化水泥石的界面薄弱,降低相變混凝土的強度。徐仁崇[24]以吸附石蠟的相變陶粒作為骨料配制了相變混凝土(如圖1),混凝土的主要斷裂方式由原來的骨料斷裂變為界面斷裂。
  
  2.3在路面工程上的應用
  
  冰雪條件下路面的摩擦系數急劇降低,影響交通安全及通行效率。而當前對路面積雪尚沒有一種理想的解決方法,人工或機械鏟雪需耗費大量人力物力,成本太高且效率較低;撒鹽除雪引入的氯離子會腐蝕結構、污染環境,帶來嚴重的負面影響。因而在道路橋梁工程建設時主動引入相變控溫技術,力圖為路面除雪防凍提供一條新途徑。楊獻章等[25]提出用于橋面防凍的相變材料相變點必須略高于冰點,以0~5℃為宜。加熱融雪是一種比較清潔的技術手段,然而路面面層產生的較大溫度應力會促使混凝土溫度裂縫的形成。霍曼琳等[26]在電伴熱帶體系的基礎上融入相變材料構成相變儲能發熱體,以蛇形形式鋪設在埋深3cm的磨耗層內,能夠降低路面溫度波動頻率,減小面層的溫度應力。

  3 建筑用相變儲能材料存在的問題
  
  相變儲能建筑材料未來的研究重點是根據環境條件要求,研制出具有合適的相變溫度與相變焓,并且能夠長期使用、物理化學性能穩定、經濟環保的相變材料,概括起來應滿足以下性能要求[13-14,27]:(1)熱力學性能:相變溫度適宜,比熱及相變潛熱大,導熱系數高,相變過程體積變化小、蒸氣壓低;(2)動力學性能:結晶速度快以避免過冷現象,晶體生長速度快以提高熱循環效率,相變過程可逆;(3)物理化學性能:大量相變循環后性能無明顯退化,耐久性好,與貯存容器或建筑基體相容性好,對人體無毒、無腐蝕,耐火;(4)經濟性:成本低;原料豐富、易獲取等。

  相變材料是一個綜合熱學性能、力學性能、耐久性及經濟性于一體的復合體系,而當前大多數研究只是停留在實驗室階段,真正投入使用時還需要重點關注以下問題:

  (1)優化相變材料的制備工藝。微膠囊法成本較高、制備工藝復雜且導熱性不良;高分子材料大多易燃;多孔介質吸附法普遍需要在負壓條件下進行。無論是何種方法,均難以滿足規模化生產要求。

  (2)深化相變材料傳熱性能研究。研究相變材料導熱系數動態變化規律,改善傳熱增強介質在相變材料中的分散狀態,提高相變材料傳熱效率,能夠在有效降低成本的同時增強相變材料儲熱能力。

  (3)提高相變材料的耐久性。耐久性問題不僅局限于相變材料自身的老化或損失,同樣要關注其對建筑基體整體性能的影響,而這點往往在當前研究中忽視或弱化。

  (4)進行相變材料應用成本分析。根據不同使用環境調整相變溫度、設計相變材料的使用方式與安裝位置、提高相變材料的使用效率;針對不同地區的氣候特點,選擇適合的保溫隔熱方式等。

  4 結語
  
  相變儲能建筑材料是相變材料與建材基體復合制備的一種新型儲能建筑材料,在保留傳統建材自身性能的基礎上附加了儲熱能力,是近年來材料科學和建筑領域一個重要的研究與發展課題。隨著人們環保意識的逐步增強以及對節能問題的日益重視,相變儲能建筑材料必將在將來發揮更大的作用,其應用前景也會越來越廣闊。

  參考文獻
  
  [1] 張寅平,胡漢平,孔祥冬,等.相變貯能-理論和應用[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1996,1-4.
  [2] 施韜,孫偉.相變儲能建筑材料的應用技術進展[J].硅酸鹽學報,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,楊睿,張寅平,等.定形相變材料的研究進展[J].儲能科學與技術,2013,2(4):362-368.

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