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相变储能建筑材料

 
通常物质具有气相,液相和固相,相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程,相变会伴随着热量的吸收或释放。具有这种吸收或释放相变热能力的材料称相变储能材料(Phase change materials,PCM,见图1)
 
图1 相变储能材料作用机理
 
相变过程一般吸收或释放热量而不伴随温度变化,因此相变中的热量被称为潜热,物质在温度升高不改变相的情况下吸收的热量被称为显热。例如100℃下水变为水蒸气的相变潜热是2257kJ/kg,而水的热容为4.2kJ/(kg·℃),相变潜热要比显热高2个量级。正是因为相变潜热较大,相变储能材料在建筑节能领域具有广阔的应用前景。
相变储能建筑材料是将相变材料掺加到传统建筑材料中,不改变其原有的作为建筑结构材料而承受荷载的功能,同时提高建筑材料的蓄热(冷)能力,这是实现建筑直接储能的有效途径之一。
相变材料应用于建材的研究始于1982年,由美国能源部太阳能公司发起。1988年起由美国能量储存分配办公室推动此项研究。20世纪90年代初,人们就开始对有机相变材料进行研究,近年来相变材料的开发已步入实用阶段,其在建筑节能中的应用主要有相变储能石膏板,相变储能混凝土,相变储能墙板,建筑保温隔热材料,相变储能砂浆,相变蓄热地板、天花板等。
 
2 相变储能材料分类
 
2.1以相变温度分类
按照相变温度分类,相变储能材料可以分为:
(1)低温相变储能材料(15~90℃);
(2)中温相变储能材料(90~550℃);
(3)高温相变储能材料(>550℃)。
建筑物的温度在室温附近,因此适宜用于建材的应为低温相变储能材料。
 
2.2以化学成分分类
按照化学成分分类,相变储能材料可以分为:
(1)有机类相变储能材料
主要有高密度聚乙烯,多元醇、石蜡、脂肪酸、沥青等。
有机类相变材料具有固体成型好、不易发生相分离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定等优点,但是存在着导热系数小,熔点较低,不适于高温环境中应用,且易挥发等缺点。
(2)无机类相变储能材料
主要是无机盐水合物,代表性物质有:Na2SO4·10H2O,MgCl2·6H2O和CaCl2·6H2O。无机盐水合物一般为中性,价格便宜,导热系数大,储热密度大,是中、低温相变材料的重要一类。但是,无机相变材料通常存在着相分离、过冷等现象,添加增稠剂和晶体结构改变剂通常可以有效的解决相分离现象,添加成核剂可以解决过冷现象。另外,水合盐还有腐蚀性,不利于封装。
(3)复合相变材料
许多单一组成的相变材料难以同时满足节能建筑对潜热、相变温度等的要求,二元或多元相变体系相变材料在此基础上发展链起来。例如钙钛矿类(有机氨类金属卤化物)和多元醇类合成,并与环氧树脂、铝粉以及室温固化橡胶共混,可以得到相变温度30~40℃,相变焓大于100kJ/kg的固—固相变材料。
3 相变储能建筑材料的技术优势
 
(1)具有温度自动调节能力
相变潜热大,相变时温度基本恒定,具有温度自动调节能力。相变储能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。有研究表明室外温度升高10℃时,加入相变材料可削减室内峰值温度约4℃。
(2)缓解建筑物的能量供求矛盾
相变储能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。蓄能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。研究表面当室外温度按正弦波形式变化,采用相变储能建筑材料可使室内峰值温度滞后2.65h。
(3)减少建筑耗能对环境的负面影响
相变储能材料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。研究表明使用相变温度为23℃,相变潜热为60kJ/kg,30mm厚的相变储能墙板比普通墙板冬季节能率可达17%
 

 
图3 相变储能建材在建筑节能中的应用
(4)减轻建筑物自重、节约建筑材料
相变储能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,相变储能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。
4 相变储能建筑材料发展现状
 
4.1研究进展
20世纪90年代,用于建材的相变储能材料是无机盐水合物,通过脱水与吸水的相变储能,这一类化合物有Na2SO4·10H2O和CaCl2·6H2O,它们尽管熔点合适、潜热大,价格低廉,但由于产生过冷和过热现象,对于建筑材料具有腐蚀性或强吸潮性而被排除。
2000年以后,有机类相变材料发展起来,如烷烃、酯、醇及石蜡等,虽然化学稳定性好,但仍是固—液相变,需要容器封装,成本高,工艺复杂。
近年来,定形相变材料(相变过程中体积变化较小)获得了长足的发展,这种材料兼顾了固—液相变储热大以及固—固相变体积变化小的优点,具有物理性能和化学性能稳定、热导率高、使用过程中无需容器封装、与传统建筑材料的复合工艺简单等优点。这种固—固材料的出现使得相变储能材料在建筑中的应用成为可能。
学者们对超支化聚氨酯,Li2SO4、KHF2,HDPE/石蜡复合体系,PS/石蜡,石墨/石蜡复合体系等都作了深入研究,这些材料都能用作固—固相变储能材料,具有较好的热学性能。
 
4.2产品进展
目前,在国内的相变建筑材料的市场中,应用比较普遍的是“FTC自调相变蓄能材料”,这是一种保温涂料,价格比普通保温砂浆贵约50%,可耐受1000度高温,该材料在国内一些工程的墙体保温中已小面积成功应用。
“RFT自控相变保温材料”是在“FTC自调相变蓄能材料”基础上发展起来的,也作为保温材料用于建筑外墙。
我国当前相变储能材料及其在建筑材料中的应用方面的仍处于研究阶段,成熟的成果还比较少,很多标准体系和评价体系还不完善。当前国内存在相变材料的品种不多现象、性能存在提升的现象,相变材料的使用寿命问题与价格偏高(如用于砌块中,用量过大,封装麻烦)问题等等。
5 发展前景
 
相变储能建筑材料是一种有别于普通建材的新型建筑功能材料。该类建材的应用,能够大幅降低建筑能耗,因而具有广阔的应用前景。随着世界能源的日益紧张,人们越来越关注建筑节能问题,相变储能建筑材料将会迎来新一轮的研究热潮,获得更进一步的发展。
相变储能建筑材料的推广应用仍需解决以下几个方面的问题:
(1)针对不同的室内外环境特点,开发出具有合适相变温度与相变热、在长期使用过程中物理化学性能稳定、性价比较高的适合用于建筑节能的相变材料。研究改善相变材料的导热性能,提高其相变速率的方法。
(2)研究相变材料与普通建筑材料的结合方式。研究掺入相变材料后,相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的蓄热传热机制及防火特性。
(3)在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),开展带相变建筑节能材料建筑传热过程的数值模拟研究和与模拟研究对应的实验研究。

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来自:梦泽赤子  > 建筑家居
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