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相变材料在建筑节能领域的应用及研究

2019-09-23

0 引言

能源的日益短缺是人类面临的一个现实问题,全球工业化脚步的愈来愈快和人类经济社会的高速发展使得能源问题更加严峻,其中建筑能耗更是一大能耗巨头,面临着巨大考验[1-5]。因此,节能减排特别是降低建筑能耗,提高能源使用效率,同时开发可再生能源成为人类社会必须共同面对和亟待解决的问题。

相变储能技术可以有效解决能量供需在空间和时间上的不匹配问题,可以有效提高能源的利用效率[6-7]。相变材料都具有一定的相变潜热,在发生相变时可从周围环境中吸收或释放热量,这样就实现了能量的储存和利用,在建筑节能领域的应用前景广阔,是近年来世界范围内一个十分活跃的研究热点[8-10]

1 相变材料的分类及性能

相变材料(phase change materials,简称 PCMs),也叫做潜热储能材料(latent thermal energy storage materials),利用的是材料在发生固、液、气三态转变时需要从环境中吸收或放出大量热量的性质 (即相变焓)来存储或释放热能量,从而可以改变材料周围的环境温度[11-13]

针对重载转动副实例,其可装配性主要考虑装配过程产生的偏差累积能否由后装配的轴承外圈与底座内孔装配产生的间隙抵消。而根据式(8),同轴度t=0.025 mm,可得∣Δv∣≤0.012 5 mm,通过式(13)、式(14)分析可得结果满足重载转动副存在可装配性的条件,但不一定能装配成功。由于此类重载转动副考虑装配过程偏差累积时的有效公差左右两边是对称分布,且具体数值相同,因此考虑轴承1先装配或者轴承2先装配结果相同。

1.1 分类

PCMs有多种分类方式[14-15],可根据固液气三态相变形式分类。其中,固-固相变材料和固-液相变材料在实际生产中研究最多和应用最广;根据相变温度Tm范围不同,分为低温相变材料、中温相变材料和高温相变材料;根据化学成分可分为无机相变材料和有机相变材料,无机相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等,这类材料的相变潜热较大,但存在过冷和相分离现象,有机相变材料主要包括多元醇类、酸类和高级烷烃等,常见的有石蜡、季戊四醇等,这类材料的优点是性能稳定,腐蚀性小。缺点是易燃,热导率较小,价格偏高。

5)高考制度的改革。改变现有“一考定终身”的评价方式,引入多种评价标准,基础学科教育引入形成性评价。考核中引入能力评定;在社会实践活动中,不单单对实践次数进行框定,更要求学生在活动过程中担当不同的职位,承担不同的任务,锻炼不同的能力;相关竞赛活动在关注学生成果的同时,也要注重学生在团队中担当的职务、解决的问题,引入团队学生互评,避免出现团队中所有学生都加分均等的情况;在工程技术课程方面,将其引入考核中,适当降低基础课程评分所占比例。

1.2 性能

无机水合盐是一种重要的中低温储热型相变材料,无机水合盐的相变过程是指水合盐在加热过程中脱出结晶水并吸收热量,在冷却过程中重新结合形成水合盐并释放热量。然而无机水合盐通常有自身的局限性,表现为过冷和相分离,因此,许多研究都集中在提高水合盐的性能,使其具有更好的应用前景[16-18]

②源流各地州、兵团师成立各自的灌区灌溉管理机构,负责权限内的灌区灌溉管理,并接受塔里木河流域管理局的业务指导,不再对源流水资源及河流上的提引水工程实行直接管理。

Xu等[19]研究了用于中温蓄热的硝酸钠基复合相变材料,该复合相变材料以硅藻土为介质来定型硝酸钠,研究发现,这种复合材料可保留70%的硝酸钠盐,XRD分析表明硅藻土与盐具有良好的相容性,SEM分析表明,盐在硅藻土的孔结构中分布均匀,DSC测试表明该复合材料的相变温度为307.8℃,相变焓为115.79kJ/kg,力学性能测试表明,该复合材料的抗压强度达到22.17MPa,复合材料导热系数较低,为0.5W/(m·k),添加10%石墨可显著提高导热系数;Wang等[20]以结晶水合盐Na2HPO4·12H2O作为主储能材料,通过添加额外水来改善循环结晶过程,维持蓄热能力,同时添加不同含量的氧化铝粉和羧甲基纤维素钠作为相变储能材料的成核剂和增稠剂并进行了热性能测试,结果表明,添加额外水30%,氧化铝粉2%,羧甲基纤维素钠5%时,相变储能材料具有更好的稳定性,此时体系的相变温度为36℃,过冷度为4.6℃,相变潜热为182.4kJ/kg。

2 相变材料与建筑材料复合

2.1 直接加入混合

直接加入混合是指将PCMs直接与建筑材料如砂浆和石膏等混合。这种方法的优点是工艺简单且相对廉价。刘成楼等[21]将相变材料吸附到膨胀珍珠岩的孔中并加入到砂浆中,制成相变储能抹面砂浆,发现将其作为建筑围护结构的保护层具有良好的蓄热调温作用;Feldman D等[22]利用硬脂酸丁酯为相变材料,通过直接加入混合的方法将质量分数为21%~22%的硬脂酸丁酯掺入到传统石膏板中制得相变储能石膏板,实验结果表明,相变储能石膏板的蓄热能力是传统石膏板的9倍,可大大降低室内的温度波动。

2.2 浸渗法

浸渗法是指将建筑材料浸泡在液体PCMs中,利用基材本身的毛细作用来吸附PCMs,通常用来制成围护结构。李乔明[23]采用浸渗法,将建筑石膏板浸泡在液体石蜡中,并对该石膏板进行多次热循环实验,结果发现它的相变温度有所升高,而相变焓却下降了,这在生产应用中具有较大限制性;罗庆等[24]采用浸渗法,将建筑墙砖浸泡在石蜡中并应用在室内,测试并分析了屋内环境温度的变化,结果显示:用吸附石蜡后的建筑墙砖,明显提高了蓄热能力,可用于调节室内环境温度。

2.3 微胶囊封装

微胶囊封装是指将PCMs包埋在微型胶囊结构中再掺入到建筑材料中。Schossig P等[25]以石蜡作为相变材料用微胶囊封装,然后加入到砂浆中,实验结果表明:石蜡相变微胶囊具有良好的导热性能,可在建筑物中使用,达到节能环保的目的并提升居住舒适度;尚建丽等[26]以石蜡作为相变材料,包埋于微胶囊中(用聚氨酯作为微胶囊囊壁),然后加入到石膏中,制得复合相变石膏材料,热循环实验结果表明微胶囊复合相变材料的蓄热能力和耐久性能都十分良好。

微胶囊封装有很多优点,如增加了传热面积、降低PCMs对外界环境的反应性以及控制相变时物料体积的变化等。Yu S,Wang等[27]利用CaCO3来封装有机相变材料正十八烷,测试发现这种复合材料的稳定性良好、热导率高并且耐久性能良好。另外,使用CaCO3作为封装材料可大大降低成本,并且它的来源广泛,容易获得,这在实际的工业生产中具有较好的推广价值。

2.4 多孔材料吸附

多孔材料吸附是指利用硅藻土和膨胀珍珠岩这类多孔材料作为载体来吸附PCMs,然后应用到建筑材料中。Sari A等[28]用膨胀珍珠岩来吸附有机相变材料癸酸和月桂酸,制成相变储能复合材料,结果表明,两种脂肪酸与膨胀珍珠岩有很好的相容性,通过1 000次以上的热循环试验后,两种相变材料依然保持了良好的稳定性;Purohit,B.K.等[29]采用多孔聚氨酯泡沫板与Na2SO4和MgSO4·7H2O饱和盐溶液相结合,使其浸渍到孔隙中,制备了复合材料PU-PCM,聚氨酯泡沫的每个孔就像一个微反应器,提供了一个非均匀的表面,增强了每一滴溶液的成核,从而减轻了盐水合物的相分离,同时对不同厚度的PU-PCM复合材料板进行多次热循环稳定性试验,结果显示,厚度为0.02m的PU-PCM复合材料板提供了理想的结果;魏艳玲等[30]用膨胀珍珠岩作为吸附材料,吸附的相变材料是癸酸和硬脂酸的复合物,在真空条件下吸附制得颗粒型储能相变材料然后掺入石膏中制成石膏板,经上百次的热循环测试发现其稳定性能依旧良好,同时分析发现膨胀珍珠岩吸附了近75%的相变材料(以质量分数计),随后她们又进一步尝试加入一定量的铜粉,大大提高了石膏板的导热性。

王 强(通讯作者) 男,1981年10月出生于辽宁省沈阳市,博士,现为辽宁石油化工大学信息与控制工程学院副教授,硕士研究生导师,主要研究方向为软开关变换器的电路拓扑及控制.

3 相变材料在建筑节能中的应用

3.1 相变墙体

邓安仲等[31]研究了相变墙体在钢结构房屋中的应用效果,结果表明,相变墙体的应用可使轻质结构建筑的蓄热能力显著提高,比普通轻钢结构房夜间室内温度高7℃~10℃;Lv S等[32]利用含相变材料质量分数26%的石膏板作为建筑墙体,模拟了一个房间进行试验测试,同普通房间能耗进行对比分析,结果表明,利用相变材料制作的墙体构建的测试房间可有效降低暖通空调系统的能耗;Kong等[33]以液体石蜡为原料,采用自制的真空加热轧制箱,制备了一种形状稳定的PCM颗粒,并将其吸附到膨胀珍珠岩的微孔中,然后与苯乙烯-丙烯酸乳液和玻璃纤维在板状模具上制备了一种新型复合相变材料墙板(CPCMW),通过SEM,DSC和电子万能试验机分别对其内部组织进行了表征,对其热性能和力学性能进行了测试,结果表明,其熔点和潜热分别为25.22℃和85.63J/g,并且发现该墙板具有紧凑、坚固的微观结构,具有良好的强度和韧性,在实验条件下进行房间模拟,结果显示该相变房间的温度波动较小,峰值温度较低,滞后时间较大,建筑围护结构采用CPCMW被动调节室内温度,增加建筑的热质量,特别是轻量化建筑,其良好的热性能显示出巨大的应用潜力。

3.2 相变板材

Hasse C等[34]以石蜡为相变材料,将其填充于蜂窝板中,制成一种复合相变板材,实验表明,该相变板材的导热性得到增强,且相变材料无泄漏现象,测试相变蜂窝板在24h时间内对温度变化(从11℃~39℃)的响应,温度及热通量的测量结果显示,相变蜂窝板较普通蜂窝板的热惰性有明显提高;Fu等[35]采用真空压缩法制备了CaCl2·6H2O和膨胀珍珠岩(EP)复合的PCM板,其填料密度为300kg/m3,导热系数为0.168W/(m·k),将其嵌入铝扣板分别安装在四面墙和屋顶进行测试,研究表明,与没有添加Ca-Cl2·6H2O/EP的参考板相比,添加了 5块 CaCl2·6H2O/EP的实验室最高温度更低,最低温度更高,温度浮动降低,数值模拟结果表明,复合板的最佳厚度在 5mm~7mm,CaCl2·6H2O/EP嵌铝扣板具有良好的热性能,是一种新型的建筑材料,在建筑节能方面具有巨大的潜力。

3.3 相变储能砂浆

Liu等 [36]将水泥砂浆分别与Na2CO3·10H2ONa2HPO4·12H2O二元共晶水合盐/膨胀石墨氧化物稳定复合相变材料(EHS/EGO)和Na2CO3·10H2ONa2HPO4·12H2O/聚丙烯酰胺-丙烯酸共聚物稳定相变材料(EHS/P(AA-AA))相结合制备了2种储能水泥基复合材料。结果显示,随着EHS/EGO和EHS/P(AA-AA)的添加量达到13.3wt%,2种水泥砂浆的抗压强度分别为11.5MPa和10.2MPa,抗压强度可作为建筑围护结构使用。SEM和EDS能谱分析结果表明,水泥砂浆中形态稳定的EHS/P(AA-AA)以非晶胶状结构存在,将板材式样与10wt%EHS/EGO和EHS/P(AA-AA)结合,通过热性能测试,复合板内表面温度明显降低,最高温差分别为5.0℃和6.7℃。得出将EHS/EGO和EHS/P(AA-AA)结合在一起可以显著提高水泥砂浆的吸、放热性能,在建筑中具有很大的应用潜力,可以实现较高的热节能能力的结论。

3.政府扶持。养猪业收益已经成为解决政府所迫切关心的农民增收问题的重要支撑,为了增加农民收入,促进养猪业的稳定增长,壮大养猪行业,实现由传统向现代农业发展的顺利转型,近年来,政府出台了一系列养猪行业的优惠扶持政策,为我国养猪业的发展提供了契机。

3.4 相变混凝土

张东等[37-38]首先利用多孔材料吸附相变材料制备成相变储能骨料,再添加到混凝土中制备成相变储能混凝土,实验结果表明:通过“两步制备法”可使大量的相变材料包埋在混凝土中,这样制得的相变混凝土蓄热性能良好,可应用于实际生产中;史巍等 [39-40]以石蜡作为相变材料将其加入到混凝土中,并研究了其性能,实验结果显示:加入了石蜡后,减慢了混凝土内部的温度变化速率,解决了混凝土的热应力开裂问题,另外石蜡属于憎水材料,会使混凝土抗渗性提高。

3.5 相变太阳能暖房

Peippo K等[41]将PCMs制成热储存构件并应用于一座120m2的轻质被动式太阳能房中,研究模拟该房间在一年内节省的能量相当于15%的年运行能耗费用;Athienitis A K等[42]将相变墙应用到被动式太阳房中,监测的温度显示,在白天没有相变墙的房间温度要比有相变墙的房间温度高4℃,而夜间有相变墙的房间可持续放热7h以上,夜间相变墙板的表面温度可比普通墙板高3.2℃,相变材料结晶过程放出的热量相当于总供热负荷的15%,可在很大程度上改善房间的舒适性。

3.6 相变蓄热地板

国外对蓄热式相变地板采暖也有一些研究和应用。西班牙的Barrio M[43]对放在恒温环境中的小屋做了相变蓄热地板采暖的实验,用以比较NGP相变材料和混凝土的蓄热性能;加拿大的Athienitis A K[44]研究了用混凝土蓄热地板采暖系统在不同室外温度下的使用效果;Bakos G等[45]在被动式太阳房中应用了相变蓄热采暖地板。

4 结语

PCMs在解决全球环境污染和能源短缺问题、提高能源利用率、解决能源供需缺口的热能储存系统等方面受到越来越多的关注,在建筑节能领域中的应用也取得了一定的研究成果,但在实际生产应用中依然存在许多问题等待解决,以下内容是今后重点研究的方向。

(1)着重提高复合相变材料的稳定性和热物性等性能,延长相变材料的使用寿命并维持良好的使用效果;

将校长甩得无影无踪后,父亲终于住了脚,弯腰大口大口地喘气。片刻,他抬起头来,无比自信地笑道:“只要留下了东西,你回校读书的事,肯定就有希望了。”

(2)加强对相变材料封装问题的研究包括封装技术和封装材料等,同时进一步研究如何运用新工艺与建筑材料进行复合;

(3)继续开发筛选能够满足建筑节能标准且能够与建筑材料复合的性能优良、价格低廉的相变材料。

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