相变储能材料的选择制备及在建筑中的应用研究.doc

相变储能材料的选择制备及在建筑中的应用研究 石超1，雷声1，谢斌2 （1.安徽建筑大学，安徽合肥230022；2.阜阳市建苑节能监测有限公司，安徽阜阳236000） 摘要：相变储能材料应用于建筑结构中，可以有效的提高建筑物的隔热保温性能，并可以解决一部分能源消耗问题.本文综述了相变材料在建筑领域的研究现状，对目前使用的相变材料进行分类和分析.并展望相变材料在建筑领域未来的研究热点和方向. 关键词：相变储能材料；建筑节能；应用发展 ：TU5：A：1673-260X（xx）04-0043-03 基金项目：安徽省科技厅xx年度第二批科技计划项目(1305073037）；xx年安徽建筑大学教学团队项目；xx年安徽建筑大学专业综合改革试点项目 1引言 随着我国人民的物质生活水平的显著提高，人们对于所居住环境的关注度也是同步的增加，尤其表现在室温这一方面，理想的室温应该维持在20左右这一舒适的范围.为了满足这种要求，人们使用空调变的更加频繁，而这将会造成更的多能源消耗和对环境的污染等一系列问题.所以，对房间的舒适度、室内温度和环境污染等问题的研究已成为建筑和节能设计中必须考虑的问题. 相变材料是指在一定温度下，自身的内部结构和物理化学状态发生改变，同时伴随着热量的吸收和释放，可以利用这种原理对室内温度进行调控，使其达到舒适理想的范围.将相变储能材料（PCM）加入建筑基体结构中，可以很好的改善室内温度、房间的舒适度和减少环境污染. 相比于国外，国内的相变储热技术的技术成果，包括研究理论还是比较薄弱.本文综述了相变储能材料在建筑领域的研究现状，对目前使用较多的相变储能材料进行了分类并分析其优缺点，最后还展望相变储能材料在建筑领域未来的研究热点和发展方向. 2相变储能材料的发展研究现状 1982年，相变储能材料的研究最早是由美国能源部发起的，并且是应用在建筑方面.上个世纪90年代，一些学者已经开始对相变储能材料进行了研究探讨，如Feldman对脂肪酸及其衍生物进行了广泛的研究，包括对相变储能材料的物理性质、化学稳定性和环境保护等问题进行了研究1.1992年，美国的P.Kanramen研究出了一种熔化温度可调的有机相变蓄热的材料贮热系统2.法国FittinaldiE等人曾报道过一些有机金属化合物，这类材料的固固转变是可逆的，相变潜热较高，在0120的范围内可供选择进行温度转变8.日本Hokkaido大学工程研究生院人类环境工程所的K.Naganno和S.Takeda等人采用了颗粒状的相变材料来进行研究，主要用于增大建筑蓄热能量的地板空调系统9.该研究结果发现，这种加入了相变储能材料的空调系统可以将室内夜间的热量进行冷热转化，从而来满足白天的热量负荷的需求. 中国科技大学的叶宏、葛新石10从1978年开始研究相变材料，并对其做了大量的理论阐述和研究工作10.其试验研究发现了熔点在32左右的定形相变储能材料，该材料是新型的地板辐射采暖系统中较为理想的贮热材料，最后研究表明这种采暖系统不仅能源消耗少、易于简单操作，而且还可以提供舒适的热环境.1985年，河北省科学院能源研究所唐钰成等对相变储能材料进行研究，并且研制和试验了太阳房相变蓄热器11.华南理工大学张正国等人将一种有机相变材料RT20与有机蒙脱土进行混合，研制出一种新型的复合相变储能材料12.实验研究表明，这种材料的物理化学性质与RT20材料的数据很接近，但是相比RT20材料，该复合材料具有更高的热流量和更好的稳定性. 随着科学研究技术的进步，采用的相变储能材料从固液状态已经逐步转变为固固状态材料和固液共晶相变材料.在这方面已经有些成功的研究案例，如姜勇等采用了化学方法制备固固高分子相变储能材料3.Hawlader等利用微胶囊技术4,5和张羽中等采用纳米制备技术制得了固固相变储能材料6.俄国俄州戴顿大学在1999年成功的研制出一种新型的建筑相变材料固液共晶相变材料7.这种材料的固液共晶温度是在23，当温度高于23时，该材料的晶相就会出现熔化现象，并吸收外界热量；当温度低于23时，该材料的结晶开始固化，内部重新出现晶相结构，并同时释放热量.这种材料与建筑墙体或是混凝土板结合可以有效的控制室内温度变化. 以上研究表明，相变材料可以成功应用于建筑结构中，并有利于建筑节能和环境保护. 3相变蓄热建筑材料的分类和分析 3.1目前使用的相变蓄热建筑材料 3.1.1无机相变材料 无机相变储能材料的种类比较多，其中较为典型的就是结晶水和盐类，被频繁采用的是碱金属、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐、磷酸盐、碳酸盐的水合物和碱土金属的卤化物.这类相变材料普遍相变温度不高，但都具有恒定的熔点值和很大的溶解热.其优点是：导热系数高、相变体积小，熔解热大、价格比较便宜等.但是这类相变材料的缺点是容易出现过冷和相分离现象. 3.1.2有机相变材料 常用的有机相变材料有：脂肪酸或其酯或盐类、芳香烃类、醇类、高级脂肪烃类、多羟基碳酸类和氟利昂类等，另外高分子类材料主要包括：聚酰胺类、聚烯烃类、聚多元醇类以及其他的一些高分子材料.一般来说，同系的有机物会随着其碳链的不断增长，其相变温度和相变焓也随着增大，这样就容易得到许多类似的相变储能材料，但随着材料分子中的C链的不断增长，其相变温度所增加的数值会逐渐的减小，并且熔点也会趋近于某一固定值.目前学者们研究的较多的有机相变储能材料主要包括脂肪酸类、石蜡类等固一液相变材料以及高密度聚乙烯、多元醇等固一固相变材料，其中用的最多的有机相变储能材料是石蜡.这类储能材料的优点是：稳定性好、不易发生相分离及过冷现象、固体成型好、腐蚀性较小.缺点是：易挥发、导热系数较小、易燃和相变时材料的体积变化较大等.为了解决这类材料导热系数较小的缺点，可以在其中加入铝粉、铜粉等导热系数高的金属粉末. 4目前制备相变储能建筑材料的主要方法 如何将相变材料融入建筑结构中是制备相变储能建筑材料的关键问题之一.目前制备相变储能建筑材料的方法主要有三种: 4.1浸渍法 即先将相变材料用水浸泡，然后选取多孔的建材基体进行渗透，比如这类建筑基体有水泥混凝土试块、石膏墙板等.其优点是工艺比较简单，容易使传统的建筑材料（如水泥混凝土试块）按照特定的要求将其变成相变储能建筑材料.Chahroudi在20世纪70年代就利用芒硝等无机相变储能材料，采用直接浸泡法制备了相变储能混凝土试块，但是这类相变材料对混凝土的基体有腐蚀作用13.Hawes利用脂肪酸类有机相变储能材料、采用直接浸泡法制备了相变储能混凝土，并对相变储能混凝土作了深入的研究14.Hadjieva等研究了无机水合盐类作相变材料的混凝土，并用DSC测试仪测试了无机水合盐类作相变材料的混凝土体系的蓄热能力，用红外光谱分析了该体系的结构稳定性15. 4.2直接混合法 即将相变储能材料直接与建筑基体材料相混合，如在具有流动性的粉末中添加相变材料，然后掺入建筑基体材料中，许多固固相变储能材料不断的开发推动了这种工艺的应用发展.直接混合方法的优点表现在性质均匀，工艺简单，更容易做成各种形状和大小的建筑构件，可以满足不同的建筑需求.加拿大的Concordia大学建筑研究中心采用49%丁基硬酯酸盐和48%丁基棕桐酸盐的复合物作相变材料16.他们采用了直接混合法将相变材料与灰泥砂浆相混合，然后按照工艺要求制备出相应的相变储能墙板，并对相变储能墙板的导热系数、凝固点、熔点等进行了实验测试.测试结果表明，这种相变储能墙板的贮热能力比普通墙板增加了10倍.目前，直接混合法已经成为相变储能材料贮热的热门技术. 4.3微胶囊法 即采用微胶囊技术或纳米复合技术将相变储能材料封装成胶囊，再把胶囊掺入建筑基体材料中，从而可以制备出相变储能建筑材料.Takeshi等用95%正十八烷和5%正十六烷作复合相变材料17，并将其压入聚乙烯中制成胶囊，然后再把这种胶囊加到其它多孔基体材料中，从而可以得到具有储热效果的相变储能建筑材料.但是，由于微胶囊材料的制作成本高，且其技术比较复杂，使得微胶囊法只在某些领域适用. 5相变储能建筑材料的应用及其展望 对于相变储能材料的应用研究，国外的发展水平高于国内.而我国的建筑耗能亦远高于国外许多国家，受到能源消耗方面的危机和环境保护的影响，科学研究表明可以将相变储能材料应用于建筑结构中，从而有效的提高建筑物的隔热保温性能以及可以解决一部分能源消耗问题.如果在建筑墙体中加入相变储能材料，这样不仅可以减少能源的消耗，还减轻了建筑结构的自重.相变地板、相变墙体、相变砂浆的研制成功为相变储能材料在建筑领域的应用起到了巨大的推动作用. Hawes等研究了不同类型的混凝土块中多种复合相变材料的储热性能14.Pause将相变材料融入窗帘之中，与普通的窗帘进行热量损失对比，试验研究表明，其热流量可降低30%18.Neeper研究了影响石膏板相变的三个主要因素：相变储能材料的融化温度、融化温度的范围、单位面积墙板的储热性能19. 在具体的建筑应用中，相变储能材料可以与建筑覆盖材料混合，如石膏板、混凝土、石膏等.将相变材料用于不同的建筑结构中会发生不一样的功能效果，例如，它们可以用于太阳能利用、余热回收等功能. 要想更好的将相变储能材料投入到建筑领域中使用，还需要对以下许多问题进行研究和探讨： (1)对于各种不同的室内外的环境因素，研究具有相适应的相变焓和相变温度的相变材料，并将其加入建筑材料中，形成可以化学性能稳定、长期使用且物美价廉的建筑储能材料. (2)耐久性.相变储能材料的热物理性质在相变循环过程会有所改变，而且随着时间的变化，相变材料可能会从基体材料中泄露出来，表现为在材料表面结霜20.其次，相变材料在基体机构中如果发生变化，会影响基体结构材料的应力和应变减少. (3)目前已经投入使用的大部分相变储能材料的导热系数比较低，所以如何提高相变储能材料的储能效率也是需要急于解决的问题. (4)实现生产工业化.在生产过程中，如何减低生产成本，改进工艺条件以及实现工业化也是相变储能材料面临的问题之一. 6结束语 本文对相变储能材料在建筑上的应用进行了研究，得出以下结论： (1)在建筑结构中，使用相变材料可以有效的储存或释放由太阳辐射或是内部载荷产生的热量.并应用于与建筑覆盖材料相混合，如石膏板、混凝土、墙体材料等，相变储能材料还可以与货仓等其他系统有较好的结合，如地板采暖系统、热回收系统、太阳能热泵系统等. (2)一种材料的稳定性如何是决定该材料是否可以在现实应用中被长期使用，对于相变储能材料来说，其稳定性的好坏在建筑领域上影响更为明显.目前被研究出来的稳定性较好的材料也有不少，其中高固固状态发生转变的具有高潜热物质可以作为良好的热存储材料. (3)相变储能材料种类很多，但应用于建筑领域的材料应优先选择相变潜热更高和转变温度更低的相变材料.相变储存材料在建筑领域被广泛使用的一个问题是如何降低相变储存材料的成本. 相变储能材料在建筑上的应用研究仍然还是一个比较漫长的道路，这就需要科技人员去进行探索研究，以便使相变储能材料（PCM）的技术更加成熟，提高室内房间舒适度以及建设能源效率. 参考文献： 1FeldmanD,ShapiroMM,BanuD.OrganicPhaseChangeMaterialsforThermalEnergyStorageJ.SolarEnergyMater,1986,13:1. 2P.Kuuranen,等.一种熔化温度可调的有机相变材料贮热系统J.新能源,1993,15(4)：24-28. 3姜勇,丁恩勇,黎国康.一种新型的相变储能功能高分子材料J.高分子材料科学与工程,xx,3(17):173-175. 4HawladerMN.EncapsulatedPhaseChangeMaterialsforThermalEnergyStorageExperimentsandSimulationJ.IntJEnergyRes,xx,26:159-171. 5HawladerMN,UddinMS,KhinMM.MicroencapsulatedPCMThermalEnergyStorageSystemJ.AppliedEnergy,xx,74:195-202. 6张羽中,陈中华,张正国.有机,无机纳米复合相变储能材料的制备J.高分子材料科学与工程,xx（17）:137-140. 7孙建忠,吴子钊.建材用相变工质材料渗出程度评价方法的研究J.保温材料与建筑节能,xx(7):43-46. 8FittinaldiE.EnergyStoragebySolidSolidPhaseChangeMaterials,ProceedingoftheFirstSeminaronSolarEnergyStorageThermalStorage,Trieste,Italy:InternationalCentreofTheoreticalPhysics.1978,(9):4-8. 9NaganoK，TakedaS，MochidaT.Studyofafloorsupplyairconditioningsystemusinggranularphasechangematerialtoaugmentbuildingmassthermalstorage-Heatresponseinsmallscaleexperiments.EnergyandBuilding，xx(38)：436-446. 10叶宏，葛新石，焦冬生.带定形PCM的相变贮能式地板辐射采暖系统热性能的数值模拟J.太阳能学报，xx，23(4)：482-487. 11唐钰成译.相变材料的性质对空气型太阳能采暖系统性能的影响J.1990，12(4)24-28. 12林依辉,张正国,王世平.硬脂酸二氧化硅复合相变材料的制备J.广州化工,xx，30(1)：18-21. 13LaneG.A.SolarHeatStorage：LatentHeatMaterial：Vol.2.BocaRaton：CRCP