应用催化论文

中原工学院 化学 101 班 王艳华 材料与化工学院材料与化工学院 化学化学 101101 班班 201001534108201001534108 20132013 年年 1111 月月 2525 日日 中原工学院 化学 101 班 王艳华 相变材料在建筑节能中的应用相变材料在建筑节能中的应用 前言前言 目前欧美发达国家的建筑能耗已达到全社会总能耗的 40 我国建筑能耗约 占全国总能耗的 27 8 而随着经济的不断发展 人民生活水平的不断提高 建筑能耗的比重将进一步增加 因此 建筑节能技术的开发与应用已成为当前 建筑和建筑材料领域的热点问题之一 目前广泛应用的外墙外保温和内墙内保 温技术虽然可以降低能量的消耗 但由于材料本身的热容量有限 不能充分地 将能量进行储存利用 因而限制了建筑节能的能力 由于相变物质具有在其物 相变化 熔化或凝固 过程中 可以从环境吸收或放出大量热量 同时保持温度 不变 且可以多次重复使用等优点 所以将其应用于建筑节能领域 这样不但 可以提高墙体的保温能力 节省采暖能耗 而且可以减小墙体自重 使墙体变 薄 增加房屋的有效使用面积 因而具有广阔的应用前景 对于相变材料 比较系统的科学研究是在第二次世界大战以后展开的 美国 麻省理工的 M Telkes 和 G A Lane 等人在相变材料的配制和性能研究 相平衡 结晶 相变传热 相变储能系统设计等方面做了大量工作 20 世纪 70 年代初 第一次能源危机爆发 西方发达国家受到巨大冲击 但促进了社会和工程界对 相变储能材料和建筑节能技术的重视 相变材料的理论和应用研究也得到了长 足的进步和发展 相变材料引用到建筑 是建筑领域革命性发展 主要作用结果是节能 可以 达到节能 60 99 以北方采暖为例 使用相变材料 按照 100 平米的房屋为 测量单位计算 一个采暖季的用电量只有 10 度左右 摘要摘要 本文在对相变材料的特性 相变材料的分类和不同种类相变材料优缺点的比 较进行分析的基础上 详细介绍了相变材料在建筑节能中的运用 并对相变材 料在建筑材料中的发展前景做了分析 关键字关键字 相变材料 建筑节能 特性 分类 优缺点 运用 发展前景 中原工学院 化学 101 班 王艳华 一 一 相变材料的特性相变材料的特性 相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力 以固 液相变为例 在加热到熔化温度时 就产生从固态到液态的相变 熔化的过程中 相变材料 吸收并储存大量的潜热 当相变材料冷却时 储存的热量在一定的温度范围内 要散发到环境中去 进行从液态到固态的逆相变 在这两种相变过程中 所储 存或释放的能量称为相变潜热 物理状态发生变化时 材料自身的温度在相变 完成前几乎维持不变 形成一个宽的温度平台 虽然温度不变 但吸收或释放 的潜热却相当大 与显热储能材料相比 相变材料具有储能密度大 效率高以及近似恒定温度 下吸热与放热等优点 1 因而可以应用于很多领域 如太阳能利用 废热回收 智能空调建筑物 调温调湿 工程保温材料 医疗保健 纺织行业 保温衣服 日常生活 航天与卫星等精密仪器的恒温等方面 二 二 相变材料的分类相变材料的分类 大量的有机材料 无机材料和复合储热材料因为特有的熔解温度和潜热储存 能力而被定义为相变储能材料 已知的相变储能材料几乎可以满足任何温度范 围的使用需求 2 与传统的显热储存方式不同的是 相变储能材料能够提供更 高的储能密度 且能量的储存和释放是一个等温或近似等温的过程 相变储能 材料的这种特点是其具有广泛应用基础的原因 相变储能材料可以按照材料的 性质和组成分类为有机相变材料 无机相变材料和复合相变储热材料 其中 无机相变材料主要有结晶水合盐类 熔融盐类 金属或合金类等 有机相变材 料主要包括石蜡 醋酸和其他有机物 复合相变储热材料的应运而生 它既能 有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点 又可以改善相变材 料的应用效果以及拓展其应用范围 三 三 不同种类相变材料优缺点的比较不同种类相变材料优缺点的比较 3 有机相变材料具有相变温度适应性好 相变潜热大 理化性能稳定 在固态 时成型性较好等诸多优点 但是有机相变材料导热性能较低 密度小 相变过 程中体积变化大 并且有机物熔点较低 不宜在高温场所中应用 且易挥发 易 燃 中原工学院 化学 101 班 王艳华 无机相变材料具有较高的相变温度 从几百摄氏度至几千摄度 因而相变潜热 较大 碱的比热高 熔化热大 稳定性好 在高温下蒸汽压力很低 且价格便 宜 是一种较好的中高温储能物质 混合盐熔化热大 熔化时体积变化小 传 热较好 最大的优点是物质的熔融温度可调 可以根据需要把不同的盐配制成 相变温度从几百摄氏度至上千摄氏度的储能材料 无机物类相变材料的导热系 数也较低 而且还存在与容器的相容性问题 复合相变储热材料的主要优点有 可供选择的无机盐种类多 可同时利用显热 和潜热 蓄热密度大 无需封装 不存在腐蚀问题 不存在过冷和相分离的问 题 其中 无机盐 陶瓷基复合相变储能材料 4 具有独特的蓄热性能和机械性 能 可用于工业余热回收 太阳能 电力调峰等领域 目前备受关注的是 Gl ck A 等和张仁元等研究的用无机盐 陶瓷基复合储能材料代替工业窑炉中的 显热耐火砖和用于空间站太阳能发电系统的蓄热器 四 相变材料在建筑节能中的运用四 相变材料在建筑节能中的运用 相关资料表明 材料的变物性 即材料的导热系数尤其是比热随温度变化 可以改善建筑围护结构性能 使全年室温曲线在冬季或夏季更靠近舒适区 从 而显著节约建筑采暖或者空调能耗 而相变材料是一种典型的变比热材料 因 此如将具有合适相变温度范围的相变材料用作建筑围护结构 建筑热工性能可 显著提高 大大减少建筑物的采暖和空调能耗 5 一 相变材料应用于建筑物具有的几个特点 熔化潜热高 相变过程可逆性好 膨胀收缩性小 过冷或过热现象少 相变温度在 20 左右 导热系数大 储热密度大 无毒 无腐蚀性 成本低 制造方便 与建筑材料相容性好 可被吸收 二 相变材料与建材基体的结合工艺 为使相变材料在建筑上的使用达到最佳节能效果 应根据建筑构造 气候 环境和使用目的等因素 合理布置相变材料和换热方式 固 固相变材料可以采 取与建筑材料直接混合的工艺 利用现有的生产设备或稍加改进 不需更多的 劳动力 可连续作业以进行生产 相变建筑围护结构构筑的难点是如何实现相 变材料与建材基体的融合 在这一方面 AnilT O 和 Sircar K 等的工作比较突 中原工学院 化学 101 班 王艳华 出 结合制备工艺和实际情况 目前相变材料与建材基体的结合工艺 主要有 以下几种方法 1 将相变材料密封在合适的容器内 如 Piia Lamberg 等介绍了将装有水合 盐相变材料的金属管子置入混凝土构件 6 中 以提高建筑物结构的热容 从而在夏季对室内起到降温作用 2 将相变材料密封后置入建筑材料中 近年来得到迅速发展的微囊包封相 变材料技术也属于这一种 如可用尿烷煤焦油做 CaCl2 6H2O 的封接剂 做成轻质水泥砖等 3 通过浸泡将相变材料渗入多孔的建材基体 如石膏墙板 水泥混凝土试块 等 其最大的优点就是可以使传统的建筑材料 如石膏墙板 按要求变成 相变材料建材 4 将相变材料直接与建筑材料混合 如将相变材料吸入半流动性的硅石细 粉中 然后掺入建材中 许多新型固 固相变材料不断开发推动这一工艺 的应用 这种直接混合方法的优点在于结构简单 性质更均匀 更易于 做成各种形状和大小的建筑构件 以满足不同的需要 三 利用相变材料的做出的实际产品 1 付英会以癸酸和月桂酸的低共熔物为相变材料 7 普通石膏板为建筑基 材 使用浸泡法制备出相变储能墙板 确定了相变墙板中相变材料的最佳混合 比 进行了作为建筑构件的相变墙板的吸水性 与所选贴面材料的兼容性等方面 的测试 搭建了相变墙房间试验装置和测试系统 进行了与相变墙房间相同结 构的普通房间和相变房间的对比试验 测试了两个房间的内表面温度和热流 分析了相变墙板对表面温度和热流的影响 2 张东等用 两步法 即首先制作相变储能骨料 再用普通混凝土的制备 技术配制了相变储能混凝土 8 实验结果表明 采用该方法可以在混凝土中储 存足够的液体相变材料 配制的相变储能混凝土的储能功能与商业相变材料相 当 可以满足实际应用的要求 3 德国 BASF 公司研制的相变砂浆 9 含 10 20 的微胶囊化石蜡 用这种 砂浆抹于内隔墙 每平方米墙面含有 750 1500 g 石蜡 每 2 cm 厚的石蜡砂 中原工学院 化学 101 班 王艳华 浆蓄热能力相当于 20 cm 厚的砖木结构墙 这种砂浆已用于德国建筑节能工程 中 4 美国专利公开了一种块集瓷砖结构 10 由石英 花岗岩 石灰石 大理 石 玻璃 陶瓷等的粉末 碎片 颗粒组成的基体以及黏结材料和相变材料组成 可以是单层结构 也可以是多层结构 5 吸湿相变材料 11 在建筑围护结构中的应用研究对于建筑材料的物理性能 和建筑围护结构保温隔热性能的应用具有非常重要的意义 结合建筑物所处自 然气候条件 充分利用氯化钙的吸湿性质及相变特性制造一些建筑材料应用于 建筑围护结构 可以实现对室外太阳辐射的转化和控制 降低室内空气温度和 湿度 改善建筑室内热环境 达到节约能源 再生能源的利用和实现可持续发 展的目的 四 相变材料在建筑中的应用形式 一 冬季白天利用太阳能蓄热 夜晚释放 提高冬季夜间室内温度 减少建 筑冬季夜间采暖能耗 对此类的应用合适的相变温度一般在 15 20 摄氏度 二 我国一些地区 夏季昼夜温差较大 利用夜间通风结合建筑围护结构蓄 冷可以调节建筑室温 提高室内舒适度 降低空调能耗 三 利用夜间廉价电 转移电网高峰负荷 第一种形式属于利用相变材料进行太阳能蓄热的应用 第二种形式属于利用 相变材料进行夜间蓄冷的应用 这两种均属于被动式蓄能应用 而第三种则为 主动蓄能应用 五 相变材料在建筑材料中的发展前景五 相变材料在建筑材料中的发展前景 目前 关于相变材料的研究和应用工作开始不久 它们的分子结晶态及能量 的转变过程机理还有待进一步探明 其热性能 机械性能 化学稳定性也有待 进一步提高 相变储热材料的开发 正逐步进入实用阶段 相变墙体 相变地 板 储能砂浆等的出现将对储能材料的建筑用途有很大的推动作用 现在国外 已经研制出储热地板 国内也有相变储热水泥 并且国内学者正在研究和家具 中原工学院 化学 101 班 王艳华 墙纸 墙面涂料融为一体的相变材料 相变储能建筑材料还处于应用研究阶段 相变材料大量在建筑中使用需要解 决以下一些技术问题 1 开发出多种适合建筑中使用的相变材料 2 建立相 变过程的物理数学模型 数值模拟相变过程 3 相变储能建筑材料的耐久性问 题 主要包括相变材料与建筑材料的相容性 长期稳定性 4 相变储能建筑材 料的经济性问题 对于未来研究相变材料在建筑材料中应用将主要集中于以下几点 1 针对不同的室内外环境条件 开发出具有合适的相变温度与相变焓 在长期 使用变速率的方法 2 研究相变材料与普通建筑材料的结合方式 研究在掺入相变材料后 相过程 中物理化学性能稳定的性价比较高的相变材料 3 研究改善相变材料的导热性能 提高其相变材料与普通建筑材料的相容性及 混合后材料的储热 传热 机械及防火特性 4 在应用了相变建筑节能材料的结构 具有不同热 冷 源型式的供暖 空调 系统 中原工学院 化学 101 班 王艳华 参考文献参考文献 1 杜开明 相变型保温墙体材料的制备及性能研究 D 重庆大学 2009 年 2 李建立 薛平 丁文赢 韩晋民 孙国林 定形相变材料研究现状 J 化工进 展 2007 年 10 期 3 马保国 王信刚 李相国 高小建 郝先成 相变材料及相变储能建筑材料的 研究进展 A 中国硅酸盐学会混凝土水泥制品分会第七届理事会议暨学术交流 大会论文集 C 2005 年 4 黄金 张仁元 无机盐 陶瓷基复合相变蓄热材料的研究 J 材料导报 2005 年 08 期 5 闫全英 用于相变墙体中的相变材料的研究 A 第 13 届全国暖通空调技 术信息网技术交流大会文集 C 2005 年 6 丁益民 阎立诚 薛俊慧 水合盐储热材料的成核作用 J 化学物理学报 1996 年 01