相变储能材料在土木工程中的研究现状及应用.pdf

相变储能材料在土木工程中的研究现状及应用狄雪梅洪 军(.新疆大学 建筑工程学院新疆 乌鲁木齐.新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院新疆 乌鲁木齐)收稿日期:作者简介:狄雪梅()女新疆石河子人硕士主要研究方向:土木工程材料通信作者:洪军()男新疆乌鲁木齐人本科高级工程师主要研究方向:土木工程材料摘 要:相变储能材料是一种新型具有可逆性的材料 目前在建筑行业中主要通过与载体结合制备成复合相变材料掺入水泥基材料中使用 对相变材料的类型、相变材料的制备工艺以及性能表征技术进行概述同时对相变材料在土木工程中的最新研究进展进行阐述并指出相变材料在土木工程中未来研究方向关键词:相变材料混凝土导热性能控温中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言人类社会经济飞速发展的同时伴随着不可再生能源的过度消耗以及全球气温上升能源问题日益严峻 人类逐渐将目光聚焦在新能源上开发利用新能源、提高能源利用率已经成为近年来科学界的重要研究课题 相变储热材料()是一种新型的具有可逆性的能源材料 利用相变储热材料不仅能平衡能源需求与能量供应之间的关系还能用于航空、军事、农业、建筑业、化工等诸多领域 最初相变材料应用于建筑领域是在 世纪 年代随后相关测试技术也逐渐发展起来目前中国建筑材料科学研究总院制定的相变复合材料保温工程技术规定已开始试行并且已有复合相变材料在建筑围护结构中开始应用由此可见相变材料在土木工程中的研究速度之快应用前景之广 相变材料的研究现状 相变材料的种类相变材料的类型多种多样其应用范围也不尽相同 在实际应用中选择相变材料时需要着重考虑的以下问题:具有合适的相变温度相变潜热尽可能高导热性能较好发生相变反应时体积变动小不出现过冷和相分离现象热循环能力良好以及化学性质稳定不和周围的材料产生反应原材料没有毒性、价格低廉不具有可燃性从化学组成的角度来看可将其分为 大类如图 所示图 根据化学成分划分相变材料代表性的无机相变材料、无机相变材料具备广泛的应用温度范围良好的热导率和形状稳定性 但存在过冷、相分离以及储热稳定性差等缺点 有机相变材料包括石蜡、脂肪醇以及脂肪酸相变潜热在 /没有过冷和相分离现象性能相对稳定是目前被学者研究最多的一类 复合相变材料主要是指将有机和无机熔融共混而形成的其综合了二者的优势 目前土木工程中选用较多的一些相变材料的热性能指标如表 所示表 土木工程中常用的相变材料相变材料相变温度/相变潜热/()文献 石蜡 癸酸 月桂酸 硬脂酸 肉豆蔻酸 正十八烷 根据化学成分划分相变材料可分为固 固态相变、固 气态相变、固 液态相变和液 气态相变 固 固态相变材料是指材料的改变晶型而发生相变同时产生热传递 固 气态相变材料包括多元醇以及具有晶体结构的金属有机化合物 固 液态相变材料包括无机盐和石蜡等 由于固 气态和液 气态相变材料封装困难且容易泄露所以在建筑工程中选用较多的是固 固态相变材料和固 液态相变材料根据相变温度高低划分可分为低温、中温和高温如表 所示表 根据相变温度划分相变材料相变温度区间典型 材料应用领域低温相变()氟化物、碳酸盐、多元铝合金工业高温余热回收、电 力 削 峰 填谷等 相变材料的制备方法具备相变性能的材料一般情况下是无法单独直接使用的考虑到材料发生相的变化时会影响到其他材料的性能通常需要将其与载体复合形成固定状态的材料加以利用制备复合相变材料的方法主要有:封装法、浸渍法、物理共混法等封装法分为宏观封装和微封装 宏观封装是在选用的容器中(如管、壳、板等)封装相变材料 制作成独特的储热系统 微封装是指微胶囊法是以相变材料为芯体用聚合物或无机物进行包裹具有增大传热面积、提高传热率的优点 等用/包裹正十八烷制备出球形微胶囊相变材料浸渍法是指以具有丰富孔道或者孔隙的基体(膨润土、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等)为载体依靠其毛细作用力吸附熔融状态的相变材料制备成复合相变材料 浸渍法分为真空浸渍法和直接浸渍法 赵思勰等采用真空浸渍的方法制备出月桂酸/膨胀珍珠岩复合相变材料 复合相变材料中月桂酸最高含量可达 物理共混法是指将载体与相变材料混合在一起通常载体选用聚合物材料将固 液相变材料均匀分撒其中在物理效应下合成复合相变材料 刘凤利等采用熔融共混法制备了癸酸 硬脂酸/有机膨胀蛭石复合相变材料相变温度为 相变潜热为 /经 次热循环后热稳定性良好 相变材料的表征手段目前学者们用于表征相变材料的方法有差示扫描量热法()、热分析法()、分析、扫描电镜法()、射线衍射()和傅里叶变换红外光谱仪()和热分析法主要用来检测相变材料吸放热时的温度区间以及转移的热量大小 分析法是用来研究相变材料在持续升温后热稳定性 时间温度曲线法是用来测试相变时间随后计算出相变材料的导热系数 用 方法来观察多孔介质材料上相变材料的浸渍情况以判断是否渗入均匀 等给出 射线衍射 分析方法通过分析衍射波判断复合制备后是否有新物质生成 等给出复合相变材料的 吸收光谱检验是否具有化学键合的特性 相变材料在建筑领域中研究方向)制备出热学性能更优的复合相变材料 由于相变材料种类较多可选用的相变载体也很丰富学者们将不同的相变材料熔融混合后采用不同的方法制备出导热系数和热稳定性均提高的复合相变材料)提高储能系统传热量 根据传热公式 可知提高传热量的方法有提高材料的导热系数、增大传热接触面积、平衡换热温差 学者们开始研究在相变材料中加入导热系数大的材料(金属氧化物、纳米颗粒、碳纤维、金属泡沫等)、增大相变材料与换热流体的面积(添加翅片、添加热管、微胶囊技术、复合材料吸附技术)和均匀温差 等选用棕榈酸和 纳米粒子制备了纳米复合相变材料当掺入量为 时导热系数提升了 相变储能材料在建筑领域中的应用 建筑节能将相变材料掺入水泥基材料中制成的相变储能墙体当夏季室内温度超过高于相变材料相变温度时墙体内的相变材料会吸收室内的热量发生熔化从而降低室内最高温度提高房屋舒适度夜间室温比相变温度低时墙壁释放热量保持房间内部气温从而达到智能调控室温的目的 一定程度上减小了空调系统的使用 .等在墙板中掺入相变材料硬脂酸丁酯的使室内最高温度下降 防治大体积混凝土温度裂缝在混凝土中由于其热传导性能差因此在浇筑初期由于水化作用而引起的热量聚集会导致其内部温度迅速升高 从热胀冷缩的理论出发当混凝土具有较大的断面时混凝土表层的热量扩散速度比混凝土内部要快得多从而使混凝土外部出现了明显的拉应力 当混凝土内部温度逐渐降低时导致混凝土内部形成压应力 混凝土属于脆性材料抗拉强度较低因此混凝土在早期水化过程中容易出现表面裂缝或者贯穿裂缝 掺入相变材料可以解决混凝土早期水化热量聚集的问题当热量聚集温度上升时相变材料吸收热量后由固态转变为液态使大体积混凝土内部温度上升速度和温度下降速度变缓起到良好的控温作用 杨勇康等在混凝土中掺入相变材料制备相变混凝土结果表明相变材料能抑制住大体积混凝土内部温度的上升降低了混凝土内部温度应力防止混凝土产生温度裂缝但是对强度将会有较大影响 在水泥混凝土路面中的应用由于水泥混凝土路面使用寿命长、施工简便、材料方便等特点已被广泛地用于国内外公路建设 水泥混凝土属于不可塑的气敏材料 当气温改变时道路的体积会发生较大的改变路面会因膨胀和收缩而变形 一旦由于温度变化而引起的路面变形受到约束并且无法自由收缩时路面将产生巨大的温度应力这很容易导致水泥混凝土路面有裂缝出现 在新拌水泥混凝土中添加相变材料则相变材料的潜热储存能力可以吸收大量的水泥水化热从而使水泥混凝土路面具有更高的强度和耐久性 未来研究方向将相变材料应用在建筑领域内帮助建筑领域解决了一些难题同时也带来了一些问题 未来相变材料在建筑领域内的研究主要集中在以下方面)相变材料与建筑材料之间的界面胶结性将相变材料对水泥基材料力学性能或耐久性能的影响降至最小)研究相变材料的制备工艺制备出储热性能更好的复合相变材料:参 考 文 献:李继业姚虹晁灿.建筑节能工程材料.北京:化学工业出版社.():./.:():./.():.(下转第 页)温度应控制在合适范围内才能保证室内舒适度要求 对于严寒地区外窗保温采用外包铝板保温方式 由于门窗热桥问题冬季需要增加辅助设备取暖时会产生额外耗能 而采用铝板外保温方式可有效解决这一问题同时提高了住宅的节能性和舒适性 此外外墙外表面温度与室内环境温度之差也是衡量墙体保温效果的重要指标 外墙外保温外墙外保温是指建筑外墙外侧直接铺设保温材料并且直接粘贴或者喷涂粘结剂的方式 外墙外保温体系具备节能、隔热、防水、耐久等优点保温效果好并具有良好的经济性可以有效提高墙体的保温隔热性能 相比内墙及地面装修外保温具有施工简便、投资少的优点在严寒、寒冷地区可作为主导的节能措施之一 在被动式住宅中常用的外墙外保温层材料有:聚苯乙烯板聚氨酯硬泡挤塑板复合硅酸盐板岩棉 对于不同形式的外墙外保温体系应综合考虑其材料成本、施工难度、维护管理等因素 外保温施工过程中对环境和工人的影响较大因此应尽量选择质量可靠、稳定性好的施工材料 同时需要对施工过程进行监控和管理对材料进行定期检测如有问题及时整改并修复 在实际施工中如果材料不合格、性能指标达不到标准应坚决禁止使用 对于施工过程中出现问题的部位应及时采取补救措施 另外还要注意外保温材料与主体结构之间应保持一定距离和厚度保证整个围护结构具有良好的保温性 外窗保温外窗是整个建筑中热损失最大的部分其传热系数约占整体传热系数的 而玻璃的导热系数在 /()以上因此外窗保温设计成为被动式建筑中不可忽视的部分 对于被动式住宅门窗是耗能的主要设备之一寒冷地区冬季室外气温低为了减少采暖能耗通常采用外包铝板保温方式来保证外窗的保温性能 严寒地区铝板外保温技术比较成熟其在我国北方地区得到广泛应用 严寒地区铝板外保温系统构造设计应符合现行国家标准民用建筑门窗节能设计标准()的要求包括型材、玻璃、胶条等部件的选用玻璃和胶条之间的气密性必须符合标准要求 对于普通住宅外窗节能设计建议采用中空玻璃内填充惰性气体(如氩气)或空气层(如、)来保证其性能指标并选择适当厚度的玻璃来保证外窗保温性能 结束语被动式建筑是一种以保护环境为前提、以利用可再生能源为手段从而达到节约能源提高室内环境质量的建筑被动式建筑是未来我国住宅建筑节能发展的主要方向其设计、建造技术具有显著优势 但是目前我国北方地区的被动式住宅的研究和推广应用仍处于探索阶段其相关设计技术仍需要不断完善 本文结合我国北方地区的气候特点以及该地区被动式住宅特点总结出寒冷地区被动式住宅的设计对策 本文在总结分析现有研究成果的基础上针对寒冷地区被动式住宅设计提出了相应评价指标体系以期对我国北方地区被动式住宅建筑的研究提供借鉴和参考:参 考 文 献:吴纯杰.太阳能富集地区农村住宅被动式设计研究.成都:西南交通大学 张树亮.寒冷地区集合式住宅被动式设计方法研究.天津:河北工业大学 王雪英许东吴雅君等.寒冷地区被动式太阳能住宅设计策略.辽宁工业大学学报(自然科学版)():张树亮高鹏.被动式设计在寒冷地区住宅设计中的应用.科技信息():李东辉.寒冷地区被动式多层住宅设计策略研究.大连:大连理工大学(上接第 页)./.:.李彦山汪树军史全等.储能相变材料制备方法研究进展.功能材料():.:.赵思勰晏华汪宏涛等.月桂酸/膨胀珍珠岩复合相变材料的制备与热性能研究.材料导报():.刘凤利胡国峰刘俊华等.癸酸硬脂酸/有机膨胀蛭石相变蓄热砂浆的制备与性能研究.功能材料():./.:.:.:.():.杨勇康张雄 陆沈磊.相变材料用于控制混凝土水化热的研究.混凝土与水泥制品():.