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相变材料在建筑上应用现状
发布时间:2016-04-20        浏览次数:81        返回列表

材料在相变化过程中

可以从环境吸收热量或向环境

放出热量

从而达到热量储存和释放的目的

这就是相变材

Phase

Change

Material

PCM

)。

由于相变材料有独特的潜

热性能

因此利用此特性不仅可制造出各种提高能源利用

率的设施

同时由于其相变时温度近似恒定

可以用于调整

控制周围环境的温度

以降低室内环境的温差变化

如果相

变复合材料制备稳定

可以多次重复使用

[1]

相变材料在太

阳能利用

电子器件

医疗保健产品

航空和航天器材

筑节能等方面都展示出广阔的应用前景

[2]

1

相变材料分类

1.1

按照发生的相态分类

按照发生的相态分类

研究应用广泛的是固

-

液相变材

料和固

-

固相变材料

-

液相变材料既材料由固态相转变

到液态或由液态相转变到固态时

伴随热量的吸收和释放

而固

-

固相变材料是固体由一种相态转变为另一种相态时

发生固体的晶格结构改变而放热或吸热

-

液相变材料主

要优点是价廉易得

相变温度低

适合常温

尤其是建筑

能方面的应用

但其相变储热材料存在过冷和相分离现象

会导致储热性能恶化

易产生泄露

污染环境

腐蚀物品

缺点

与固液相变材料相比

-

固相变材料具有更多优点

可以直接加工成型

不需容器盛放

膨胀系数较小

不存

过冷和相分离现象

毒性腐蚀性小

无泄露问题

同时组成

稳定

相变可逆性好

使用寿命长

装置简单

-

液相变材

料主要缺点是相变潜热较低

价格较高

[3]

1.2

按照发生的相变温度高低分类

按照发生的相变温度高低分类

相变材料按使用温度

150

为高温相变材料

相变温度小于

150

为中低温相变

材料

高温相变材料相变温度和相变潜热都较高

无论是高

温相变材料还是低温相变材料

发生固液相变时

相变材料

处于液态时腐蚀性强

存在泄漏

迁移问题

需要采取一

的制备方法封装材料

[4]

1.3

按照发生相变的材性分类

按照发生相变的材性分类

相变材料主要有有机类相

变材料和无机类相变材料

有机类相变材料按照相变材料

的外形状态是否稳定

可分为定型相变材料和无定型相变

材料在相变化过程中

可以从环境吸收热量或向环境

放出热量

从而达到热量储存和释放的目的

这就是相变材

Phase

Change

Material

PCM

)。

由于相变材料有独特的潜

热性能

因此利用此特性不仅可制造出各种提高能源利用

率的设施

同时由于其相变时温度近似恒定

可以用于调整

控制周围环境的温度

以降低室内环境的温差变化

如果相

变复合材料制备稳定

可以多次重复使用

[1]

相变材料在太

阳能利用

电子器件

医疗保健产品

航空和航天器材

筑节能等方面都展示出广阔的应用前景

[2]

1

相变材料分类

1.1

按照发生的相态分类

按照发生的相态分类

研究应用广泛的是固

-

液相变材

料和固

-

固相变材料

-

液相变材料既材料由固态相转变

到液态或由液态相转变到固态时

伴随热量的吸收和释放

而固

-

固相变材料是固体由一种相态转变为另一种相态时

发生固体的晶格结构改变而放热或吸热

-

液相变材料主

要优点是价廉易得

相变温度低

适合常温

尤其是建筑

能方面的应用

但其相变储热材料存在过冷和相分离现象

会导致储热性能恶化

易产生泄露

污染环境

腐蚀物品

缺点

与固液相变材料相比

-

固相变材料具有更多优点

可以直接加工成型

不需容器盛放

膨胀系数较小

不存

过冷和相分离现象

毒性腐蚀性小

无泄露问题

同时组成

稳定

相变可逆性好

使用寿命长

装置简单

-

液相变材

料主要缺点是相变潜热较低

价格较高

[3]

1.2

按照发生的相变温度高低分类

按照发生的相变温度高低分类

相变材料按使用温度

150

为高温相变材料

相变温度小于

150

为中低温相变

材料

高温相变材料相变温度和相变潜热都较高

无论是高

温相变材料还是低温相变材料

发生固液相变时

相变材料

处于液态时腐蚀性强

存在泄漏

迁移问题

需要采取一

的制备方法封装材料

[4]

1.3

按照发生相变的材性分类

按照发生相变的材性分类

相变材料主要有有机类相

变材料和无机类相变材料

有机类相变材料按照相变材料

的外形状态是否稳定

可分为定型相变材料和无定型相变

相变原材料5.jpg

前言

    材料在相变化过程中,可以从环境吸收热量或向环境放出热量,从而达到热量储存和释放的目的,这就是相变材料(PhaseChangeMaterial,PCM)。由于相变材料有独特的潜热性能,因此利用此特性不仅可制造出各种提高能源利用率的设施,同时由于其相变时温度近似恒定,可以用于调整控制周围环境的温度,以降低室内环境的温差变化,如果相变复合材料制备稳定,可以多次重复使用。相变材料在太阳能利用、电子器件、医疗保健产品、航空和航天器材、建筑节能等方面都展示出广阔的应用前景。


1相变材料分类

1.1按照发生的相态分类

    按照发生的相态分类,研究应用广泛的是固-液相变材料和固-固相变材料。固-液相变材料既材料由固态相转变到液态或由液态相转变到固态时,伴随热量的吸收和释放;而固-固相变材料是固体由一种相态转变为另一种相态时,发生固体的晶格结构改变而放热或吸热。固-液相变材料主要优点是价廉易得,相变温度低,适合常温,尤其是建筑节能方面的应用。但其相变储热材料存在过冷和相分离现象,会导致储热性能恶化,易产生泄露、污染环境、腐蚀物品等缺点;与固液相变材料相比,固-固相变材料具有更多优点:可以直接加工成型,不需容器盛放;膨胀系数较小;不存在过冷和相分离现象,毒性腐蚀性小,无泄露问题。同时组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长,装置简单。固-液相变材料主要缺点是相变潜热较低,价格较高。

1.2按照发生的相变温度高低分类

    按照发生的相变温度高低分类,相变材料按使用温度可分为高温相变材料和中低温相变材料:相变温度大于 150℃为高温相变材料,相变温度小于150℃为中低温相变 材料。高温相变材料相变温度和相变潜热都较高。无论是高温相变材料还是低温相变材料,发生固液相变时,相变材料处于液态时腐蚀性强,存在泄漏、迁移问题,需要采取一定的制备方法封装材料。

1.3按照发生相变的材性分类

    按照发生相变的材性分类,相变材料主要有有机类相变材料和无机类相变材料,有机类相变材料按照相变材料的外形状态是否稳定,可分为定型相变材料和无定型相变材料。定型相变材料主要是高分子材料如高密度聚乙烯(HDPE)等,无定型相变材料主要为多元醇、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。 无机固-液相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等。其中研究最多应用最广的是结晶水合盐类。它们有较大的熔解热和固定的熔点,具有代表性的有: Na2SO4.10H2O、MgCl2.6H2O、CaCl2.6H2O等。结晶水合盐一般 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。


2相变材料在建筑上的应用

2.1固液相变材料的载体

    在建筑领域应用的相变材料主要是固-液相变材料。当发生固-液相变时,由于有液相的存在,经常发生液相迁移或泄漏等问题,无法进行多次循环应用,解决问题的方法主要是将相变材料制备成微细液滴进行胶囊封装,或者利用中空多孔的固体载体,将相变材料通过物理吸附或化学吸附等方法,吸附在多孔颗粒中,再进行封闭,制备复合相变体。 轻质多孔材料中,石膏板、木板、陶粒、混凝土、水泥纤维板、粉煤灰空心球、活性炭人工颗粒材料、硅藻土、粘土,秸秆、高岭土等都是研究应用较多的载体。杨晟等采用泡沫石墨作为固-液体相变材料的载体,研究以石蜡正十八烷制备成泡沫石墨/石蜡相变储热复合材料。余飞等利用秸秆高孔隙率和高吸水性,浸渍无机盐固液相变材料,以改性水玻璃胶结,并模压成型制备秸秆板材,研究无机盐相变材料的过冷性质,稻秆相变材料板材的制备工艺及相变循环耐久性等;肖涛等利用活性炭制备了PEG/活性炭相变材料,研究了复合相变材料对沥青熔点的影响。 仇影等采用二甲基亚砜改性的煤系高岭土为前驱体,将月桂酸和月桂醇作为相变材料,插入高岭土层间制备二元有机煤系高岭土复合相变储能材料;王佼等利用硅藻土制备了相变储能材料,并研究了复合材料的性能;谢成等以木材作为载体,聚乙二醇为复合相变材料制备了复合相变储能材料。

2.2相变材料的封装材料

    固-液相变材料与建筑基体材料的结合方法主要有以下3种:直接加入、浸泡和封装[11]。直接加入法和浸泡法制备的相变储能建筑材料耐久性差,主要表现为相变材料的泄漏和对基体材料的腐蚀。封装方法有效地解决了上述问题。封装包括大体积封装和微体积封装,大体积封装是将相变材料装入管件、袋子、板状容器或其他容器中。这种容器化相变材料已经被市场应用到太阳能领域,但由于其在相变时与环境接触的面积太小使得能量传递并不是很有效。因此微体积封装越来越吸引人们的眼球。微观封装,是指把相变材料的载体做成微胶囊、多孔泡沫塑料或三维网状结构,而将工作物质灌注于其中,或者采用易成膜物质,将相变材料与载体封装成微胶囊,再与传统建筑材料直接复合,工艺简单,化学性能稳定好。

    用于封装的材料主要是易成膜,阻隔性能好,不与相变材料相溶,有较好的耐久性的材料,通常为一些有机成膜材料,如聚乳酸、聚烯烃、酚醛树脂等。王锦成[12]等采用聚乳酸为封装材料,制备了聚乳酸包覆石蜡相变储能材料,并研究了材料的性能与表征。苏磊静分别以低密度聚乙烯 (LDPE)和乙烯-辛烯共聚物(POE)为包覆材料,以石蜡为相变材料,制备了定形相变材料,LiuXing等以十八烷为芯材,尿素-三聚氰胺-甲醛共聚物为囊壁,采用原位聚合法制成了微胶囊相变材料。J.Kim等以十八烷为囊芯,聚脲为囊壁,采用界面聚合法合成囊芯体积比为1:1的定型相变材料微胶囊,并将微胶囊黏结到织物上获得了具有温度调节功能的织物。

2.3相变材料的应用

   近几年,相变材料在建筑上的应用主要体现在建筑节能方面,应用相变材料制备建筑的围护结构、太阳能相变供暖储热系统和相变空调蓄冷系统。相变材料在建筑围护结构的中应用主要研究不同相变材料与墙体材料的复合方式,复合墙体材料的物理性质,围护结构的位置对室内温湿的影响等。 张妮等对复合相变材料储热水泥板的热性能研究,以十八烷为相变材料,以膨胀石墨为支撑结构制备复合相变储热材料,并将其掺入到普通硅酸盐水泥中,研究了储热材料的表观密度、抗压强度,储热水泥板的导热系数和储热性能。结果表明随着复合相变储热材料质量含量的增加,表观密度和抗压强度逐渐下降,导热系数也近似于线性减小。石宪研究了相变储能墙板对室内温湿度的影响,重点研究了相变墙板放置不同位置产生的温湿度差异实验结果表明,相变储能墙板可以调节室内温湿度的变化,而且相变材料在墙材中的不同组合方式对室内温湿度的调节效果也有所不同,其中相变材料位于墙体夹层中时调温效果最好,而相变材料内贴于墙体时调湿效果最好。使用相变储能墙板能明显降低室内温度,能够起到一定的建筑节能效果。郝先成等对相变材料在建筑围护结构中稳定热源和非稳定热源条件下的热效进行了理论推导,并对武汉地区实际应用的功效进行分析。研究结果表明在相同条件下与不加相变材料相比,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℃;当室外温度按正弦波形式变化时,可使室内峰值温度滞后2.65h。丁理峰等利用典型气象年逐时数据,讨论了5个热工分区中典型城市的建筑采用外保温或相变材料后,全年室温和采暖空调能耗的变化情况,研究表明外保温随采暖能耗在整个建筑能耗中比例的增大而愈显重要;内墙为相变材料可使被动式建筑夏季具有较好的舒适度,使主动式建筑夏季空调能耗降低。


3相变材料的应用展望

   相变材料在建筑节能领域的应用能有效的降低建筑能耗,拓展了建筑材料的功能,但在相变材料的热物性、相变材料与建筑材料基体的相容性和经济性、耐久性和多功能等[21]方面应进一步研究,同时应对建筑相变材料的生产工艺简化和生产设备应进一步研究。