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1按照發(fā)生相變的材性分類
按照發(fā)生相變的材性分類,相變材料主要有有機(jī)類相變材料和無(wú)機(jī)類相變材料,有機(jī)類相變材料按照相變材料的外形狀態(tài)是否穩(wěn)定,可分為定型相變材料和無(wú)定型相變材料。定型相變材料主要是高分子材料如高密度聚乙烯(HDPE)等,無(wú)定型相變材料主要為多元醇、石蠟、脂肪酸、瀝青等。有機(jī)類相變材料具有固體成型好、不易發(fā)生相分離及過(guò)冷現(xiàn)象、腐蝕性較小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但是存在著導(dǎo)熱系數(shù)小,熔點(diǎn)較低,不適于高溫環(huán)境中應(yīng)用,且易揮發(fā)等缺點(diǎn)。無(wú)機(jī)固-液相變材料主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等。其中研究最多應(yīng)用最廣的是結(jié)晶水合鹽類。它們有較大的熔解熱和固定的熔點(diǎn),具有代表性的有:Na2SO4.10H2O、MgCl2.6H2O、CaCl2.6H2O等。結(jié)晶水合鹽一般為中性,價(jià)格便宜,導(dǎo)熱系數(shù)大,儲(chǔ)熱密度大,是中、低溫相變材料的重要一類。但是,無(wú)機(jī)相變材料通常存在著相分離、過(guò)冷等現(xiàn)象,添加增稠劑和晶體結(jié)構(gòu)改變劑通常可以有效的解決相分離現(xiàn)象,添加成核劑可以解決過(guò)冷現(xiàn)象。另外,水合鹽還有腐蝕性,不利于封裝。
2相變材料在建筑上的應(yīng)用
2.1固液相變材料的載體在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的相變材料主要是固-液相變材料。當(dāng)發(fā)生固-液相變時(shí),由于有液相的存在,經(jīng)常發(fā)生液相遷移或泄漏等問(wèn)題,無(wú)法進(jìn)行多次循環(huán)應(yīng)用,解決問(wèn)題的方法主要是將相變材料制備成微細(xì)液滴進(jìn)行膠囊封裝,或者利用中空多孔的固體載體,將相變材料通過(guò)物理吸附或化學(xué)吸附等方法,吸附在多孔顆粒中,再進(jìn)行封閉,制備復(fù)合相變體。輕質(zhì)多孔材料中,石膏板、木板、陶粒、混凝土、水泥纖維板、粉煤灰空心球、活性炭人工顆粒材料、硅藻土、粘土,秸稈、高嶺土等都是研究應(yīng)用較多的載體。楊晟等采用泡沫石墨作為固-液體相變材料的載體,研究以石蠟正十八烷制備成泡沫石墨/石蠟相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料。余飛等利用秸稈高孔隙率和高吸水性,浸漬無(wú)機(jī)鹽固液相變材料,以改性水玻璃膠結(jié),并模壓成型制備秸稈板材,研究無(wú)機(jī)鹽相變材料的過(guò)冷性質(zhì),稻稈相變材料板材的制備工藝及相變循環(huán)耐久性等;肖濤等利用活性炭制備了PEG/活性炭相變材料,研究了復(fù)合相變材料對(duì)瀝青熔點(diǎn)的影響。仇影等采用二甲基亞砜改性的煤系高嶺土為前驅(qū)體,將月桂酸和月桂醇作為相變材料,插入高嶺土層間制備二元有機(jī)煤系高嶺土復(fù)合相變儲(chǔ)能材料;王佼等利用硅藻土制備了相變儲(chǔ)能材料,并研究了復(fù)合材料的性能;謝成等以木材作為載體,聚乙二醇為復(fù)合相變材料制備了復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。
2.2相變材料的封裝材料固-液相變材料與建筑基體材料的結(jié)合方法主要有以下3種:直接加入、浸泡和封裝。直接加入法和浸泡法制備的相變儲(chǔ)能建筑材料耐久性差,主要表現(xiàn)為相變材料的泄漏和對(duì)基體材料的腐蝕。封裝方法有效地解決了上述問(wèn)題。封裝包括大體積封裝和微體積封裝,大體積封裝是將相變材料裝入管件、袋子、板狀容器或其他容器中。這種容器化相變材料已經(jīng)被市場(chǎng)應(yīng)用到太陽(yáng)能領(lǐng)域,但由于其在相變時(shí)與環(huán)境接觸的面積太小使得能量傳遞并不是很有效。因此微體積封裝越來(lái)越吸引人們的眼球。微觀封裝,是指把相變材料的載體做成微膠囊、多孔泡沫塑料或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而將工作物質(zhì)灌注于其中,或者采用易成膜物質(zhì),將相變材料與載體封裝成微膠囊,再與傳統(tǒng)建筑材料直接復(fù)合,工藝簡(jiǎn)單,化學(xué)性能穩(wěn)定好。
用于封裝的材料主要是易成膜,阻隔性能好,不與相變材料相溶,有較好的耐久性的材料,通常為一些有機(jī)成膜材料,如聚乳酸、聚烯烴、酚醛樹(shù)脂等。王錦成等采用聚乳酸為封裝材料,制備了聚乳酸包覆石蠟相變儲(chǔ)能材料,并研究了材料的性能與表征。蘇磊靜分別以低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯-辛烯共聚物(POE)為包覆材料,以石蠟為相變材料,制備了定形相變材料,LiuXing等以十八烷為芯材,尿素-三聚氰胺-甲醛共聚物為囊壁,采用原位聚合法制成了微膠囊相變材料。J.Kim等以十八烷為囊芯,聚脲為囊壁,采用界面聚合法合成囊芯體積比為1:1的定型相變材料微膠囊,并將微膠囊黏結(jié)到織物上獲得了具有溫度調(diào)節(jié)功能的織物。
2.3相變材料的應(yīng)用近幾年,相變材料在建筑上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在建筑節(jié)能方面,應(yīng)用相變材料制備建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能相變供暖儲(chǔ)熱系統(tǒng)和相變空調(diào)蓄冷系統(tǒng)。相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中應(yīng)用主要研究不同相變材料與墻體材料的復(fù)合方式,復(fù)合墻體材料的物理性質(zhì),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位置對(duì)室內(nèi)溫濕的影響等。張妮等對(duì)復(fù)合相變材料儲(chǔ)熱水泥板的熱性能研究,以十八烷為相變材料,以膨脹石墨為支撐結(jié)構(gòu)制備復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,并將其摻入到普通硅酸鹽水泥中,研究了儲(chǔ)熱材料的表觀密度、抗壓強(qiáng)度,儲(chǔ)熱水泥板的導(dǎo)熱系數(shù)和儲(chǔ)熱性能。結(jié)果表明隨著復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料質(zhì)量含量的增加,表觀密度和抗壓強(qiáng)度逐漸下降,導(dǎo)熱系數(shù)也近似于線性減小。
石憲研究了相變儲(chǔ)能墻板對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響,重點(diǎn)研究了相變墻板放置不同位置產(chǎn)生的溫濕度差異實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相變儲(chǔ)能墻板可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的變化,而且相變材料在墻材中的不同組合方式對(duì)室內(nèi)溫濕度的調(diào)節(jié)效果也有所不同,其中相變材料位于墻體夾層中時(shí)調(diào)溫效果最好,而相變材料內(nèi)貼于墻體時(shí)調(diào)濕效果最好。使用相變儲(chǔ)能墻板能明顯降低室內(nèi)溫度,能夠起到一定的建筑節(jié)能效果。郝先成等對(duì)相變材料在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定熱源和非穩(wěn)定熱源條件下的熱效進(jìn)行了理論推導(dǎo),并對(duì)武漢地區(qū)實(shí)際應(yīng)用的功效進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明在相同條件下與不加相變材料相比,室外溫度升高10℃時(shí),加入相變材料可削減室內(nèi)峰值溫度約4℃;當(dāng)室外溫度按正弦波形式變化時(shí),可使室內(nèi)峰值溫度滯后2.65h。丁理峰等利用典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù),討論了5個(gè)熱工分區(qū)中典型城市的建筑采用外保溫或相變材料后,全年室溫和采暖空調(diào)能耗的變化情況,研究表明外保溫隨采暖能耗在整個(gè)建筑能耗中比例的增大而愈顯重要;內(nèi)墻為相變材料可使被動(dòng)式建筑夏季具有較好的舒適度,使主動(dòng)式建筑夏季空調(diào)能耗降低。
3相變材料的應(yīng)用展望
相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用能有效的降低建筑能耗,拓展了建筑材料的功能,但在相變材料的熱物性、相變材料與建筑材料基體的相容性和經(jīng)濟(jì)性、耐久性和多功能等方面應(yīng)進(jìn)一步研究,同時(shí)應(yīng)對(duì)建筑相變材料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化和生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)進(jìn)一步研究。
作者:曹洪吉?jiǎng)挝唬航K建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇省建筑節(jié)能工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心