相变材料的实际应用

相变材料的实际应用（精选八篇）

相变材料的实际应用 篇1

1相变材料

有的材料物理状态发生变化时, 其自身的温度在相变完成前几乎维持不变, 但吸收或释放的潜热却相当大。例如, 我们最常见的水, 当温度降至冰点, 水将吸收并储存大量的冷能量, 而在熔化过程中, 水将吸收储存大量的热能量。冰的数量 (体积) 越大, 溶解过程需要的时间越长。这种材料就被称为相变材料。

2相变材料分类

相变材料主要包括有机、无机和复合三类。有机类主要包括醋酸、石蜡和其他有机物;无机类主要有熔融盐类、结晶水合盐类、金属或合金类等;而复合相变储热材料兼顾两者优点, 又恰恰避开一些缺陷, 因此研制复合相变储热材料已成为储热材料领域的热点研究课题。

3相变材料应用

3.1航空航天

在广袤的宇宙空间中, 环境条件极其恶劣。以温度而言, 有光照的地方能有100℃~300℃, 而背阴地温度则低至-100℃以下, 如此大的温差, 活动在太空中的宇航员们如果没有恒温措施来保障, 生命将不复存在。而相变材料以其优良的蓄热性能, 被广泛应用到宇航服以及返回舱外壳上。同时, 相变材料还能帮助卫星等设备工作在基本恒温的环境中, 也可以作为吸收储存的有效装置。

3.2建筑

相变蓄能维护结构和供暖储能系统是相变材料利用到建筑上的具体表现[1]。

3.2.1相变蓄能维护结构

将相变材料掺入建筑材料中, 可以大大增强围护结构的蓄热功能, 使得少量的材料就可以储存大量的热量。由于它的储热作用, 室内外之间的热流波动幅度被减弱, 作用时间被延迟, 从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷, 达到节能的目的[2]。

3.2.2供暖储能系统

用相变蓄热材料制作地板, 在这种辐射供暖系统中, 我们发现, 它的热舒适性好, 所需热媒的温度较低, 当以热泵、太阳能集热器等作为热源时, 这是一种理想方式。在这种低温辐射方式供暖的室内, 垂直的温度梯度小, 水平的温度分布均匀, 可使人体获得极其理想的热舒适感, 符合人体生理需要[1]。

3.3服装

鉴于相变材料优良的蓄热保温性能, 它在服装产业的作用不言而喻。按照之前的对相变材料原理的解释, 同样在它运用到服装时, 当人体或是外界环境温度过高 (超过相变材料相变温度点) , 材料发生相变, 吸收热量, 给人体降温;当人体或外界温度过低 (低于相变温度相变温度点) , 材料发生逆相变, 放出热量, 给人体保暖。这种热转换在服装内起着缓冲作用, 可以减小皮肤温度变化, 延长穿着者的热舒适感[3]。

3.4制冷设备

传统的制冷设备, 比如冰箱、冷藏室、冷库、空调等, 不仅大量耗电, 而且不环保。如果将传统设备上的压缩机换成相变材料外层, 利用相变材料的优良性能, 可以节能60%以上。具体来讲, 如果长途运输需要通过维持低温保证运输品的新鲜度, 相变材料的用途大大体现, 尤其是在长途运输蔬菜肉食或者医用组织时, 这种相变材料设备不但省能无耗, 而且无毒无公害。

3.5军事

相变材料一旦运用于军事, 装备于部队, 将是相变材料另一重大用武之地。

3.5.1热防护作用

很多军用设施, 无论是作战武器, 还是应用装备, 在使用过程中不可避免地会出现发热现象。而机械过热将会影响使用, 比如影响精度, 降低速度, 操作迟缓等。所以军用机械的热防护措施极为重要。而相变材料这一简洁无耗的防护措施自然得到青睐。

3.5.2反热追踪

现代侦查技术常常利用红外线热遥感追踪技术, 如果机械或人直接暴露在空气中, 将十分容易被检测到, 从而暴露身份, 可能会导致十分严重的后果。而利用相变材料使温度保持恒定, 相当于在敌人的红外检测场内实现了隐身的功能, 这对反热追踪作战有十分重要的意义。

4新型相变蓄热材料的展望

能源问题是21世纪人类面临的重大问题, 人类生产生活的每个方面都离不开能源, 而想方设法地节约能源, 提高能源的利用率, 是人类要面临的重大课题。同时, 随着世界经济的快速发展, 人类对能源的需求越来越高, 因为地球上的能源是有限的, 所以蓄热节能材料对能源的合理使用和节约等问题就显得越来越有实际意义。新型相变材料的研究刚刚起步, 目前有些高热力学性能和化学稳定性能好的多功能相变材料, 并且如何将相变蓄热材料推向产业化生产, 这些将是广大材料研究人员共同努力的方向。

摘要：相变材料凭借自身的优良蓄热性能, 在人类生产生活的各个领域有着极其丰富的应用, 尤其对环境友好和资源节约的社会理念而言, 相变材料更是大显身手。

关键词：相变材料,应用,展望

参考文献

[1]张亮, 晏华, 余荣升, 等.相变材料的研究进展及其在建筑领域的应用综述[J].材料开发与应用, 2010, 25 (1) :69-73.

[2]崔巍.相变蓄能材料在建筑节能中的应用[J].节能环保技术, 2007, (05) :21-231.

相变材料在绿色储粮中的应用探讨 篇2

关键词：相变材料；热能；冷能；绿色生态储粮

中图分类号：S229+.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）03-0054-02

1 相变储能材料特点

相变材料（Phase Change Materials，PCM）也称相变储能材料，属于能源材料范畴。概括来说，是指能被利用其在物态变化时所吸收（放出）的大量热能用于能量储存的材料。简单说，就是指那些在相变时储能密度高、性能稳定、相变温度适合和性价比优良，能够被用于相变储能技术的材料。

相变储能技术是以相变储能材料为基础的高新技术，储能密度大且输出的温度、能量相当稳定，具有显热储能无法比拟的优势。储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的有效手段。能量储存方式包括机械能、电磁能、化学能和热能储存等。热能储存又包括显热储存和潜热储存，显热储存是利用材料所固有的热容进行的；潜热储存又称相变储能，是利用被称为相变材料的物质在物态变化时吸收或放出大量潜热进行的。

相变储能材料是基础，因此，相变储能技术领域首先研究和开发相变潜热大、性能稳定和性价比高的相变材料。其次是应用相变材料，主要涉及储能元件、储能换热器和储能系统的相变传热，相变材料与换热流体的对流耦合换热，材料的腐蚀与防护，系统设计等方面。除对传统的无机盐、无机水合盐、有机和金属相变材料进行研究外，近年来，对新相变储能材料的研制呈现从无机到有机、从单一成分到复合材料、从宏观到纳米/微胶囊化的趋势，定形相变材料、相变材料微胶囊化、功能储能流体等及其在建筑、太阳能等领域的应用成为研究热点。但在粮食行业的应用还处于空白状态，有待研究探讨。

2 绿色储粮现状与存在的问题

绿色生态储粮技术，即以储粮生态学为理论基础，在粮食储藏过程中尽量少用或不用化学药剂，以调控储粮生态因子为主要手段，从而保护环境、避免储粮污染、确保储粮安全、使人们吃到新鲜营养可口无毒放心粮的技术。

粮食低温储藏技术是绿色生态储粮技术的首选应用方法和主要发展方向。目前，储粮仓大多存在仓体与仓顶隔热效果差、易受外界条件影响等缺点，粮食表层温度易受其影响，对绿色生态储粮极为不利。所以在绿色储粮过程中，应重点解决粮食在大型仓储库房内散储时存在的粮堆温差变化大、仓房保温隔热效果差、温度调控能源消耗大等突出问题。

自20世纪50年代起，我国的粮食仓储科技人员逐步开展利用自然低温以及自然低温辅助机械通风进行低温储粮的研究和实践。随着科技发展，自80年代起，借助制冷剂和空调实现机械制冷的低温储粮技术相继出现，但因受到季节、地域、费用及仓储设施条件等限制，利用自然低温条件及机械制冷设备实现粮食常年低温储藏的技术，在我国至今没有得到大规模推广应用。

直到1998年后，为改善仓储设施，国家利用343亿元国债资金在全国范围内新建500亿kg仓容的国家粮食储备库。这些新建库全部配置了整仓通风系统、粮情检测系统等装备，其中首批国储库建设项目还配备了谷物冷却机，为低温储藏技术在我国进一步推广应用奠定了良好基础。我国初步建立了包括自然低温、机械通风低温、谷物冷却机低温三项主要技术措施和以改造仓房增强隔热保温效果为重点的低温储粮技术体系。低温储粮在我国应用还较少，真正实现全年低温储藏的粮食也很少。究其原因，主要是低温储粮成本过高。为此，有关人员进行了多方面的研究。

3 相变材料在绿色储粮中应用的可行性

通过对相变储能材料在墙体隔热、粮面压盖等部位的能量转换机理研究，揭示相变储能材料在绿色生态储粮温控系统能量转化规律，以及不同季节仓内温度变化规律，提出相变储能材料适合绿色生态储粮调控系统工艺技术参数，确定一种经济适用、能量转化效率高、保温隔热效果好、适于绿色生态储粮温控技术的新材料、新技术。

具有合适的相变温度和较大相变潜热的物质，一般情况下均可作为相变储热材料，但在粮食储藏的应用上必须综合考虑材料的物理和化学稳定性，以及熔融材料凝固时的过冷度对材料的腐蚀性、安全性及价格水平。可应用于粮食储藏的相变储能材料必须是无毒无害的物理材料，目前的应用技术尚不成熟。可应用在粮仓中的相变材料分：无机相变材料、有机相变材料、有机与无机混合相变材料。其优点是：比普通谷物冷冻机成本低，全年温度平稳，不易出现结露、结霜等现象。目前，市面上的相变材料越来越多，可以应用到粮食储藏的相变材料也越来越多，成本会随之降低。

3.1 无机相变材料

该类相变储能材料主要是利用固体状态下不同种晶型的转变进行吸热和放热，通常它们的相变温度较高，适合于高温范围内的储能和控温。优点是使用范围广、价格便宜、导热系数较大、溶解热大、体积储热密度大、一般呈中性。

3.2 有机相变材料

在固体状态时成型性较好，一般不容易出现过冷和相分离现象，材料的腐蚀性较小，性能比较稳定，安全。

3.3 有机与无机混合相变材料

大部分用无机材料来平衡温度，少部分用有机材料进行调整，实现阶梯性降温，这样能降低成本和增加在粮库中应用的推广价值。

在实际应用过程中，要找到满足理想条件的相变材料并不困难。因此人们往往先考虑合适的相变温度和较大的相变热，再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

4 结语

随着科技发展，各行各业都不断有新技术涌出。粮食是关系民生建设的基础，绿色安全的生态储粮技术更是重中之重。在粮食领域，相变储能材料不但可以有效降低仓内温度、改善粮仓环境，也为绿色储粮奠定了基础。因此，相变储能材料在将来必定有着广阔的应用前景和市场需求。

相变材料的特性及伪装应用探析 篇3

1 相变材料的分类

根据相变材料的定义,具有合适相变温度和较大相变潜热的材料均可作为相变材料。

但是实际应用中还需综合考虑材料的物理和化学稳定性、过冷度、腐蚀性、安全性以及价格水平等因素。目前,可利用的相变物质多达2万余种。美国道·化学公司通过系统筛选,确定了其中约200种具有实际应用价值的材料[5]。根据Abhat[6]、Kenisarin[7]、Dincer[8]、Farid[9]等的研究以及相变材料当前的研究进展,可将相变材料进行分类,如图1所示。从图1可以看出,相变材料主要包括固-气、液-气、固-液和固-固相变材料。当前研究和使用较广泛的是固-液和固-固相变材料,这主要是因为使用固-气、液-气相变材料时,在固-气、液-气转变过程中材料的体积显著增大,不利于相变材料的封装。

2 相变材料的特性

2.1 相变材料的相变潜热

材料的熔化过程是典型的相变过程,相变过程可以通过自由能差表达[10]:

ΔG=ΔH-TmΔS (1)

式中:H为焓;Tm为相变温度(K);S为熵。

平衡状态时ΔG=0,则:

ΔH=TmΔS (2)

由式(2)可知,相变温度Tm固定,相变材料的相变潜热(ΔH为相变焓差,相变过程为恒压过程,非体积功为零,相变焓为相变热)与熵的变化成正比。相变过程的显著特点是将外界输入的能量转为熵值的增加,作为潜热储存在材料(相变后)中,而不是以显热的形式引起材料温度的升高。

2.2 相变材料的封装

相变材料在应用过程中由于存在相的变化,因而必须通过容器进行封装,封装容器对相变材料起到容纳、保护、传导和操作的作用。由于相变材料在使用过程中大部分情况是固-液或液-固转变,因此封装容器可保证相变材料稳定,其次可保证相变材料不泄露,起到保护环境和人的作用。封装容器的材料一般要求具有良好的热传导性能和高的表面与体积比,从而顺利实现相变材料与环境的能量交换。

相变材料的封装形式主要有整体封装(见图2(a))、分散封装(见图2(b))和胶囊封装(见图2(c)、(d))。胶囊封装是将相变材料密封在性质稳定的微小“容器”中,从而实现相变材料的永久固态化,使得相变材料的使用、储存和运输更方便[11]。胶囊封装技术是当前相变材料的主要封装形式。容器的粒径小于1μm的称为纳胶囊;粒径在1～1000μm之间称为微胶囊;粒径大于1mm的称为大胶囊[12]。

3 相变材料的伪装应用分析

相变材料的相变过程伴随相变潜热的吸收(释放),同时其吸(放)热密度大,因而储能是其主要应用之一。此外,相变材料在吸放热的过程中,其相变温度恒定,在军事热红外伪装领域中,可利用相变材料特有的控温能力,通过调控目标的温度,进而控制目标的热红外辐射强度,实现目标的红外隐身,因而相变材料在热红外伪装领域具有广阔的应用前景。

3.1 相变材料的伪装原理

凡是温度高于绝对零度的物体均有红外热辐射,因而自然界任何实际物体都是红外辐射源,其单位表面积向半球空间发射的全波段辐射功率与被测目标表面温度T和材料表面发射率ε相关:

M=εσT4 (3)

式中:σ为斯蒂芬-波耳兹曼(Stefen-Boltzmann)常数;ε=0～1,是实际物体与同温度黑体(理想辐射体,在任意波长都能全部吸收入射能量而不发生反射)在相同条件下的辐射功率之比。

红外热成像技术就是利用红外辐射原理,通过测取目标物体表面的红外辐射能,计算出物体表面温度,再将目标及其环境背景的温度分布转换为形象直观的热图像。从热成像技术原理和式(1)可以发现,降低物体红外暴露征候的技术途径有:(1)降低物体表面发射率;(2)控制物体表面温度。从式(3)可以看出,M与T的四次方成正比,对于温度明显偏高的目标,控制物体表面温度可以更有效地达到伪装隐身的目的[13]。

3.2 相变材料的伪装应用研究现状

目前国内外对于相变材料在伪装隐身领域的研究还不是很多,主要集中在伪装纺织品、热红外假目标和工程控温几个方面,但是随着高性能相变材料的不断出现,相变材料在伪装领域的研究和应用日益加强。

(1)在热红外伪装纺织品中的应用研究

在热红外伪装中,相变材料主要集中在单兵红外伪装服和红外伪装网的应用上,而这两种伪装材料都是以纺织品为基础,因此,目前国内外对红外相变伪装材料的应用研究有相当一部分集中在对热红外伪装纺织品的研究上[14]。邓春涛等[15]将内装相变材料的微胶囊分散在红外吸收涂料中,并用该涂料对织物进行涂层整理,结果表明将经过涂层整理的织物覆盖在一根加热的棒上,用前视红外雷达(FLIR)观察,雷达未能探测到该棒。

李发学等[14]研究了相变材料在热红外伪装纺织品中的应用,制备了PG/NPG(三羟甲基乙烷/新戊二醇)体系,并对不同配比条件下制备的样品进行了DSC(差示扫描量热仪)测试,研究其相变温度随配比的变化规律;随后将选取的具有合适相变温度的PG/NPG体系填充涤纶中空纤维,并分析优化了填充条件,测试了填充相变材料后的相变纤维的相变温度,进而制成20cm×20cm的试样,并以该试样覆盖人体胳膊,利用热像仪拍下不同时刻的目标热图。结果表明,与普通纤维制品覆盖的胳膊的热图相比,相变纤维的热红外伪装效果明显,有效伪装持续时间达到100min。

(2)在热红外假目标中的应用研究

示假也是伪装隐身的一种重要手段,假目标在热红外波段的示假效果主要是通过对红外热点的模拟来实现的,当前的难点在于对目标红外热性变化过程的模拟,而利用相变材料模拟目标的红外热性变化是解决该问题的一种有效方法。

吴晓森等[16]探讨了相变材料应用于红外热成像假目标的可行性,研究表明相变材料具有良好的红外特征模拟性能,能够满足热红外成像假目标的需求,可用于生产新型红外成像假目标,也可用于对现有假目标进行改装,提高红外热成像仿真性能。孙浩等[17,18]利用相变材料的相变潜热来模拟目标的表面温度特征,实现了目标的红外仿真示假。他们选用石蜡作为芯材,以两种不同的微胶囊化工艺(原位聚合法与复凝聚法)制备出石蜡微胶囊相变材料,对微胶囊的成型方式进行了初步研究,认为涂层方式由于受涂层厚度和微胶囊相变材料含量的制约而难以满足长时间红外热成像示假的要求。他们还利用40g微胶囊相变材料制成20cm×15cm、厚3mm的简易热模块,加热该模块后,能在14～20min内保持在高于环境温度10℃以上,从而可以达到较好的红外热成像示假效果。

孙翠玲等[19]以过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,利用丙烯酸(AA)极性单体与石蜡进行接枝共聚反应,制备了丙烯酸接枝石蜡,用红外光谱仪和差示扫描量热仪对丙烯酸接枝石蜡的结构和热性能进行了分析,结果表明丙烯酸接枝后的石蜡相变温度提高了12.8%,相变潜热提高了36.2%,并分析了接枝共聚物分子结构与其相变温度和潜热的关系。

(3)在工程控温中的应用研究

利用相变材料相变吸热的特点,将其作为吸热材料,控制发热目标表面温度,降低目标红外暴露概率,是相变材料在伪装隐身领域的又一重要应用。邢宏龙等[20]对微胶囊相变材料在红外隐身中的应用进行了研究,认为通过改变、调节相变物质的含量、组成等,可使相变材料尽可能多地吸收目标放出的热量,保持军事目标的温度与周围环境的温度相同,达到最佳的伪装效果。微胶囊相变材料的2种应用方式包括伪装涂层和泡沫塑料。

Mckinney等[21]将不同熔点的微胶囊相变材料加入到可见光迷彩涂料中并涂覆于坦克等武器装备上,在坦克的不同发热部位涂覆含有不同熔点微胶囊相变材料的迷彩涂料,这样在红外热像图上就会显示杂乱的红外颜色特征,与坦克真实的红外热像图产生很大的差异,从而实现了可见光和红外的双重一体化伪装效果。

孙文艳等[22]采用微胶囊技术,对正十四烷、正十八烷、石蜡3种相变材料进行封装,将其制成红外隐身涂料并应用于军事目标中,以控制目标表面热惯量及表面温度,消除或降低目标与背景的红外辐射差别,从而实现了对背景红外特征的模拟。将制备的涂料涂覆在卡车模型上,结果表明在荒漠丘陵热图背景下明显提高了目标的红外隐身性能,卡车在涂覆前后的热图对比如图3所示。

徐长明等[23]研究了相变材料降温技术在阵地工程伪装中的应用,利用相变材料制备的储能装置可迅速吸收烟气的热量,降低目标因排放烟气而被发现的概率,研究认为利用相变材料填充热储能系统,可有效减小阵地工程特定目标在红外侦察条件下的暴露征候,从而达到降低目标被发现和识别的概率,提高目标的战场生存能力。茅靳丰等[24]将相变材料应用于国防工程内部蓄热站,用以吸收、储存发电机组产生的余热,能够在与外界无热交换的情况下较好地解决电站降温和热能回收再利用的问题,对国防工程内部电站排烟口伪装具有重要意义。

Dale P. Bentz等[25]对掺入相变材料的混凝土技术进行了研究,相变材料可通过2种方式加入到混凝土中:(1)将微胶囊相变材料直接添加到混凝土中;(2)以轻骨料作为相变材料的载体,将浸润了相变材料的轻骨料加入到混凝土中。试验发现,加入相变材料可有效降低混凝土温度变化峰值。将该技术应用到伪装技术中,有望降低混凝土目标的红外暴露征候。

3.3 相变材料的伪装应用模式

相变材料作为一种伪装材料,在相变材料的选择和改性过程中需要满足以下条件:(1)具有高的性能稳定性;(2)相变过程可逆,具有高的吸放热循环次数;(3)热传导系数高;(4)储能密度高;(5)相变温度范围宽;(6)可大规模生产,价格低廉,易于施工;(7)无毒害,不易燃烧;(8)环境稳定良好,易于封装。将单一的相变材料直接应用于伪装中不太现实,一般先将其封装后复合或涂覆在目标上,从而实现伪装的目的,当前相变材料伪装应用的模式主要包括涂覆式、复合式和集成式。

(1)涂覆式

将相变材料封装于微胶囊中,含相变材料的微胶囊作为涂料的添加材料,制备出含相变材料的功能涂料,将该种涂料涂覆在目标表面,可达到实现红外伪装的目的,应用模式如图4所示。涂覆式的优点是伪装材料制备简单、施工方便、适形性好,但是由于相变材料的含量和涂层的厚度有限,因而涂覆在目标上的相变材料量不大,导致伪装持续时间较短。

(2)复合式

将相变材料复合到基体材料(聚合物、混凝土等)中,制备出具有相变功能的复合材料,再将该种复合材料贴附到目标表面,实现对目标的红外伪装,如图5所示。相变材料复合式应用的关键在于相变材料与基体材料的良好复合,这对相变材料的封装有很高的要求,封装材料一般要求耐腐蚀、耐磨。该种应用模式使相变材料与基体良好结合、成本较低,同时保证了相变材料的加入量大,延长了伪装持续时间。

(3)集成式

将相变材料、驱动材料、面板材料有机集成,相变材料吸收环境热量,驱动材料与相变材料进行热交换,并及时将相变材料的热量疏导掉,使相变材料实现长时间伪装的效果,应用模式如图6所示。集成式的优点在于伪装持续时间长,一定程度上拓宽了相变材料的伪装温度范围,但是系统一般较复杂、成本较高。

4 存在的主要问题

相变材料虽然具有高的储能密度,但是其储能容量并非无限大,在相变温度点,相变材料吸收(放出)的热量为潜热,因而不会引起温度的变化,但是当外界输入的能量超过相变材料可吸收的最大潜热值后,相变材料的温度随之升高,此时吸收的热量为显热。相变材料的伪装持续时间与储存潜热的能力有直接关系,由于相变材料储热能力是有限的,因而其伪装时间也是有限的,延长相变材料的伪装持续时间是当前相变材料在伪装领域应用的主要难题。

针对该问题,笔者设计了一种智能相变材料系统,如图7所示。智能相变材料由信息收集及处理系统、驱动材料、相变材料组成。红外传感器感知背景的红外特征,收集的红外信息通过模拟信号处理器进行处理,经A/D信号转换传输到微处理机,微处理机对接收的信息进行处理后向驱动材料发出指令,驱动相变材料进行放热或吸热反应,从而改变目标表面温度,红外传感器及时感知目标表面红外信号,并传输给微处理机进行对比,并根据对比结果调整相变材料吸放热过程,最终实现目标与背景红外特征的融合。由于驱动材料可进行及时的放热或吸热响应,因而可保证长的伪装持续时间。

5 结语

随着能源问题的日益突出,相变材料将不断受到人们的重视,在储能节能领域得到更广泛和深入的研究。目前,相变材料制备的各类储能器件已经应用于储能、建筑节能和空调蓄冷等方面,但是储能密度有限、价格较高、封装困难等因素仍然制约着相变材料的更广泛应用,解决以上问题仍将是未来相变材料的发展方向之一。

相较于节能领域,相变材料在伪装领域的应用还很少,目前基本处于研究的初始阶段,国内外均已开展了该方面的研究。伪装持续时间短是困扰相变材料在伪装领域应用的主要原因之一,随着智能材料技术的不断进步,制备智能相变材料,以延长相变材料的伪装持续时间,将成为解决该问题的主要手段。可以预见的是,随着相变材料技术的成熟以及智能相变材料伪装技术研究的不断深入,相变材料也将在伪装领域得到广泛应用。

摘要：对相变材料进行了分类,从热力学特点和应用形式两个方面介绍了相变材料的特性。通过对相变材料伪装原理、研究现状和应用模型的分析,研究了相变材料在伪装领域的应用可行性。最后提出了一种智能相变材料系统,希望通过进一步研究,能够解决相变材料伪装持续时间短的问题。

有机相变材料的建筑节能应用和研究 篇4

建筑能耗占全世界资源消耗总量的50%左右,实现建筑节能对经济社会发展和环境保护都具有十分重要的意义。将相变材料应用于建筑围护结构或建筑蓄热器,利用相变材料的相变潜热进行能量的贮存和使用,是目前建筑节能领域广受重视的课题。有机相变材料具有相变潜热大、固体成型好、不易发生相分离和过冷、无腐蚀等优点,是一类理想的建筑储能材料。本文在分析有机相变材料的分类和特点的基础上,对最近的建筑节能用有机相变材料的发展及其建筑节能应用进行综述,提出了有机相变材料在建筑节能领域应用存在的问题和发展趋势。

1 有机相变材料的研究现状

1.1 有机相变材料的分类和特点

有机相变材料按照材料的储热相态变化主要分为固-液相变材料和固-固相变材料,其中固-液相变材料包括高级脂肪烃、羧酸、酯及某些聚合物等,固-固相变材料目前应用较少,主要为多元醇,还包括交联聚乙烯和某些聚合物。有机相变材料种类繁多,数量巨大,但对于建筑节能用的相变材料,要求其相变温度在合适的温度范围内,一般为20~40℃。当某种有机物的相变温度不在该温度范围内时,可以将几种有机物配合形成多组分有机蓄热材料,调整其具有合适的相变温度和相变潜热。与固-液相变材料相比,固-固相变材料具有蓄热过程无液体出现、体积变化小、无需容器盛装、易于加工成型等诸多优点,因此近年来国内外广泛开展了这方面的基础理论和实际应用研究。多元醇是目前研究较多的固-固有机相变材料[1,2],由于多元醇具有较高的蒸气压,在实际应用中需要容器密闭,所以目前研究将多元醇与基体材料复合以抑制多元醇的挥发。表1为常用多元醇相变材料及其共混物的热性能[1,2]。

1.2 定形有机相变材料的研究

固-液相变材料是研究与应用最多的相变蓄热材料,但其在蓄热过程中有液体产生,与建筑材料的相容性差,热稳定性和化学稳定性较低。最近的研究多集中在如何将固-液相变材料转化为固-固相变材料,即所谓的定形相变材料。当前最具前景的定形相变材料的制备方法主要包括:①微胶囊包封技术;②将相变材料浸渗到多孔材料中;③将相变材料吸附到具有微孔结构的硅酸盐类材料中;④将相变材料与聚合物载体相结合。随着当前材料科学和纳米技术的飞速发展,纳米复合相变材料也日渐受到关注,利用纳米材料赋予有机相变材料的特性,可以显著改善相变材料的物理和化学性能,为有机相变材料更广泛地应用于建筑节能提供了更大空间[3,4]。

2 建筑节能用有机相变材料的制备与研究

2.1 微胶囊定形相变材料

微胶囊定形相变材料是应用微胶囊技术在固-液相变材料微粒表面包覆一层性能稳定的高分子膜而构成的具有核壳结构的新型复合相变材料。该方法较好地解决了相变材料发生固-液相变后液相的流动问题及相变材料与建筑材料的相容性、耐久性问题。Hawlade等[5]以石蜡为相变材料,阿拉伯明胶和树胶为胶囊体材料,采用络合凝聚技术来制备胶囊型相变材料,热循环实验表明经过1000次热循环,胶囊化石蜡仍能维持其结构性状和储热密度不变;邹光龙[6]采用界面缩聚法以甲苯 2,4-二异氰酸酯和3种二元胺(二乙烯三胺、乙二胺和 1,6-己二胺)水溶性单体为原料制备了聚脲微胶囊,对制备的微胶囊的化学结构、粒径分布、热稳定性、融化潜热等特性进行了详细的研究;苏俊峰等[7]利用PU作为胶囊材料,控制粒子尺寸分散,成功地制备了石蜡微胶囊相变材料。

2.2 多孔或聚合物基体定形复合相变材料

以多孔材料或聚合物材料作基体,利用物理共混、真空浸渍、化学接枝、嵌段和交联聚合等物理、化学方法制备定形相变材料是目前研究较多的定形相变材料制备方法[8]。

张东[9]利用真空浸渍法将石蜡和癸酸浸渗到多孔材料膨胀珍珠岩、膨胀粘土和膨胀粉煤灰中,制成可应用于建筑节能的定形复合相变材料;姜勇等[10]采用接枝共聚等化学反应法制备了PEG/CDA多孔相变材料,达到将固-液相变材料转化为固-固相变材料的目的;利用同样的方法,张梅等[11]制备了一系列具有不同分子量和接枝率的PVA-PEG接枝共聚物,但与PEG纯物质相比,接枝共聚物的最大结晶温度和相变焓均有所下降。李卫东等[12]合成了PEG/MDI/PE三相交联复合定形相变材料。该材料相变热为152.97kJ/kg,相转变温度为 58.68℃,其相变物态变化与固-固相变材料相似。接枝共聚法存在的问题是聚合物基体的导热系数较低,与PCM形成共聚物导致相变复合材料的导热系数降低,从而影响其蓄热容积。

2.3 有机/无机纳米复合相变材料

在有机/无机纳米复合相变材料中,无机物的高导热系数能够提高有机相变材料的导热性能,纳米材料巨大的比表面积和界面效应束缚了液态相变材料的宏观流动。有机/无机纳米夏合相变材料是一种具有纳米结构的定形相变材料。张翀等[13]分别以NPG和NPG/TMP二元体系作为相变材料,将其插层到改性后的膨润土层状结构中,制备了有机/无机纳米复合相变材料,进一步提高了有机相变材料的热性能;林怡辉[14]以正硅酸乙酯作为硅源,硬脂酸作相变材料,采用溶胶-凝胶法成功地制备了具有均匀三维网络状结构的有机-无机纳米复合材料。该复合材料具有合适的相变温度和良好的蓄热能力,可应用于建筑节能太阳能利用;蔡一冰等[15]以高密度聚乙烯-乙二醇二乙酸酯合金、有机蒙脱土、石蜡和膨胀阻燃剂为原料,利用双向螺杆挤出法制成了一种具有有序的纳米层状结构的定形纳米复合相变材料。其中,HDPE-EVA/OMT纳米复合材料呈三维网状结构,用作支撑材料,石蜡作为相变材料分布在三维网状结构中,在达到熔点温度以上时仍能保持固体状态,不发生流动。

复合纳米相变材料有效地解决了固-液相变材料的泄露问题,提高了相变材料与建筑材料结合的相容性和热稳定性,通过改善复合相变材料的导热系数提高了蓄热体系的蓄热效率,是一种极具开发应用潜质的新型复合相变材料。

3 有机相变材料的建筑节能应用

3.1 相变储能建筑材料

将相变材料与建筑材料复合是提高建筑构件的蓄热能力、实现建筑直接蓄热的有效途径之一。德国弗赖堡夫朗费太阳能系统研究所研制出一种冬暖夏凉内墙砂浆,在水泥中加入装有石蜡的微胶囊,这种3cm厚的砂浆的热容量相当于40cm厚的水泥墙体。Hawes等[16,17]以硬脂酸丁酯、十二醇、石蜡和十四醇作为相变材料制备了相变混凝土砌块;同济大学的张东等[18]采用“两步法”配置了相变储能混凝土,即利用相变材料硬脂酸丁酯和多孔材料制备相变储能骨料,然后用相变储能骨料以普通混凝土的制备方法来制备相变储能混凝土,实验结果表明,该方法制备的混凝土具有较强的相变储能功能,可用于建筑节能。

3.2 相变储能建筑围护结构

将相变温度与人体最佳舒适温度(约20℃)相近的有机相变材料运用到建筑围护结构中能够产生蓄能效果,利用材料的相变过程储存和释放热量,可以自动调节室内温度,显著改善室内人居舒适度,可以不使用或者少使用供暖或空调系统,达到建筑节能的目的。

郑立辉等[19]制备了以石膏作载体、石蜡作相变材料的定形相变复合石膏板,并利用表面活性剂硬脂酸钠提高石膏板中石蜡的容留量,经测定复合石膏板的相变温度在20~35℃,吸热量为26.85J/g;吕石磊等[20]将癸酸和月桂酸的低共熔混合物融入石膏板中,制成相变墙板,可用于建筑物的非承重结构中实现建筑节能。

张寅平等[21]以石蜡作为相变材料,以HDPE、SBS等作为支撑材料,制成了板状、杆状、粒状复合相变材料,并对复合材料进行了接枝、交联等表面处理以防石蜡的渗漏。他们利用制备的定形相变材料制成电加热蓄热地板系统(见图1),实验测试该系统的蓄热能力,结果表明房间平均用热量的57%左右从用电高峰期转移到了用电低谷期,起到了电能“削峰填谷”的节能效果。在该项研究的基础上,周国冰[22]对分别由定形相变材料板和相变材料-石膏混合体系墙板作为墙体和屋面结构的被动太阳房的冬季蓄热性能进行了对比研究,实验结果表明相变材料具有建筑节能效应,这与张寅平的研究结论相一致。

Luisa F. Cabeza等[23]利用商用微胶囊相变材料制成了一种新型混凝土,并利用该相变节能混凝土搭建实验屋,研究了房屋建筑节能效果。研究结果表明,与传统混凝土建筑相比,该微胶囊相变材料的掺入,使房屋墙体具有蓄热调温的功能,室内温度低于室外温度,提高了室内居住舒适度。

3.3 建筑相变蓄热器的研究

建筑蓄热器属于主动式蓄热系统,它利用相变材料作为潜热蓄热器(LHTES)的蓄热媒介,主要依靠吸收太阳能蓄热,提供人居所需的热能,可有效节省建筑采暖能耗,明显改善建筑物热性能。目前相变蓄热器的应用并不多见,其原因除某些相变材料的性能还无法满足LHTES系统外,实际应用也存在建设成本较高、破坏建筑物美感、系统管理和维护困难等问题。最近兴起的太阳能一体化设计方法将太阳能利用纳入建筑规划设计内容中,使蓄热系统成为建筑的一个有机组成部分,因此在一定程度上解决了LHTES实际应用的困难。Marwa M. Hassan等[24]进行了利用低成本太阳能集热器和蓄热技术提供民居热能能耗的可行性研究。研究对象为一体化设计的太阳能蓄热屋面体系。它将低温平板集热器并入混凝土建筑围护结构中,并与相变蓄热箱连通,其结构如图2所示。

根据当地的气候条件(Black burg, VA),该太阳能集热/蓄热体系能够提供民居采暖所需总热能的88%,为居民年均节省61.5%的热能消费,真正达到了建筑节能的目的。同时,将太阳能相变蓄热系统作为建筑的构件元素来考虑,与建筑的屋面、墙面、阳台相结合而呈现出一种新的造型与外观,增强了使用太阳能建筑的表现力[25]。

4 有机相变材料传热性能的改善

有机相变材料的导热系数较低(约1W/(m·K)),降低了蓄热和热交换效率,严重限制了其在工业和民居建筑节能领域的应用。提高有机相变材料和蓄热系统的导热系数的方法主要包括:扩大热交换面积;添加具有高导热系数的材料,如碳纤维、膨胀石墨、金属氧化物和金属粒子等。Ali Karaipekli等[26]研究了膨胀石墨和碳纤维对有机相变材料脂肪酸的导热性能的影响,结果表明膨胀石墨和碳纤维的掺量为10%时,脂肪酸蓄热体系的导热系数分别提高到原来的266.6%和206.6%,而其潜热热容并未发生下降。Eman-Bellah S.Mettawee等[27]利用铝粉作为导热改善剂,提高了相变太阳能集热器中固体石蜡的导热系数,将换热时间缩短了约60%;R. V. Seeniraj等[28]采用4种具有不同相变温度的相变材料制成蓄热单元,同时将热交换管附加翅片(如图3所示),研究并模拟了这两种方法对蓄热单元的热效率改善状况。

通过各种优化手段,可以显著改善有机相变材料的导热系数,提高建筑蓄热材料和蓄热器的热交换速率,从而提高建筑节能效率,对有机相变材料建筑节能的实际应用具有推动作用。

5 展望

目前,研究者已经研制出大量有机相变材料,部分相变材料的研究较为成熟并已应用在建筑节能中。但有机相变材料建筑节能应用的发展速度远不及材料本身的研发速度,这与节能建筑成本较高、建筑蓄热性能的稳定性差等因素有关。所以,今后的研究工作应着重在以下几个方面:①开发和研制更多热性能优异的新型有机相变材料,开发多种复合技术和方法,提高有机复合相变材料及有机-无机纳米复合相变材料建筑节能应用的可行性和经济性;②加强研究有机相变材料的长期热稳定性,特别要关注有机相变材料与建筑材料结合后,主要热性能指标的变化;③规范有机相变材料热性能的检测方法,标准化建筑节能应用有机相变材料的相关参数和指标;④充分利用建筑构件,实现太阳能一体化设计,使太阳能全部或部分取代传统能源满足建筑活动所需热能,达到建筑节能要求。

相变材料在建筑节能中的应用 篇5

随着人们生活水平的提高, 建筑能耗占社会总能耗的比例越来越高, 建筑节能技术的研究与应用也越来越重要。目前, 有很多的建筑节能技术, 其中, 合理地应用建筑储能材料是降低能耗的有效措施之一。相变材料能够在一定温度范围内储存和释放热量, 从而可以调节周围环境温度, 降低能耗, 达到节能的目的[1]。

1 相变原理

相是物质的一种确定原子结构形态, 均匀同性称为相。物质有3种基本的相:气相、液相和固相。随着温度的变化, 物质的相会发生变化, 称为相变过程。相变材料由液相变成固相时, 可向周围环境释放大量潜热;而由固相变为液相时, 可从周围环境吸收大量潜热, 从而达到调节周围环境温度的目的。而在整个相变过程中, 材料自身的温度几乎维持不变。在建筑中, 我们可以充分利用相变材料的这种特性, 达到节能的目的。

2 相变储能材料

相变储能材料是利用材料在相变时吸热或放热来储存能量或释放能量的, 这种材料能量密度较高、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理。并且在相变储能过程中, 材料温度近似恒定, 可以用来控制体系的温度[2]。

常用的相变储能材料可分为无机物相变材料、有机物相变材料。无机物相变储能材料主要包括结晶水合盐类、熔融盐类、金属及其合金和氟化物等。目前比较常用的无机物相变材料是结晶水合盐, 其具有导热系数大、单位体积的储热密度大, 价格比较便宜等特点。常用的有机物相变储能材料有多元醇、石蜡、高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、芳香烃类、酰胺类等等;其中最典型、最常用的材料是石蜡, 具有相变潜热高、化学性质稳定、无腐蚀性、熔点跨度大、价格低廉等优点, 在与普通建筑材料掺杂复合后, 便可用于制备相变储热墙板。但是石蜡作为相变储能材料也存在储能密度较小和导热系数的缺点[2,3]。

3 相变材料在建筑中的应用

3.1 相变材料在围护结构中的应用

随着建筑节能的开展, 我国对围护结构的节能研究越来越重视, 并且已形成很多的研究成果并加以应用。但这些围护结构节能技术大多都是从减小其传热系数从而减小热量传递来达到节能的目的。这种技术存在施工质量控制难度大、围护结构厚度大、蓄热能力不足等缺点。相变储能材料的应用, 有助于能量在不同时间上的迁移、有助于降低建筑物制冷 (制热) 负荷、有助于改善人居环境、有助于充分利用太阳能, 有助于建筑节能[4]。

相变储能材料在围护结构上应用的主要方法有直接浸泡法、载体封装法、熔融共混法、混合烧结法、多孔吸附法、微胶囊化法等, 目前最常用的是多孔吸附法和微胶囊化法[2]。

3.2 相变材料在太阳能热泵中的应用

作为一种可再生能源, 太阳能的充分利用有利于建筑节能的实现。但因为有连续阴雨天的天气, 因此, 如果仅利用太阳能热泵技术, 虽然可以实现节能目标, 但不稳定, 影响使用效果。如果能利用相变材料的特性, 将热量储存在相变蓄热水箱中, 就可使太阳能热泵系统的稳定性得以很大的提高。

相变材料在太阳能热泵系统应用时, 主要的设备是储热水箱。相变蓄热材料封装在聚乙烯塑料内并置于换热器上, 水箱中的水与盛装相变蓄热材料的塑料小桶进行热交换, 同时塑料容器与蛇形盘管中的载热介质进行热交换, 把热量传递给系统。

太阳能热泵蓄热系统的运行方式主要根据天气情况和系统运行情况来确定。当太阳辐射较强, 室外温度较高时, 室内不需要供暖, 此时太阳能集热器收集的太阳能全部储存在相变蓄热水箱中;当太阳能集热器收集的热量除直接向建筑物供暖还有剩余时, 剩余的热量就储存在相变蓄热水箱中;在夜晚或阴雨天没有太阳辐射的时候, 蓄热水箱在白天蓄存的热量足够多且载热介质温度足够高, 即可利用相变蓄热水箱直接供暖;如果载热介质温度达不到直接供暖的要求, 则载热介质可作为热泵的低温热源, 用太阳能热泵进行供暖[5]。

3.3 相变材料在废热利用中的应用

工业余热存在着巨大的回收潜力。将废热回收利用, 既能节约能源、减少CO2排放, 又能减轻热污染、保护环境, 对节能具有重要的意义。

相变材料回收工业余热系统包括3个子系统:储热系统、运输系统及放热系统。工业废水或烟气为余热源, 而城市的宾馆、洗浴等更低品位热能需求用户为热用户。在储热系统中, 余热由相变材料通过相变储存, 通过运输系统将回收的余热运输到城市热用户;在放热系统中, 通过相变材料的相变将余热释放给热用户[6]。

3.4 相变材料在地板敷设采暖中的应用

地板辐射采暖因其具有舒适、节能、美观、节省使用面积、环保卫生等优点, 越来越多地被人们广泛应用。

随着建筑节能意识的增强, 潜热蓄能地板采暖技术备受关注。将相变温度适合于地板采暖要求的相变材料封装成一定规格的模块置于采暖地板结构中进行储热与释放热量, 蓄能地板能很好地起到合理分配热量、调节室内温度的作用[7]。

清华大学“超低能耗示范楼”中采用相变蓄热活动地板, 具体做法是将相变温度为20~22℃的定型相变材料, 放置于常规的活动地板内作为部分填充物, 由此形成的蓄热体在白天可储存由玻璃幕墙和窗户进入室内的太阳辐射热, 晚上释放热量, 这样室内温度波动不超过6℃[8]。

3.5 相变材料在蓄冷空调中的应用

蓄冷空调具有削峰填谷、平衡电力负荷的作用, 被广泛重视和应用。根据蓄冷材料的不同, 分为水蓄冷、冰蓄冷和相变材料蓄冷。水蓄冷是利用4~7℃之间水的显热进行蓄冷, 但因其蓄冷密度低, 蓄水槽体积庞大等缺点并不常用。目前, 应用最多的是冰蓄冷空调。冰蓄冷是一种充分利用相变潜热的蓄冷方式, 具有价格低廉、性能稳定、潜热大等优点。但冰蓄冷相变温度低, 使制冷机在制冰充冷时的蒸发温度比常规非蓄冷系统低8~10℃, 这不仅限制了蓄冷空调系统可采用的制冷机种类, 且与常规机组相比, 蓄冷系统制冷机组的COP值下降, 耗电量增加。相变材料进行相变蓄冷的空调系统可以克服上述水和冰蓄冷系统的缺点, 具有大的储能密度, 可直接采用常规制冷机组进行蓄冷, 提高制冷机组的蒸发温度和COP值, 从而改善系统的能量利用率。在空调蓄冷系统中采用5~10℃的相变材料最合适[9,10,11]。

蓄冷器是相变材料蓄冷空调的核心部件, 它是将蓄冷材料封装在聚乙烯小球内, 并将小球密集放在密封罐内, 形成封装式蓄冷装置。空调系统运行时, 载冷剂在密封罐外流动, 将其中的蓄冷材料冻结或融化, 从而达到存储和释放所需冷量的目的[11]。

4 结论与展望

相变储能材料可利用材料在相变时吸热或放热来储存能量或释放能量, 在建筑中, 可以充分利用相变材料的这种特性, 达到节能的目的。本文从围护结构、太阳能热泵、余热利用、地板敷设供暖、蓄冷空调等方面对相变材料在建筑节能中的应用做了介绍, 相变材料的应用与推广将会使建筑更节能、更环保、更舒适。但是, 目前相变材料在应用过程中也存在耐久性差及成本高的问题, 因此, 还需在耐久性和经济性上加强对相变材料的研究;此外, 相变建筑材料产品标准与建筑节能评价指标尚不健全, 因此, 还需要在建设实践过程中逐步建立完善。只有耐久性提高、成本降低, 并且形成完整的评价指标体系, 才能使相变材料更好地服务于建筑节能[12]。[ID:001516]

摘要：简要介绍了相变原理与常用的相变储能材料, 从围护结构、太阳能热泵、余热利用、地板敷设供暖、蓄冷空调等方面对相变材料在建筑节能中的应用做了介绍, 并对相变材料今后的应用和研究做了展望。

关键词：相变材料,建筑节能,应用

参考文献

[1]吕亚军, 郭娟利, 高辉, 张文, 吴伟东, 相变储能材料建筑一体化设计初探[J].工业建筑, 2003, 40 (8) :55-58.

[2]王建昌.相变储能建筑材料的制备与节能评价[D].广州:华南理工大学, 2012.

[3]李艳.相变储能材料热性能研究[D].济南:山东轻工业学院, 2012.

[4]谢芳.相变建筑材料在建筑节能中的应用研究[D].广州:华南理工大学, 2010.

[5]王芳, 郑茂余, 李忠建, 雷帮伟.相变材料在太阳能-地源热泵系统中的应用[J].太阳能学报, 2006, 27 (12) :1231-1234.

[6]肖松, 郑东升, 吴淑英.利用相变材料回收高炉冲渣水余热的经济性分析[J].工业加热, 2012, 41 (4) :34-35.

[7]颜家桃, 高学农, 唐亚男, 孙滔, 赵洪彬, 等.复合相变材料的制备及其在地板采暖中的应用[J].新型建筑材料, 2010, 37 (10) :6-9.

[8]陈中华, 肖春香, 赵秀娟, 等.相变储能建筑材料的应用研究与进展[J].太阳能, 2007, 28 (9) :44-48.

[9]李晓燕, 张健, 高宇航, 邱美苓.相变材料式蓄冷空调系统的经济性分析[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版, 2009, 30 (10) :607-610.

[10]吕知梅, 于军强, 裴丽霞, 张立志.空调蓄冷相变材料的最新研究[J].材料导料, 2010, 24 (1) :133-136.

[11]李晓燕.常规空调工况用相变材料的研制与应用基础研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2008.

相变蓄能建筑材料的节能应用 篇6

1 建筑节能中的相变蓄能技术研究现状

目前建筑节能中的相变蓄能技术研究基本上可分为两方面:一是对采用相变蓄能技术的建筑物进行热特性研究;二是相变蓄能建筑材料的研究和开发。

1.1 相变蓄能建筑物的热特性研究

相变蓄能材料能够有效改善室内热环境和提高建筑节能水平是许多理论分析和试验研究的一致结论, 例如, 研究结果表明, 采用具有蓄能功能的地板或天花板, 并通过夜间蓄冷 (热) , 与传统空调系统相比, 在提高建筑物室内热舒适度的前提下, 能耗和运行费用分别降低75%和47%;通过建筑物实测和计算机模拟结果相比较也证明了相变蓄能材料在建筑节能、改善室内热环境方面的功效。相变蓄能建筑材料具有上述功效的原因是相变过程有效推迟了温度波动通过建筑围护结构的传播, 提高建筑物的热惯性。

1.2 相变蓄能建筑材料制备研究

在相变蓄能建筑材料研制方面, 国内外相继进行了一些研究。例如, 早期在传统的墙板中渗入相变物质以储存太阳能。在建筑材料中掺入有机相变物质。实验研究了含相变物质墙板的热性能, 美国Dayton大学采用线晶状烷烃作为相变物质掺入建筑材料。

2 相变蓄能建筑材料的制备技术

根据相变蓄能建筑材料基本理论的研究结果, 选择具有不同孔结构的多孔介质封装相变物质, 形成复合式的相变蓄能建筑材料。可以选择空隙率较大, 且孔连通性好的材料 (如一些天然的、或人工的多孔轻骨料) 作为有机相变物质的载体。选择渗透性低的材料 (如聚合物改性水泥砂浆或净浆) 作为储有相变物质的多孔介质载体的密封层, 以避免有机相变物质在使用过程中发生渗出而引起的环境污染问题, 用相变温度不同的烷烃相变物质 (如高低温相变温度分别为18℃和50℃) , 分别封装到多孔介质中, 形成具有不同相变温度的蓄能材料。采用合理的组合方式, 由相变温度不同的相变蓄能材料复合成具有双相变点特征的相变蓄能建筑材料。

3 相变蓄热建筑材料的应用前景

3.1 多功能墙体或地板

具有双相变点特征的相变蓄能墙体或地板。冬季, 用夜间廉价电能加热多功能墙体或地板, 白天作为热源向室内空间辐射能量使室温保持稳定, 既节约了能源, 又提高了房间内的热舒适度。夏季, 多功能墙体或地板又变为冷量蓄存体和辐射体, 起到相反的功效。

3.2 太阳能建筑

太阳能是洁净、安全的可持续性能源, 我国西部的太阳能资源非常丰富, 是太阳能建筑应用的最佳地区。在目前的太阳能建筑中, 一般设置特朗伯集热墙或水墙, 利用钢筋混凝土、水等高热容物质的显热收集和储存日照时段的太阳能, 用于夜间等无日照时间。如果利用相变蓄能建筑材料替代特朗伯集热墙和水墙, 其相变潜热蓄能能力远高于普通混凝土或水, 提高太阳能利用率和室内热环境质量。

3.3 智能控温的建筑物或混凝土工程

相变储能材料在节能建筑中的应用 篇7

随着全球能源危机的日益加剧,如何节约能源、有效利用能源成为人们追求的目标和研究的热点。尤其在我国建筑领域,建筑节能已深入人心,寻求新的建筑材料来降低建筑能耗,提高室内环境热舒适度,是我国建材领域面临的新课题。相变储能材料能将一定形式的能量在特定的条件下贮存起来,并在特定的条件下加以释放,有效地降低了能源消耗,收窄室内温度的波动幅度,改善了室内环境,是建筑节能领域具有良好发展前景的一种新型建材。

2 相变储能材料的特性

一般储能材料按照蓄热方式的不同,可分为潜热储能、显热储能和化学反应储能三类。显热储能材料虽然在操作性方面比较简单方便,但是材料自身的温度也在不断变化,其释能的诱导条件来源于周围环境,因此无法达到控制环境温度的目的,并且该类材料贮能密度较低,装置体积大,因此它的应用价值不是很高。化学反应储能材料虽然具有储能密度大的特点,但应用技术和工艺太复杂,目前仅在太阳能领域受到重视,离实际应用尚较远[1]。而潜热储能材料(也叫相变储能材料)是利用材料自身相变过程中吸热或放热来进行储能或释能的,其材料蓄能密度大、效率高,吸热或放热不影响环境温度变化,被广泛用于太阳能利用、废热回收、智能空调建筑物调温、控温、工程保温隔热材料等各个领域[2]。随着科学技术的进一步提高,相变储能材料与传统的建筑材料相结合,在生产、施工,尤其是节能等方面具有很大的优越性,因此相变储能材料的研究和应用是推动我国建筑节能深入发展的新途径之一。

3 储能材料在节能建筑中的应用

3.1 储能材料在建筑围护结构中的应用

将相变材料掺入到现有的建筑材料中,制成墙体、地板、天花板等建筑结构,具有良好的蓄热性能。使用相变储能材料作为建筑的围护结构,不仅可以大大增强围护结构的隔热功能,提高能源的利用率,而且还具备以下特点:(1)减弱建筑物室内和室外之间的热流波动幅度,延迟作用时间,从而降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷,节约能源;(2)提高墙体的蓄热能力,减少建筑物负荷和温度波动,改善室内环境舒适度[3]。

3.1.1 相变储能墙体材料

相变储能墙体材料是一种新型的建筑材料,它利用相变调温机理,通过蓄能介质的相态变化来实现对热能储存,从而根据环境温度的变化自动调节室内温度。当环境温度低于一定值时,相变材料由液态凝结为固态,释放热量,当环境温度高于一定值时,相变材料由固态熔化为液态,吸收热量,使室温相对平衡[2]。

与普通的墙体材料如加气混凝土砌块、多孔砖、空心砖等材料相比,有相变储能材料的围护结构不仅蓄热效果明显,而且还具有改善室内环境,减少建筑物能耗的特点。

从图1有相变材料和无相变材料(普通墙体材料)围护结构构成的建筑物室内温度随时间的变化规律可以看出:有相变储能材料的围护结构由于相变材料的蓄热特性,其构成的建筑物房间温度波动要小于无相变材料围护结构构成的建筑物,提高了房间舒适度。另一方面,从室外通过相变建筑围护结构传向室内的热流滞后且小于无相变材料围护结构,且热流的波动较小,减轻了传热量,从而减小了建筑物的负荷。

因此,使用相变储能墙体材料,可以将能源二次利用,收集多余热量,适时平稳释放,有效降低损耗量,调节室温趋于稳定。并可充分利用夜间低价电蓄热,供次日白天作辅助热源,减少空调、暖气使用时间和空调开启次数,有助于它们避开用电高峰工作而平移用电时间,从而达到节能降耗的目的,具有可观的社会效益和经济效益。

3.1.2 相变储能材料采暖地板

相变储能采暖地板是通过将相变材料与地板材料基体复合制成的储能地板,由于相变材料的蓄热特性,增加了地板的热惰性,使室内外之间的热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟,易于室内温度的调控,提高了建筑物的温度自调节能力。同时它还可以利用低品位的热源或太阳能以及夜间廉价电运行,提供全天的采暖。减少了采暖地板结构厚度,减轻建筑物自重,具有节能降耗和提高舒适度的作用[4]。

应用于相变采暖地板结构中的相变材料必须要满足其相变温度在地板采暖容许的范围内,且具有较高的相变潜热,同时还要满足化学性质稳定、不泄漏、长期循环不变质、与建材相容等特点。

3.2 相变储能材料在供暖系统中的应用

3.2.1 带相变蓄热器的空气型供暖系统

带相变蓄热器的空气型太阳能供暖系统由空气型太阳能集热器、集热器风机、相变蓄热器、负荷风机以及辅助加热器组成。空气在太阳能集热器和相变储热器之间,相变储热器和负荷之间形成两个循环环路。相变蓄热器包含多个供空气流动的矩形断面的通道,这些通道相互平行并用相变蓄热相变材料隔开,利用相变材料蓄存白天的太阳能并在夜间加热通道内送风,以满足夜间房间负荷的需要[5]。

3.2.2 带相变蓄热器的太阳能水源热泵供热系统

带相变蓄热器的太阳能水源热泵供热系统,热泵机组的冷凝器作为空气加热器置于供暖房间,蒸发器侧冷媒水系统由太阳能集热器、相变蓄热器、蒸发器以及循环水泵组成,相变蓄热装置为壳管式结构,相变材料被封装于管侧。该系统利用相变储能材料蓄存吸收太阳能,并通过冷媒水将太阳能释放给蒸发器内制冷剂,从而达到供暖通风的效果[6]。

3.2.3 相变蓄热地板辐射供暖系统

相变蓄热地板辐射供暖系统是利用相变储能材料将白天的太阳能或夜间廉价的电力进行储热,并通过固定于相变材料中的电加热丝或紧贴相变材料层的水管(内通热水作为热媒),将储存的热量传递给其上面的热阻材料和地板层,从而达到供热的目的[6]。

这种供暖系统不仅将地板辐射供暖系统所需热媒的温度较低、热舒适性好的特点与相变材料蓄热储能效果好,温度波动稳定特点相结合,而且充分地利用了太阳能等各种廉价的低品位能源,系统的节能效果将非常显著,是适合于太阳能集热器、热泵等作为热源的理想供暖方式。

3.3 相变储能材料在空调系统中的应用

3.3.1 利用楼板蓄冷的吊顶空调系统

该空调系统利用吊顶内的空间向房间内送风,不必设置专用的风道,系统简单、造价低。夜间电价低时,空调系统通向房间的送风阀关闭,空气在天花板和楼板之间的吊顶空间内循环流动,冷却天花板和楼板,楼板中的相变材料发生相变以储存冷量;日间送风阀打开,送风被楼板冷却后送到空调房间内,满足房间负荷的需要[7]。同常规的吊顶空调相比,采用相变储能的吊顶送风方式房间内不会出现峰值负荷,比较经济。

3.3.2 相变蓄冷空调新风机组

相变蓄冷空调新风机组是设置有平板式相变储换热器的新风机组。板式储换热器结构简单,由一组扁平的平板式容器堆积组合而成,每两个平板式容器之间用扁平的矩形风道隔开。相变材料封装在平板式容器中,容器中还装有若干水平水管,埋在相变材料中。利用夜间廉价的电力进行蓄冷[6,7]。蓄冷时通入冷媒水,冷媒水将冷量传递给相变材料,使其凝固蓄冷;释冷时,室外新风通过风道,相变材料熔化释冷,使空气降温然后送入室内[8]。

4 相变储能材料在节能建筑中的发展方向

节能建筑是建筑业可持续发展的重要手段之一。在节能建筑中,相变储能材料的使用可以充分利用太阳能、季节温差能等可再生能源,有效降低建筑物室内温度波动、缩减各种热能设备、降低能源支出,也可以利用低峰电力、削峰填谷、降低电能消耗、缓解电力紧张,是建材领域中一种具有很大发展潜力的新型材料。

近年来,随着高层建筑的快速发展,大量采用轻质建筑材料,而轻质建筑材料的热容比较低,不利于平抑室内温度波动。在轻质建筑材料中加入相变物质是解决这一问题的有效方法。将相变物质储藏在多孔的建筑材料中,使这些建筑材料同时具有承重和储能的双重功能,成为结构、功能一体化建筑材料。采用这样的多功能建筑材料,无需占用额外建筑空间,降低建筑成本,是性价比较高的新型建筑材料,具有明显的市场竞争力。

目前,关于相变材料的研究和应用工作还处于起步阶段,其相变储能机理还有待进一步探明,其热工性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。对于相变储能材料而言,今后其在节能建筑中的发展主要体现在以下几个方面[6,9,10]:进一步筛选符合环保的低价的有机相变储能材料,进一步提升相变储能建筑材料的生态意义。继续探讨相变储能材料与普通建筑材料的结合方式,并加强对在普通建筑材料中掺入相变材料后,相变材料与多孔隙建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热特性的研究,提高其应用性能的有效途径。针对相变材料的应用领域,开发多种复合手段和复合技术,研制出多品种的系列复合相变材料。结合建筑材料与暖通空调等领域,针对不同的使用条件(包括气象条件),开展房间热过程的数值模拟研究和与模拟研究对应的实验研究,对如何利用相变储能建筑材料使节能建筑达到最佳的节能效果进行探讨。对相变储能材料自身耐久性、经济性、储能性能进行研究,寻求物理性能良好,不易破坏,性价比高的小巧和轻便的高储能材料。

5 结语

相变储能材料因其良好的储能特点,现已在建筑节能中得到较广泛的应用,无论在建筑围护结构还是暖通空调应用中都起到了节约能源、改善室内环境的作用,对节能建筑的继续深入推广起到了不可忽视的作用。虽然相变储能材料的研究应用还处于开始阶段,但随着对建筑节能问题的日益重视,及新型建筑材料的不断开发研究,相变储能材料必将在节能建筑领域具有广阔的市场前景。

参考文献

[1]宫惠峰.相变贮能材料的研究进展[J].邢台职业技术学院学报.2006(1).

[2]陶雅各.相变储能技术在建筑中的应用[J].建设科技.2007(6).

[3]闫全英,王威,于丹.相变储能材料应用于建筑围护结构中的研究[J].材料导报.2005(8).

[4]邱林,吴秀芬,杨梦易.相变材料蓄能采暖地板结构模型的探讨[J].建筑科学.2007(2).

[5]王志强,曹明礼等.相变储热材料的种类、应用及展望[J].安徽化工.2005(2).

[6]崔嵬.相变蓄能材料在建筑节能中的应用[J].节能与环保.2007(5).

[7]孙学锋,周志华,李勇刚.相变材料在暖通空调的应用[J].煤气与热力.2006(4).

[8]候春光.相变材料在敬爱内筑节能中的应用综述[J].硅谷.2008(3).

相变材料的实际应用 篇8

1 相变储能材料基本内涵

1.1 相变储能建筑材料

相变储能材料实际上是温度在一定范围内, 利用建筑材料自身的结构或者相态变化, 来激发潜热性能, 在改变环境温度的时候, 从外部环境中释放和存储热量, 从而达到保温作用热功能复合材料, 简称为PCM。通过这种材料的相变潜热性能来达到利用和存储能量的目的, 对于研究和发现节能环保材料具有很大作用, 是近几年和未来能源发展和利用方面的主要方向。

1.2 相变储能建筑材料特点

依据存储能量的特点可以分为两种, 储热材料和储冷材料。依据存储能量的方式可以分为三类:化学反应储能、显热储能、潜热储能。化学反应储能由于技术比较复杂, 因此不是十分适用。显热储能由于具有不停变化的自身温度, 因此, 不能合理控制温度, 没有很大的实际运用价值。但是, 潜热储能不仅设计灵活、装置简单、使用方便以及体积比较小, 还具有比较高的储能密度, 能够充分降低对于建筑的需求, 以便于能够非常灵活的运用。所以, 在上述储能材料中, 潜热储能拥有很大的发展空间和前景, 同时也是最重要和应用最广泛的材料。

2 相变储能建筑材料的应用技术

2.1 相变蓄能围护结构材料制作方法

在建筑施工中应用相变材料, 制作成相变储能维护结构主要包括三种方法:第一, 浸泡法。也就是说利用浸泡的方式在建筑基体中融入相变材料, 例如, 混凝土试块、石膏墙板等, 主要特点就是工艺比较简单, 方便于把传统材料变为相变材料。第二, 直接混合方式。也就是直接混合建筑材料和相变材料, 例如, 在半流动性硅石细粉中加入相变材料, 然后直接混入到建筑材料中, 主要特点就是性质均匀, 工艺简单, 比较容易形成各种大小和形状的结构, 以便于符合各种需求。第三, 掺加能量微球法。也就是说利用纳米复合技术或者微胶囊技术来把相变材料变为能量微球, 然后在建筑集体中加入能量微球, 从而得到相变储能材料。

(1) 建筑保温隔热材料中的应用相变储能材料。依据相变材料的原理, 可以把相变材料加入到保温隔热材料中, 以此形成节能高效的建筑隔热保温材料。在1996年的时候, 德国莱比锡材料研究中心的人员在微胶囊中应用相变材料, 然后形成微囊型相变材料。在充分分析耐久性, 有弹性、下轻质纤维膜材料以及防震性能以后, 需要在纤维膜材料中加入微胶囊相变材料, 从而可以得到隔热保温建筑材料。经过分析和研究以后可以发现, 把40g微胶囊相变材料加入到每平米膜材料以后, 综合保温性能可以适当的增加四倍左右;在每平米加入90g以后, 能够增加大约八倍的综合保温性能, 所以, 研究提出, 在增加膜材料储热能力的时候, 使用微胶囊相变材料, 可以在一定程度上增加保温性能, 从而起到降低损耗、改变室内建筑环境的目的。美国俄亥俄州戴顿大学在1999年的时候, 成功研制出固液共晶相变材料应用到建筑保温中, 温度在23.3℃左右。现阶段, 我国武汉理工大学把少量相变材料运用到隔热保温材料中, 以此来形成隔热保温围护材料, 运用到节能建筑外围结构上, 这种相变材料的运用不仅可以改变材料热稳定性, 增加储热能力以及增加热惰性, 还不会在一定程度上影响和改变粘结能力、强度以及耐久性。节能建筑中的高效节能材料对于隔热性能和保温性能具有一定要求, 想要保障具有一定的储热能力和保温性能的主要关键就是在研究中不断找到双重作用的经济、稳定以及可行的平衡点, 以此形成的建筑围护结构能够充分符合实际需求。

(2) 相变储能混凝土的应用。在大体积混凝土中运用相变材料, 能够得到可以使用在大体积水工混凝土中的相变储能混凝土。这种材料主要使用的就是等温相变过程、储能密度大的相变材料, 基本基体为混凝土, 加入相变材料的智能混凝土, 研究能够合理调节温度功能的混凝土。在建筑节能中使用这种相变混凝土材料, 相比较普通混凝土来说, 具有不可比拟的热容。相变材料应用到水泥混凝土中, 能够在碱性环境中保持稳定, 不会在一定程度上影响耐久性, 以此作为外墙体材料, 不仅无需在混凝土内部使用相应的冷却水管来降低温度, 还可以很大程度迅速降低混凝土内部温度, 对于室内稳定温度具有很大作用, 可以适当的简化工艺和改变热舒适度, 以便于能够降低造价。

3 未来相变储能材料发展方向

在以后发展的过程中, 相变储能材料还处于研究和发展阶段, 今后主要方向发展主要有:第一, 进一步选择一些更具有环保价值的材料, 例如能够再生的衍生物和脂肪酸, 发展钢架可以适应相变焓、相变温度以及在能够长期过程中具有稳定化学性质的材料, 不断改变导热性。第二, 发展强化换热方法, 不断更改换热器结构, 把不同相变温度的材料布置在热流导体流动方向。第三, 分析相变材料的封装材料和工艺, 增加相变储能材料的防火性、导热性以及机械性能。可以适当的结合导热系数比较高的复合材料, 具有越高相变频率, 效果就越好。第四, 分析实用性工程, 模拟不同情况下墙体实际参数, 计算出相应的墙体储热效率, 从而确保能够得出不同墙体动态特性找到经济合理的材料和温度, 有效降低成本, 逐渐实现工业化。

4 结束语

总而言之, 随着城市化进程的加快以及全球经济一体化的发展, 人们对环境提出了更高的要求, 不仅需要物质文化, 还需要精神文化, 保证具有一定舒适度。在建筑中最关键的就是技能技术, 相变储能材料应用到建筑节能中, 能够起到很好的节能降耗作用, 促进社会的发展和进步。

参考文献

[1]傅浩, 欧阳, 宁博等.相变储能建筑材料的最新研究进展[J].混凝土, 2012 (1) :55-57.

[2]马烽, 王晓燕, 李飞等.定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究[J].材料工程, 2010 (6) :54-58.

[3]张东, 周剑敏, 吴科如等.相变储能建筑材料的分析与研究[J].新型建筑材料, 2011 (9) :42-44.

[4]周剑敏, 张东, 吴科如等.建筑节能新技术--相变储能建筑材料[J].房材与应用, 2012, 31 (4) :10-12.

[5]宋纤纤, 陈仕国, 刘泽华等.复合相变建筑材料的研究和应用进展[J].江苏建材, 2011 (3) :16-19.