節(jié)能型相變儲能建筑材料及研究進展

趙 華

(恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院建工系,湖北 恩施 445000)

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整以及建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型愿景的不斷完善,目前國家對于建筑材料的應(yīng)用提出了更為嚴(yán)格的要求,其不但要適應(yīng)建筑行業(yè)發(fā)展本身的內(nèi)部需求,同時更要適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的國家建設(shè)要求,而節(jié)能型相變儲能建筑材料作為其中應(yīng)用優(yōu)勢最大的一個品類,其在建筑材料中的應(yīng)用與發(fā)揮也將直接決定我國建筑能源節(jié)約的整體水平。為了進一步分析節(jié)能型相變儲能建筑材料的應(yīng)用情況,就必須先來了解一下什么是相變儲能建筑材料。

1 相變儲能建筑材料概述

相變儲能建筑材料作為一種新式建筑功能材料,其不但具有節(jié)能和儲能的雙重功效,同時對于我國電力能源壓力緩解以及資源環(huán)境危機等方面的問題都具有良好的解決促進作用。目前國內(nèi)相變儲能材料的發(fā)展現(xiàn)狀相對處于穩(wěn)步提升階段,這個時期相變儲能材料的選擇與復(fù)合技術(shù)應(yīng)用等技術(shù)也在不斷成熟。對于建筑節(jié)能而言,選擇合適的相變儲能建筑材料能夠有效提升熱舒適性,從而緩解電能壓力,而大規(guī)模的混凝土施工中添加相變儲能材料還可以有效控制水泥水化熱現(xiàn)象,以此來降低早期的開裂情況,進而改善材料的耐久性能[1]。

2 相變儲能材料在建筑材料中的應(yīng)用

根據(jù)相變過程我們可以將相變分為固固相變、固液相變、固氣相變以及液氣相變等不同的環(huán)節(jié),其中固固相變的相變溫度普遍較高,所以這種情況并不符合建筑材料的選擇時機,而液氣相變會出現(xiàn)較大的體積變化,其實際的應(yīng)用價值也不強。最后就是固液相變,固液相變具有溫度范圍小、潛熱大的特征,同時還具有膨脹率小以及應(yīng)用范圍廣泛的特點。當(dāng)前國內(nèi)直接用于建筑節(jié)能領(lǐng)域的相變材料主要包括高分子聚合物以及結(jié)晶水合鹽等多種相變材料,另外還包括多元醇、羧酸與脂類等物質(zhì)[2]。

結(jié)晶水合鹽無機相變材料的熱導(dǎo)率較高,相變體積變化也較小,同時熔化熱也較小,所以其在一些特殊建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢較為顯著,但是同時也具有相變過冷以及腐蝕性較強的問題。有機相變材料的相變溫度更加適宜,沒有任何的毒性與腐蝕性,但是熱傳導(dǎo)率卻較低,所以其傳熱性能相對要差一些。在相變儲能材料的應(yīng)用過程中,其蓄熱能力應(yīng)該作為基本的判斷標(biāo)準(zhǔn),但是同時也要兼顧建筑材料承受荷載的情況,以此來確定其在復(fù)合之后依然可以達到工程驗收的各項標(biāo)準(zhǔn)。在建筑結(jié)構(gòu)材料的承載實驗方面,美國能源部在上個世紀(jì)90年代就對20000多種材料,其中僅有1%被證明具有實際應(yīng)用價值。后來通過技術(shù)融合與跟進,目前在應(yīng)用的相變儲能材料主要有200多種,其中大部分被應(yīng)用于石膏板等建筑材料[3]。

3 相變儲能材料應(yīng)用與研究前景分析

3.1 復(fù)合技術(shù)

相變儲能材料復(fù)合技術(shù)是將相變材料與建筑材料的基體進行復(fù)合的過程,是實現(xiàn)相變儲能材料在建筑材料中應(yīng)用的基礎(chǔ)工作,其主要包括以下幾種復(fù)合方法：其一,浸泡法。浸泡法是指通過浸泡的方式將相變材料滲入到多孔基體當(dāng)中的一種復(fù)合技術(shù),這種復(fù)合技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)的建筑材料當(dāng)中,比如石膏墻板以及混凝土石塊等等都可以通過這類相變儲能復(fù)合技術(shù)進行技術(shù)復(fù)合。最早該技術(shù)出現(xiàn)于上個世紀(jì)70年代初期,不過當(dāng)時的相變材料的處理工藝與化學(xué)性質(zhì)并不穩(wěn)定,所以會對混凝土基體產(chǎn)生一定的腐蝕。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及研究的不斷深入,后期Hadjieva等人通過DSC測試技術(shù)實現(xiàn)了無積水和鹽作為相變材料的提升混凝土蓄熱能力的可能性,進而實現(xiàn)了用紅外光譜了解體系穩(wěn)定性的技術(shù),為相變儲能技術(shù)應(yīng)用于建筑材料創(chuàng)設(shè)了條件；其二,摻加能量微球法。摻加能量微球法是一種將微膠囊技術(shù)與納米復(fù)合技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)相變材料深入基體的復(fù)合技術(shù),該技術(shù)在應(yīng)用過程中大多會選擇一些有機物作為相變材料,以發(fā)揮其良好的相變儲能作用。比如Takeshi等人就曾經(jīng)使用正十八烷與正十六烷進行融合作為相變材料,并將其作為添加到多孔建筑材料的基體當(dāng)中,進而獲得具有儲熱能力建筑材料；其三,直接混合法。直接混合法則是將相變儲能材料與建材基體直接進行混合,以獲得滲入建材基體的復(fù)合相變材料。在該方法中,要求基體要具有一定的流動性或者半流動性,比如硅石細粉等材料就可以直接在其中加入相變材料進行混合。另外根據(jù)加拿大學(xué)者Concordia大學(xué)的建筑研究中心的研究數(shù)據(jù)顯示,使用丁基硬脂酸鹽與丁基棕櫚酸鹽進行混合作為相變材料可以混入到灰泥砂漿,以此來提升灰泥砂漿的蓄能效率,進而確保其保溫性能的全面提升。

3.2 研究方向

作為未來環(huán)保節(jié)能型建設(shè)項目的重要材料,相變儲能建筑材料在提升建筑物整體舒適性以及降低能耗等方面都具有重要的價值與意義。為了進一步實現(xiàn)相變儲能建筑材料在工程實踐中的廣泛應(yīng)用,依然具有許多亟待解決的研究問題,這些研究問題與研究方向也將直接影響未來建筑材料的應(yīng)用發(fā)展方向。

其一,相變材料的選擇。當(dāng)前我國的相變材料的研究工作還處于初級階段,能夠直接用于工程實踐的材料可選擇種類少之又少,而對于一些特殊的相變材料的選擇也是基于過去實踐的經(jīng)驗,所以開發(fā)更多的相變材料選擇項是未來該行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

其二,研究制備相變儲能建筑材料的新方法。當(dāng)前大多數(shù)儲能建筑材料都是通過上述介紹的三種方法進行合成的,三種方法各具特點與優(yōu)勢,但是綜合性能方面都有所欠缺,如何開發(fā)出新的合成技術(shù)以提供更加完善的制備方案也是未來研究的主要方向之一。

其三,提升相變儲能建筑材料的傳熱性能。當(dāng)前大多數(shù)相變儲能建筑材料的傳熱性能都必須通過增加儲能材料的含量來完成,而這樣不但會降低建筑材料的強度與機械性能,同時也會增加更多的復(fù)合成本與復(fù)合難度。未來隨著技術(shù)研究的不斷深入,提升相變儲能建筑材料的傳熱性能也將成為行業(yè)研究的新方向。

4 總結(jié)

綜上所述,相變儲能建筑材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用具有眾多優(yōu)勢與便利條件,其不但可以有效降低建筑內(nèi)部的熱波動,同時對于提升建筑物的整體舒適性以及提升資源的綜合利用效率也具有重要的價值和作用[4]。本文立足于相變儲能建筑材料現(xiàn)狀,分別就復(fù)合技術(shù)以及未來儲能材料的研究方向進行了分析與闡述,也希望能夠為行業(yè)的快速發(fā)展提供新的思路,為相變儲能材料在建筑材料中的有效應(yīng)用提供價值與依據(jù)。

[1]鄭鵬飛.節(jié)能型相變儲能建筑材料的應(yīng)用及發(fā)展[A].北京中外軟信息技術(shù)研究院.第四屆世紀(jì)之星創(chuàng)新教育論壇論文集[C].北京中外軟信息技術(shù)研究院:2016∶1．

[2]陳寶春.節(jié)能型相變儲能建筑材料研究綜述[J].科技信息,2011(12):82．

[3]楊思齊.相變建筑材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用初探[J].江西建材,2017(19):20,22．

[4]江葉帆,左清.建筑節(jié)能中應(yīng)用相變材料的意義分析與闡釋[J].江西建材,2017(11):13-14．