相變儲(chǔ)能材料技術(shù)及在建筑節(jié)能中的運(yùn)用研究

摘?要：近年來，我國愈發(fā)重視科技發(fā)展，尤其是在新材料和熱能領(lǐng)域中，相變儲(chǔ)能技術(shù)更是已經(jīng)成為一大研究熱門，相變儲(chǔ)能技術(shù)能夠使我國面臨的能源供需失配問題得到有效解決，并可充分發(fā)揮能效，提高太陽能的利用效率。本文便對(duì)相變儲(chǔ)能材料的內(nèi)部相變機(jī)理及其材料性質(zhì)進(jìn)行深度分析，在此基礎(chǔ)上利用建筑模型實(shí)驗(yàn)的方式來研究建筑節(jié)能中相變儲(chǔ)能材料的運(yùn)用效果，以期能夠?yàn)榻ㄖこ倘藛T在應(yīng)用相變儲(chǔ)能材料技術(shù)過程中提供一些有價(jià)值的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：相變儲(chǔ)能材料;建筑工程;節(jié)能;運(yùn)用

引言

Phase Change Materials的中文簡稱為相變儲(chǔ)能材料，人們又將相變儲(chǔ)能材料叫做PCMs材料，對(duì)于相變儲(chǔ)能材料來說，當(dāng)外界溫度在固定范圍內(nèi)變化時(shí)，其材料本身的相態(tài)或結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而使環(huán)境中的熱量能夠被材料自動(dòng)吸收，或是材料將內(nèi)部儲(chǔ)存的熱量釋放到環(huán)境之中去，這樣便可使材料發(fā)揮出對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控的作用。就目前來看，我國建筑行業(yè)的能耗水平長期居高不下，而國外建筑行業(yè)的能耗也超過全部行業(yè)總能耗的四成以上，因此，大力推行節(jié)能減排勢(shì)在必行，只有發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，才能有效保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境。在節(jié)能減排的大背景下，人們對(duì)建筑節(jié)能新材料開發(fā)也日益重視，相變儲(chǔ)能材料便是典型的建筑節(jié)能新材料之一，其材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于能夠通過吸收和釋放能量來調(diào)控環(huán)境溫度，并且材料的體積較小，有著簡單的儲(chǔ)熱裝置和較大的儲(chǔ)能密度，這使得室溫定溫控制成為可能。以下便對(duì)相變儲(chǔ)能材料及其在建筑節(jié)能中的運(yùn)用開展深入的研究。

一、相變儲(chǔ)能材料的機(jī)理及性質(zhì)

當(dāng)外界溫度在固定范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，材料的物理狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種材料便是PCMx材料，也就是所謂的相變儲(chǔ)能材料。如果外界溫度超過相變儲(chǔ)能材料的相變點(diǎn)時(shí)，此時(shí)該材料會(huì)自動(dòng)對(duì)外界熱量進(jìn)行吸收，以此實(shí)現(xiàn)相變。而如果外界溫度低于相變儲(chǔ)能材料的相變點(diǎn)時(shí)，那么該材料則會(huì)將自身存儲(chǔ)的熱量向外界釋放，該釋放過程便是逆相變過程。對(duì)于相變儲(chǔ)能材料來說，其在進(jìn)行相變與逆相變時(shí)吸收或釋放的熱量，則可將這些熱量看作是相變儲(chǔ)能材料的潛熱。在相變儲(chǔ)能材料中，其材料特點(diǎn)主要體現(xiàn)在高密度儲(chǔ)能、大量的相變潛熱以及簡單的儲(chǔ)能裝置，當(dāng)相變儲(chǔ)能材料處于相變過程時(shí)，其自身溫度的穩(wěn)定性是趨于良好的，通過對(duì)外界環(huán)境溫度進(jìn)行有效調(diào)控的同時(shí)，還可使能源供需過程中存在的供需速度和供需時(shí)間異步問題得到顯著的改善，進(jìn)而使相變儲(chǔ)能材料真正實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的有效調(diào)控，可以說，相變儲(chǔ)能材料在我國建筑領(lǐng)域中有著巨大的節(jié)能保溫優(yōu)勢(shì)。以相變儲(chǔ)能材料所具有的性質(zhì)來看，其主要類別可劃分成有機(jī)物PCMs和無機(jī)物PCMs，在這兩類PCMs中，無機(jī)物PCMs的導(dǎo)熱性、蓄熱密度、經(jīng)濟(jì)性以及熔解熱等性質(zhì)要高于有機(jī)物PCMs，不過在建筑工程中應(yīng)用無機(jī)物PCMs時(shí)，卻容易受到腐蝕，并且無機(jī)物PCMs在使用過程中還可能存在易相分離、過冷等問題，進(jìn)而導(dǎo)致其儲(chǔ)熱能力受到影響。對(duì)于有機(jī)物PCMs來說，其儲(chǔ)能利用率偏低，并且導(dǎo)熱性也不好，所以系統(tǒng)能效偏低，不過該類PCMs卻有著良好的抗腐蝕性和穩(wěn)定性。

二、相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的運(yùn)用研究

在建筑節(jié)能領(lǐng)域中，為了對(duì)相變儲(chǔ)能材料在應(yīng)用過程中所發(fā)揮的節(jié)能降溫效果進(jìn)行研究，本文采取建筑模型實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)一個(gè)尺寸為270mm×320mm×320mm的涼屋頂建筑模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制作，在該模型中，按照從上至下的順序分別是紙箱板、相變儲(chǔ)能材料層、紙箱板，其中紙箱板的厚度為4mm，而相變儲(chǔ)能材料層的厚度則為10mm，為了測(cè)量相變儲(chǔ)能材料在建筑模型中的溫度調(diào)控效果，還需要將精密而靈敏的鉑電阻溫度測(cè)量計(jì)分別布置在紙箱中心處與角位置、相變儲(chǔ)能材料層的中心位置與角位置?？紤]到需要通過對(duì)比來驗(yàn)證相變儲(chǔ)能材料的溫控效果，還要制作同樣尺寸的建筑模型便于對(duì)比。在用于對(duì)比的建筑模型制作時(shí)，原有的相變儲(chǔ)能材料層利用多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖來進(jìn)行代替，這是因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)-膨脹珍珠巖有著非常良好的隔熱性能，該有模型的各項(xiàng)參數(shù)均和涼屋頂建筑模型保持一致，而且鉑電阻溫度測(cè)量計(jì)的布置位置也和涼屋頂建筑模型相同。在檢測(cè)涼屋頂建筑模型和用于對(duì)比的建筑模型的室內(nèi)、室外與屋頂溫度時(shí)，主要通過微機(jī)化多路溫度采樣儀來完成。對(duì)于相變儲(chǔ)能材料來說，當(dāng)外界溫度達(dá)到30℃時(shí)，該材料便會(huì)產(chǎn)生相變，而膨脹珍珠巖則是一種多孔的隔熱介質(zhì)材料，模型中的低滲透模層則采用環(huán)氧樹脂，多孔介質(zhì)內(nèi)還載入有40%的相變物質(zhì)。在開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要在室內(nèi)溫度達(dá)到25℃的條件下放置兩個(gè)建筑模型，并進(jìn)行八個(gè)小時(shí)的冷卻后，待八個(gè)小時(shí)過后將其移至室外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的天氣數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天為夏季，其露天空氣溫度在不進(jìn)行遮擋的情況下可達(dá)到40℃左右，并且當(dāng)天的天氣晴朗。根據(jù)測(cè)量的空氣溫度變化曲線、涼屋頂建筑模型中相變儲(chǔ)能材料中心處的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)、用于對(duì)比建筑模型中多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖的中心處溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合這些數(shù)據(jù)可了解到，在用于對(duì)比的建筑模型中，由于其并沒有設(shè)置相變儲(chǔ)能材料層，這使其層頂溫度迅速上升，而且集熱效果非常顯著，明顯高于空氣溫度，溫度值將近50℃。在涼屋頂建筑模型中，因其設(shè)置了相變儲(chǔ)能材料層，這使其相比于對(duì)比的建筑模型來說，涼屋頂建筑模型的屋頂溫度始終要比前者更低，而且也低于外界空氣溫度，隨著時(shí)間推移可知，在涼屋頂建筑模型中，其屋頂溫度要低于對(duì)比建筑模型中屋頂溫度3℃左右，由此可以看出，采用相變儲(chǔ)能材料來調(diào)控建筑模型中的溫度，其降溫效果要比多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖更加明顯。

通過在建筑模型屋頂中運(yùn)用相變儲(chǔ)能復(fù)合材料，能夠使建筑模型有效阻隔太陽輻射對(duì)屋頂?shù)臒崃苛魅耄谀承?shù)據(jù)變化中也能對(duì)這一結(jié)論予以有力證明。相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的運(yùn)用機(jī)理可以做出以下描述，當(dāng)屋頂受到室外溫度的影響而向室內(nèi)傳遞熱量時(shí)，這些熱量會(huì)被相變儲(chǔ)能材料熔化吸收，因相變儲(chǔ)能材料在相變過程中對(duì)能量的吸收是有限的，如果能量吸收達(dá)到上限，熱量才會(huì)被傳遞至室內(nèi)。所以，由此也可以看出在建筑物的屋頂或墻壁中只要設(shè)置充足的相變儲(chǔ)能材料，即可對(duì)室外熱量的傳遞進(jìn)行有效阻隔，從而防止室內(nèi)溫度升高。借助相變儲(chǔ)能材料所具有的良好隔熱性與能量儲(chǔ)存性，能夠使建筑在使用過程中大幅減少空調(diào)電能消耗，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。舉例說明，如果夜間溫度較低時(shí)，采用相變儲(chǔ)能材料可對(duì)白天吸收的熱量進(jìn)行釋放，這樣在夜間便可縮短空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，使室內(nèi)溫度保持一個(gè)舒適的范圍。而當(dāng)中午來臨時(shí)，由于中午的溫度比較高，為了保持室內(nèi)涼爽，相變儲(chǔ)能材料會(huì)自動(dòng)將外界熱量進(jìn)行吸收，并直至達(dá)到極限為止，而外界熱量的吸收便減少了熱能在室內(nèi)的傳遞，從而使建筑室內(nèi)人員不需開啟空調(diào)，也能感受到室內(nèi)的涼爽，這樣對(duì)于用戶來說，即減少了用戶對(duì)電能的消耗，同時(shí)也為用戶節(jié)約了許多用電費(fèi)用。Ryu與Udagawa便通過數(shù)值模型對(duì)設(shè)置了相變儲(chǔ)能材料建筑物的電能節(jié)約情況進(jìn)行了深入的分析，并得出了以下結(jié)論：即當(dāng)分時(shí)電價(jià)比例達(dá)到1：3時(shí)，能夠使電能節(jié)約量達(dá)到45%至75%，而用戶的用電費(fèi)用也能相應(yīng)減少27%至47%。由此可見，這一結(jié)論充分證明了相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

三、相變儲(chǔ)能材料的未來研究方向

隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長，我國對(duì)能源的需求量日益增加，這也使我國逐步成為能源消耗大國，能源供需也變得越來越緊張。在我國眾多領(lǐng)域發(fā)展中，建筑領(lǐng)域的能耗占比高達(dá)40%以上，因此，為了推動(dòng)建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排，減輕建筑行業(yè)發(fā)展給自然環(huán)境造成的污染?？梢哉f，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，就必須要加快對(duì)相變儲(chǔ)能材料的研究，而在相變儲(chǔ)能材料未來發(fā)展中，則應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)以下方向：其一，對(duì)更多種類的相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行研發(fā)，確保新研發(fā)出的相變儲(chǔ)能材料具備良好的環(huán)保效果，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相變儲(chǔ)能材料的循環(huán)利用，同時(shí)確保相變儲(chǔ)能材料具備更加良好的穩(wěn)定性，提高其經(jīng)濟(jì)性、耐久性和儲(chǔ)能密度;其二，從各個(gè)方面、不同途徑來對(duì)現(xiàn)有的相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行改進(jìn)，研究出相應(yīng)的封裝方法與基材復(fù)合方法，從而使制備的相變儲(chǔ)能材料具備良好的穩(wěn)定性與生態(tài)友好性;其三，對(duì)相變儲(chǔ)能材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化研究，使相變儲(chǔ)能材料變得更加經(jīng)久耐用;其四，在建筑領(lǐng)域中對(duì)定型相變儲(chǔ)能材料的抗?jié)B性、耐久性和儲(chǔ)熱性進(jìn)行研究，以確保在建筑節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用更多的技術(shù)新成果。

結(jié)語

總而言之，隨著越來越多專家與學(xué)者開展相變儲(chǔ)能材料的研究，其研究趨勢(shì)正變得越來越系統(tǒng)化、工程化，這也使相變儲(chǔ)材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的節(jié)能效果得以不斷提高。雖然我國對(duì)相變儲(chǔ)能材料已經(jīng)開展了較為全面的研究，不過在要料應(yīng)用時(shí)卻仍有很多問題需要解決，所以相關(guān)專家及學(xué)者還要開展更加深入的研究，以期能夠在建筑節(jié)能領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用相變儲(chǔ)能材料。

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作者簡介：王志楠，（1994.12.24-），男，漢族，哈爾濱人，學(xué)歷碩士在讀，畢業(yè)于華北電力大學(xué)，熱能工程專業(yè)，研究方向?yàn)橄嘧冃顭醿?chǔ)能材料。