相变材料

相变材料在建筑围护结构中的应用●相变材料●建筑围护结构用相变材料的选择●相变材料在建筑围护结构的应用●相变储能材料研究存在的问题●展望目录相变材料（phasechangematerialsPCM）或称为相变储能材料，是在某一特定的温度下，能够从一种状态转变到另一种状态的物质，物质的分子迅速由有序向无序的转变（反之亦然），同时伴随着发生吸热或放热现象。1.相变材料冰-水相变过程：冰加热时，温度每升高1℃，它只吸收2J∕g；当冰融解时，吸收335J∕g的潜热，当水进一步加热，温度每升高1℃，它只吸收大约4J∕g的能量。由冰到水的相变过程中所吸收的潜热几乎比相变温度范围外加热过程的热吸收高80多倍1.1相变材料分类根据材料的化学组成成分分成无机相变材料有机相变材料材料按相变形式分为液-气、固-气、液-液、固-液、固-固5种，只有固-液、固-固有应用价值。美国Dow化学公司对近两万种相变材料进行了测试，发现只有1%的相变材料可进一步研究。1.1.1无机相变材料无机相变材料主要有金属合金[Mg-Cu]、金属盐的水合物[Na2SO4·4H2O，MgCl2·6H2O，A1（N03）3·9H2O等]、碱的水合物[Ba（OH）2·8H2O等]、活性白土及矿棉等。相变机理为：材料受热时，脱去结合水，吸收热量；反之，吸收水分，放出热量。无机相变材料具有传热快，价格较低的优点，但是存在过冷、相分离、腐蚀性大、毒性大等缺点.过冷是指物质冷却到冷凝点时并不结晶，需要到冷凝点以下一定温度时才开始结晶，导致相变温度波动.相分离是指在多次反复相变过程中盐水分离，有部分盐类不溶于结晶水而沉于底部，不再与结晶水结合，形成分层现象，导致储能能力大幅下降，缩短了使用周期.熔点熔化热1.1.2有机相变材料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。分为有机固－液相变材料和有机固-固相变材料两种。有机固-液相变材料包括高级脂肪烃、羧酸、酯、长链烷烃、丁二胺、硬脂酸丁脂、石蜡及某些聚合物等，石蜡在建筑业相变材料的应用前景较为广阔，因石蜡是由石油加工得到的固态烷烃混合物产品。无臭无味、价格低廉。闫全英、梁辰等对十七烷、十八烷、二十烷、48#石蜡等进行掺配实验。根据实验得出结论：较高熔点的石蜡在加入低熔点石蜡后，相变温度大幅度降低，而潜热焓变化不大。1.1.2有机相变材料固-固有机相变材料，主要通过晶体有序-无序结构转变进行可逆储能和释能。其主要为多元醇。多元醇类相变材料主要有季戊四醇（PE）、2，2-二羧甲基-丙酸（PG）、新戊二酸（NPG）、三羧甲基乙烷（TMP）、三羧甲基氨基甲烷等。一般认为，多元醇类固-固相变材料在低温时为层状低对称晶体，层与层之间由-OH形成的氢键连接，温度上升发生固-固相变后，转化为面心立方体对称晶体，同时分子间氢键发生断裂，并导入了分子旋转和振动无序，从而吸收热量。固-固类相变材料虽然因经济因素在建筑业应用较少，但因为相变时宏观状态不发生变化，生产时不需要封装步骤，便于使用、储存，是今后发展的方向。相变材料强化换热◆通过数值和实验分析了管内十字型肋片的传热强化效果结果表明，采用肋片后，储热单元的换热效果明显提高，其模型如图1所示相变材料◆在相变材料中加入碳素纤维的强化传热问题◆柱状储热单元中直肋对放热过程的影响◆在储热系统中加入金属丝网和金属球后的传热强化效果◆研究硬脂酸的熔化过程特性，采用螺旋型肋片来强化传热◆研究针翅管式相变蓄热器传热特性，采用三维针翅管作为换热强化元件，对换热器进行了充放热实验，研究了不同流量对充、放热过程的影响◆在石蜡中添加铜粉、硅粉和不锈钢丝带对石蜡螺旋盘管蓄热器蓄热和放热性能的影响◆以石蜡为相变材料的太阳能储热系统，在其中添加铝粉末来提高导热系数（图2）相变材料(扫描电镜法)1.2.相变材料的封装定型技术◆分散封装把一定数量（从几克到几公斤）的相变材料装入由金属，塑料或薄膜制成的管、球、板或其他不与相变材料发生反应的容器中，这种方式叫做分散封装，常用空气作为传热流体。尺寸较小的分散封装形成的相变材料可以掺入到建筑材料中使用，对需要较小的储能体积的居民住宅内，也常用这种形式来组装成小的储能换热器（图3，4）。1.2.相变材料的封装定型技术◆微胶囊封装微胶囊相变材料是指在固-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具有核壳结构的新型复合相变材料（图5）。◆与高分子聚合物熔融共混定型这种方法是指在高于高分子聚合物熔点的温度下，对相变材料和高分子聚合物进行熔融共混，当冷却至室温时，相变材料均匀地分散在已固化的高分子聚合物中达到定型的目的。◆多孔材料吸附定型采用多孔材料吸附相变材料是目前研究较广泛的定型技术，即把多孔材料浸入熔融状态下的相变溶液，使相变材料填充于多孔材料的孔隙中。◆带换热器的整体封装1.2.相变材料的封装定型技术图5微胶囊封装2.建筑围护结构用相变材料的选择相变材料的种类很多，但是并不是每一种相变材料都可以应用在建筑围护结构中，见表2，相变材料在建筑围护结构中的应用要具有以下条件：◆具有良好的热传导系数，单位质量的相变潜热大，体积膨胀率小，密度大；◆相变过程可逆性好，相变过程的方向仅以温度决定，不存在过冷和回降现象；◆无毒、无腐蚀、无泄漏、防火、不污染环境；◆相变材料经济且原料来源容易；2.建筑围护结构用相变材料的选择◆相变过程可靠性好，不会产生降解和变化，使用寿命长，一般要求达到50年以上；◆相变温度合适，适合于各地域的气候特征和接近人体的舒适温度；◆蒸汽压力低。相变材料相变材料熔点℃熔点℃溶化热kJ/kg溶化热kJ/kg氟化钾六水氯化钙硬脂酸丁酯月桂醇18.5-1929.71917.5-23231171140188.8工业级十八烷棕榈酸异丙酯45/55癸酸-月桂酸22.5-26.216-1917-21205.1186143表23.相变材料在建筑围护结构的应用﹡相变墙体﹡相变材料在混凝土中的应用﹡相变地板﹡相变保温层相变材料在建筑围护结构的应用相变蓄能维护结构、供暖储能系统空调蓄冷系统3.1.相变墙体MengZhang，MarioA.Medina等同时建造了2间模拟能耗房间（1.83m×1.83m×1.22m），一间使用常规墙体，一间使用添加了相变材料的墙体.通过实验发现使用相变材料墙体的房间，无论是室内温度的稳定性、还是舒适度，都优于使用常规墙体材料的房间。P.Schossig，H.-M.Henning建造了常规尺寸的模拟研究房屋，房屋的内墙采用不同的墙体材料，左边的房间采用相变材料，平行的房间采用常规墙体材料。经过对室内温度的检测，发现使用相变材料的房间，室内温度波动大大小于常规材料的房间。3.1.相变墙体胶合板石膏板玻璃纤维墙壁剖立面安装浸渍相变材料的石膏板，相变材料是50%硬脂酸丁酯和48%软质酸丁酯的混合物，其相变点是21℃3.1.相变墙体“3升房”使用的相变墙体结构图由德国BASF公司开发出的一种含微胶囊石蜡的石膏墙板，并且将它与轻质墙体结合在一起。微胶囊石蜡的含量占石膏墙板的1/3，蓄热能力相当于20CM厚的砖木结构，可以使室内温度大部分时间维持在22～26℃。3.2.相变材料在混凝土中的应用3.2.相变材料在混凝土中的应用3.2.相变材料在混凝土中的应用由12块相同的普通混凝土块和浸渍相变材料的混凝土块构成。通过控制空气的速度控制混凝土块的储热和放热速率。分别由两台独立的空调系统对其进行供热和制冷。混凝土块的尺寸是20CM×20CM×40CM，中间空心。供暖时，气流速度是3m/s，送风温度是25℃。3.3.相变地板3.3.相变地板3.3.相变地板3.3.相变地板3.4.相变保温层太阳能通风增加的建筑材料主要有玻璃、金属板和油漆涂料，对于采用相变蓄热材料的太阳能通风系统还要加上相变蓄热材料。经过市场调查，目前5mm厚的钢化玻璃的价格为60元/m2，5mm厚的普通玻璃价格为30元/m2，镀锌板价格为35元/m2，相变蓄热材料价格为10元/kg相变蓄热材料随着集热面倾角的不同，所采用的量也不同。另外，刷1m2所需要的油漆费用可以忽略。以上材料如果在工程中大批量采购，价格会更便宜。所以，普通太阳能通风系统的初投资成本是65～95元/m2。采用不同相变蓄热材料(相变温度为43℃的月桂酸和62.3℃的棕榈酸)的太阳能通风系统的初投资成本分别为367元/m2和307元/m2。这些费用比采用机械通风或空调设备时要小得多。现阶段相变储能材料的研究困难主要表现以下三方面:◆相变储能材料的耐久性,这个问题主要分为三类。首先,相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化。其次,相变材料从基体材料中泄露出来,表现为在材料表面结霜。另外,相变材料对基体材料的作用,相变材料相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏。◆相变储能材料的经济性问题,是制约其广泛应用于建筑节能领域的障碍,表现为各种相变储能材料及相变储能复合材料价格较高,导致单位热能的储存费用上升,失去了与其他储热方法的比较优势。4.相变储能材料研究存在的问题◆相变储能材料的储能性能问题,对于相变储能复合材料,为使储能体更加小巧和轻便,要求相变储能复合材料具有更高的储能性能。目前的相变储能复合材料的储能密度普遍小于120J/g,有学者预测,通过增加相变物质在复合材料中的含量和选择相变焓更高的相变物质,在未来数年内,将有可能将相变储能复合材料的储能密度提高到150-200J/g。4.相变储能材料研究存在的问题在能源供给渐趋紧张的今天,相变材料以其独特性越来越受到人们广泛的重视,越来越多的领域开始应用相变材料。对于复合相变储能材料,今后的研究方向有:◆改善相变材料的导热性能和相变速率,研制高能量密度的相变材料;掌握相变材料之间的复合原则以及如何复合提高材料的性能;开发具有多功能的复合相变材料。◆在对相变储能技术的研究中,工程热物理学和数学将是不可缺少的手段。采用合适的数学模型,将在相变储能技术的研究及开发应用方面起到关键性作用。5.展望请老师同学批评指正！谢谢！杨彬2010年12月10日