相變建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀及應用分析
相變建筑材料是一種有別于普通建材的新型建筑功能材料，下面是小編搜集整理的一篇探究相變建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀的論文范文，供大家閱讀查看。
【摘 要】本文首先指出了相變建筑材料的發(fā)展現(xiàn)狀，繼而探討了相變建筑材料的發(fā)展應用，旨在促進該種材料在建筑領域的進一步應用。
【關鍵詞】相變建筑材料;發(fā)展現(xiàn)狀;應用
近些年來，相變材料(PCM)的開發(fā)和利用受到了人們的普遍關注。相變材料具有物相變化特性，在物相變化過程中能吸熱或者放熱，從而實現(xiàn)能量儲存或者釋放的效果。采取一定的技術(shù)手段將相變材料和常規(guī)建筑材料復合在一起，便會得到一種新型儲能建筑材料(PCBM)，不僅保留了原有建材的優(yōu)點，還繼承了相變物質(zhì)的優(yōu)點。當存儲相同熱量時，相變建筑材料體積遠遠小于普通建筑材料的體積。另外，相變建筑材料對溫度變化較為敏感，能根據(jù)室內(nèi)溫度變化進行能量的存儲或者釋放，大幅提高了室內(nèi)環(huán)境的舒適度。[1]相變建筑材料的應用還處于起步階段，有著非常廣闊的市場前景。相關專家表示，如果將相變建筑材料廣泛應用于房屋建筑中，那么可減少百分之五十用于加熱或者制冷的電力消耗。
1、相變建筑材料的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 相變建筑材料的發(fā)展歷程
1.1.1 相變材料應用于建筑材料始于1980年。近些年來，相變材料和相關建筑材料(如石膏板等)的結(jié)合更為深入，大大提高了建筑結(jié)構(gòu)的熱能存貯效果。上世紀80年代，相關研究人員對相變材料(無機物和有機物)進行了嚴格的篩選工作。
1.1.2 早期研究重點放在了無機水合鹽這一領域，如Na2SO4・10H2O 和CaCl2・6H2O，這兩種材料盡管熔點合適、潛熱較大、價格便宜，但存在“過冷”、“析出”、腐蝕以及吸潮等弊端而被排除。接著，人們將研究視線轉(zhuǎn)移到了低揮發(fā)性無水有機物這一領域，如聚乙二醇、脂肪酸以及石蠟衍生物等[2]。該類材料在物理化學性能方面較為穩(wěn)定，再加上良好的熱行為以及可調(diào)的相變溫度，因而具有一定的開發(fā)潛力。
1.1.3 最近幾年，國內(nèi)外開始致力于有機相變建筑材料的研究，包括石蠟烴、脂肪酸以及多元醇類等。正烷烴的熔點和人體舒適溫度較為接近，相變焓大，缺點是價格貴，且會造成建材表面結(jié)霜;脂肪酸價格便宜，相變焓小，單獨使用時，對量的需求很大;多元醇不僅具有固定相變溫度，還具有固定相變焓，缺點是價格偏高。
1.1.4 為了解決單一相變材料存在的問題，人們對二元及多元相變體系展開了進一步的研究。
1.1.4.1 目前，主要存在兩種復合方式：(1)將正烷烴與脂肪酸類、多元醇類相變材料混合，從而實現(xiàn)以更低成本獲得效果更好的復合相變材料。(2)將兩種或三種多元醇進行一定比例的混合，最終形成“共融合金”，以實現(xiàn)對相變溫度或者相變焓的有效調(diào)節(jié)[3]。
1.1.4.2 相變材料混合物的研發(fā)和應用，極大地推動了相變建筑材料的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)在選用相變材料時，有效克服了純物質(zhì)熔點的限制問題，拓寬了篩選范圍，人們可以選擇兩種或者兩種以上、具有不同熔點的純物質(zhì)去制作所需要的相變材料混合物，從而降低了制造費用。(2)由于組元的不同以及成分的可改特性，為相變溫度的可連續(xù)調(diào)整奠定了基礎。(3)應注意組元的適當選取，使混合物部分或者全部繼承某些組元的優(yōu)點，如對烷烴和醋類進行有機混合，一方面有助于相變潛熱的保留，另一方面有助于表面結(jié)霜的抑制。
1.2 相變建筑材料的應用
建筑領域，如何高效應用相變材料是一個值得深入研究的課題。為使相變建筑材料達到最佳節(jié)能的要求，應結(jié)合相關因素(包括建筑構(gòu)造、氣候環(huán)境以及使用目的等)，對相變建筑材料以及換熱方式進行科學布置[4]。
1.2.1 相變材料和混凝土結(jié)合
用于構(gòu)筑建筑墻體在建筑節(jié)能領域，相變儲能混凝土在熱容方面遠遠優(yōu)于普通混凝土。將相變儲能混凝土用作外墻體材料，有助于保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，改善室內(nèi)熱舒適性，同時達到節(jié)能的目的。在上世紀70年代，Chahroudi等人就以芒硝等無機相變材料，并通過直接浸泡法制備了相變儲能混凝土，值得一提的是，該類相變材料將會對混凝土基體產(chǎn)生一定的腐蝕作用。張東等人對相變混凝土的制備方法和熱性能進行了深入的研究。他們采用“兩步法”，即先制備定形相變材料――骨料，然后再采用相變儲能骨料，用普通混凝土的制備技術(shù)配制了相變儲能混凝土。所得到的相變儲能混凝土在儲熱效果方面遠遠好于一般混凝土。Kuznik等人用數(shù)值模擬方式研究一種含新型相變材料的墻體的熱性能，試驗顯示，相同氣候條件下與不含相變材料墻體相比，含相變材料的墻能夠有效控制室內(nèi)溫度波動，當天氣過熱時，效果的更加。研究顯示，利用以下方法可將相變材料有效地包容于混凝土中：(1)將相變材料吸入多孔材料。(2)將相變材料吸入超細的特殊SiO2材料中。(3)將相變材料滲入聚合物載體中[5]。 1.2.2 相變材料和室內(nèi)輕質(zhì)圍護材料結(jié)合。 在建筑圍護結(jié)構(gòu)中，引入相變儲能技術(shù)，一方面能夠大幅提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，另一方面能夠有效降低空調(diào)系統(tǒng)的相關消耗(包括投資及能耗)。這對于建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展和應用而言，具有非常重要的現(xiàn)實意義。將相變材料和水泥石膏或者高分子聚合物有機的復合在一起，能夠制成輕質(zhì)板材或者漿料。在墻板、地板以及天花板的施工中，如果采用上述輕質(zhì)板材，并結(jié)合適當?shù)膿Q熱方式，那么將會獲得良好的節(jié)能及蓄熱效果。Dariusz Heim等人做過如下試驗：在被動式太陽能房間中，分別采用各種相變石膏板，然后對各自的熱性能以及儲熱效果進行數(shù)值測試。試驗結(jié)果顯示，相變石膏板的應用能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能的充分利用，理想條件下，甚至能夠節(jié)省百分之九十的采暖費用。德國弗賴堡夫瑯費太陽能系研究所研制出了一種具有冬暖夏涼效果的.內(nèi)墻砂漿，其原理是在水泥中摻入一定數(shù)量的、裝有石蠟的微膠囊，如此一來，30mm厚的這種砂漿墻體在熱容量方面可媲美400mm厚的水泥墻體。
1.2.3 相變材料和纖維等軟質(zhì)材料相結(jié)合
將相變材料和纖維等軟質(zhì)材料有機的結(jié)合在一起，所制成的建筑材料通常具有良好的保溫隔熱效果，這正是當今高效節(jié)能理念所要求的。將相變材料和纖維復合，并用于調(diào)溫壁紙以及百葉窗的制作，能夠大幅降低窗戶的熱流損失，從而維持室內(nèi)溫度的恒定。B.Pause等人對兩種窗簾(一種含有相變材料，另外一種不含相變材料)進行了深入的對比研究，以揭示二者在熱流損失上的差異。用于試驗的且含有相變材料的窗簾是一種三層織物，其中間一層為填充有相變材料的泡沫層。該種窗簾能夠利用相變材料實現(xiàn)對吸熱、散熱的有效調(diào)節(jié)，能夠明顯降低熱流量損失，最高可達百分之三十[6]。美國專家曾研制成功一種調(diào)溫壁紙，當室溫高于21°C時，將發(fā)生吸熱作用，當室溫低于21°C時，將發(fā)生放熱作用。該種調(diào)溫壁紙通常被設計成三層。(1)靠墻的里層采用絕緣材料，將冰冷的墻體有效隔離開來。(2)中間層屬于調(diào)節(jié)層，含有相變材料成分，能發(fā)揮吸濕、蓄熱的功能。(3)外層應美觀大方，適合裝飾圖案的印刷。
2.相變建筑材料的發(fā)展策略
未來，相變建筑材料的發(fā)展策略可參考以下幾點：(1)針對不同的室內(nèi)外環(huán)境特點，開發(fā)出具有合適相變溫度與相變焓、在長期使用過程中物理化學性能穩(wěn)定、性價比較高的適合用于建筑節(jié)能的相變材料。研究改善相變材料的導熱性能，提高其相變速率的方法。(2)研究相變材料與普通建筑材料的結(jié)合方式。研究摻入相變材料后，相變材料與普通建筑材料的相容性及混合后材料的儲熱傳熱機械及防火特性。(3)在不同熱(冷)源形式的供暖、空調(diào)系統(tǒng)中，針對不同的使用條件(包括氣象條件)，開展帶相變建筑節(jié)能材料建筑傳熱過程的數(shù)值模擬研究和與模擬研究對應的實驗研究[7]。
3.結(jié)語
相變建筑材料是一種有別于普通建材的新型建筑功能材料。該類建材的應用，能夠大幅降低建筑能耗，因而具有廣闊的應用前景。隨著世界能源的日益緊張，人們越來越關注建筑節(jié)能問題，在這種背景下，相變建筑材料將會迎來新一輪的研究熱潮，獲得更進一步的發(fā)展。
參考文獻
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