相变混凝土的应用与发展前景

相变混凝土的应用与发展前景

摘要：研究将相变蓄能材料加入到混凝土中得作用.研究表明,在混凝土中通过一定的技术手段加入适量的合适的相变蓄能材料可以极大地改善墙面等维护结构的保温调温性能,与一般的混凝土材料相比较,可以极大的节省能源.

关键词：相变材料;混凝土;蓄能

Abstract: the research of phase change thermal energy storage materials will be added to the concrete effect of. Research shows that, in the concrete through certain technical means of the addition of suitable amount of the right of phase change thermal energy storage materials can greatly improve the maintenance structure wall etc insulation performance of temperature adjustment, and the general concrete materials compared, can greatly saves energy.

Keywords: phase change materials; Concrete; Pumped storage

前言

随着社会的发展,节能问题日显重要,同时人们对居住环境要求也日益增长.针对两者之间的矛盾,急需在建筑材料上做出改革.相变混凝土具有节能保温的作用,在满足人们居住环境要求的同时节约能源.它的原理在于,在室温升高时通过相变材料的熔化吸收多余的热量,在室温降低时通过相变材料的凝固放出热量,保持室内温度在一定的小范围内波动,可以节约一些用于暖通制冷方面的能源.

一、相变蓄能的简单介绍

物质的存在通常有固、液、气三态,从一种集态变到另一种集态叫相变.物质从液相转变到气相（固相转变到液相、固相转变到气相）时,要吸收大量的热量,即汽化热（溶解热、升华热）.在物质进行相变时所吸收的这三种热量,称为物质的潜热.这种在相变时将能量储存起来,而在需要时又能将能量释放出来的方法就是相变蓄能[1] .

二、相变材料的分类

相变材料按成份分类,主要分为无机、有机和复合等种类.无机相变材料主要是结晶水合盐类等.具有使用范围广,导热系数大,储热密度大,价格便宜等优点,但

有过冷度大和相分离的缺点;有机材料主要包括石蜡、羧酸等有机物.具有不易出现过冷现象和相分离、腐蚀性小、性能稳定等优点.但是也存在着熔点低、易挥发、易氧化和燃烧等缺点.为有效克服单一的无机类或有机类相变材料存在的缺点,可采用复合材料.复合材料主要是有机和无机的馄合物,应用范围广,但存在相变潜热下降、长期相变过程中易发生变性等缺点.所以,相变材料的研发必然要走二元或多元复合方向.

近年来,研制复合相变材料已成为相变材料领域的研究热点.当前复合的方式有两种：一种是将正烷烃与脂肪酸类、多元醇类相变材料混合,得到一定温度下的低共熔混合物,从而以更低的成本得到更有效的复合相变材料.另一种是将两种或三种多元醇按不同比例混合,形成“共融合金”,通过对相变温度和相变焓进行调节,开发出具有合适的相变温度与相变焓的复合相变材料.[2-3]

三、用于建筑结构的相变材料的选择

作为建筑节能和建筑环境与设备工程领域用相变材料,它们应满足以下条件：

1、热性能要求：合适的相变温度;较大的相变潜热;合适的导热性能（导热系数一般宜大）.

2、化学性能要求：在相变过程中不易发生熔析现象;应在恒定温度下融化或固化,即必须是可逆相变,不发生;过冷现象（或过冷度很少）,性能稳定;无毒,对人体无腐蚀;与容器材料相容,即不腐蚀容器;不易燃;较快的结晶速度和晶体生长速度.

3、物理性能要求：低蒸汽压;体积膨胀率较小;密度较大.

4、经济性能要求：原料易得、价格便宜[4].

鉴于以上要求,对建筑相变材料的选择经历了如下发展：最初研究的无机盐的水合物Na2SO4•10H2O和CaCl2•6H2O,尽管熔点合适、潜热大且价格低廉,但由于产生过冷或过热现象,对建筑材料具有腐蚀性或强吸潮性而被排除.有机类相变材料,如烷烃、酯、醇及石蜡等,虽然化学稳定性好,但仍是固-液相变,需要容器封装,成本高,工艺复杂.随着物理化学和有机化学基础理论的发展,最近人们开发出固-固高分子相变材料和定形相变材料.如姜勇等人采用化学方法,制备了固-固相变高分子材料;还有些学者借助于微胶囊技术或采用纳米制备技术制得固-固相变材料;张演平等以高密度聚乙烯为载体制备了定形相变材料,这种材料兼顾了固-液相变潜能大以及固-固相变体积变化小的优点,并且物理性能和化学性能稳定、热导率高,使用过程中无需容器封装,比传统建筑材料复合工艺简单,这种材料的出现使得相变材料在建筑结构中的应用成为可能.

目前应用于建筑节能领域的相变材料主要有结晶水合盐类无机相变材料、石蜡、羧酸、酯、多元醇以及高分子聚合物等有机相变材料.

四、相变材料的封装技术

相变材料与混凝土的结合方法主要有直接加入、浸泡和封装三种.直接加入法便于控制加入量,浸泡法则可对成品建筑材料进行处理.但是,采用这两种方法制备的相变储能建材耐久性差,封装方法有效地解决了上述问题.封装包括大体积封装和微体积封装.大体积封装是将相变材料装入管件、袋子、板状容器或其他容器中,这种容器化相变材料已经被市场应用到太阳能领域,但由于其在相变时与环境接触面积太小,使得能量传递不是很有效.因此,微体积封装越来越吸引人们的眼球.微体积封装,又名微观封装,是指把载体基质做成微胶囊、多孔泡沫塑料或网状结构,而将工作物质灌注于其中;或者采用易成膜物质,如高密度聚乙烯,与相变材料共混而成,即利用二者的相容性,熔融后混合在一起制作成为成分均匀的相变材料.这种材料可与传统建筑材料直接复合,工艺简单,化学性质稳定,储热量高,热导率高.

五、相变混凝土的应用前景

相变混凝土作为环保节能型的建筑功能材料,可以在提高建筑物舒适性、节能降耗等方面发挥重要的作用.要使相变混凝土在工程实际中能有广泛应用,还需要对许多问题作更深入的研究,今后的研究方向和主要内容有：

(1)研究更为合适的可用于相变储能建筑材料的相变材料;(2)研究如何制备稳定相变储能建筑材料的新方法;(3)提高相变储能建筑材料的传热性能;(4)建立相变储能建筑材料围护结构传热模型.

相变混凝土用于建筑节能领域,有利于降低建筑内部热波动,提高建筑物的舒适性,达到节能的目的.随着能源问题的日益突出以及人们对建筑节能问题的日益重视,相变混凝土的应用前景必然越来越广阔.

参考文献

[1] 蓄冷空调技术[M].方贵银等编著.北京:机械工业出版社,2006.6.

[2] Farid M M.Khudhair A M,Razaek S A.et al. A Review on Phase change energy storage material applieations[J].Energy Conversion and Management,2004,45:1597-1615.

[3]He B,Matine V,Setterwall F. Phase transition temperature ranges and storage density of paraffin wax phase change materials [J].Energy,2004,29: 1785-1804.

[4]热质交换原理与设备[M].连之伟主编.北京:中国建筑工业出版社,2006.