淺談相變材料的機理及應用

機械工程學院 西南交通大學 四川成都 611756

摘要：隨著經濟的高速發展，能源的需求量也在不斷增加。而能源的不可再生性迫使我們尋找新能源、開發新能源。相變材料是一種高效率的熱儲存介質，在發生相變的同時，伴隨著吸熱和放熱，相變材料應用于圍護結構，可以改變建筑物室內的熱舒適性，節約能源。而相變材料的應用前景非常廣泛，本文針對相變材料的工作機理分析其應用領域及所存在的問題。

關鍵詞：相變材料；建筑節能；紡織；制冷

一、引言

近幾年來，隨著國民經濟快速增長，對能源的需求量也在不斷增長。與此同時，有限的能源也成為制約著經濟增長的主要因素。為節約資源，我們也在嘗試尋找可替代的綠色新能源、開發新能源。而相變材料逐漸走入我們的視野。相變材料具有蓄熱量大、化學穩定性好、相變過程保持恒溫等優點，成為潛在的新能源。

二、相變材料的工作機理

相變材料是指隨溫度變化而改變物理性質并能提供潛熱的物質。轉變物理性質的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。若被廣泛應用，將成為節能環保最佳載體。

其在一定條件下，可以發生相變，若發生從固態到液態的相變，在融化過程中，吸收并儲存大量的潛熱，而當其冷卻時，釋放潛熱。

三、相變材料的分類

（一）按相變溫度劃分：高溫、中溫、低溫。

（二）按組成成分劃分：有機類、無機類。

（三）按相變方式劃分：固---固相變、固---液相變、固---氣相變、液---氣相變。

四、相變材料的應用及其存在的問題

（一）相變墻體與建筑節能：

圍護結構具有一定的蓄熱性，所以墻體對室外溫度波動具有衰減延遲的作用。而現在的大多數墻體選用的是輕質結構，熱容量小，室內溫度波動較大，影響人體熱舒適性。而相變墻體可以有效改善室內熱性能。例如夏季白天，相變墻體可以阻止室內溫度大幅度升高，減少空調的使用時間以達到節約能源的目的。夜間，采取一定的通風可以將相變墻體中的蓄熱量有效排至室外環境中，避免熱量在室內聚積。

然而，對于晝夜溫差不大的地區，利用相變墻體可能會引起熱量在室內聚積的情況。因為晝夜溫差不大，白天相變墻體中的蓄熱量夜間不能有效排到環境中，而是將熱量散至室內，引起反作用，不能改善人體熱舒適性，也增加了空調負荷，進一步耗能。

（二）紡織及服裝：

在服裝領域，將相變材料植入纖維中，根據外界溫度變化，相應地吸熱和放熱，降低皮膚溫度變化，增強人體熱舒適感，為人體提供一個舒適的微環境。例如，當人體進行劇烈運動時，將產生大量熱量，這時，相變服裝發揮作用，吸收部分熱量，避免體溫大幅度升高，引起不舒適感。而在冬季的寒冷天氣中，相變服裝將蓄熱釋放出來，使人體維持較舒適的環境，不致過冷。

在服裝領域方面，相變材料依然受到一定因素的限制，例如，若使用固---液相變材料時，當其處于液體狀態時，必須有包裝隔離，提高了加工難度。此外，過冷現象還需要進一步改善。

（三）制冷設備：

普通的制冷設備都是采用傳統意義上的壓縮機制冷原理制成，而將相變制冷的機理運用于制冷領域，將節省大量能量。相變蓄能空調利用天然冷源及其在時間上的周期變化的特點，通過相變蓄能裝置和室外風冷裝置與外界進行能量交換，通過控制器實現節能溫控，從而達到節能效果。

若應用于空調領域，過冷度的存在使得相變材料在蓄冷過程中出現延遲，中斷了正常的熱循環過程，耗能增加。

（四）其他方面：

我們所熟知的相變材料應用領域還包括航天、軍事、通訊、電力、農業等。然而，在某些寒冷的貧困地區，在冬季，由于天氣寒冷，學生們上課時，手指僵硬，寫字受到嚴重影響，若能利用相變材料制成簡易的蓄熱放熱裝置，利用太陽能等自然能源進行儲熱，這樣，學生們在寫字時，將其抱在手中，釋放潛熱，不致手指僵硬。

五、結語

綜上，相變材料雖然應用領域廣闊，但是在真正的使用過程中，還存在著諸多問題，針對以上問題，隨著科學發展及進一步研究，相信在不久的將來，相變材料會在我國取得較大發展。

參考文獻：

[1]梁才航.相變材料在建筑中的應用.建筑熱能通風空調，2004，23（4）：23-26

[2]李百戰，莊春龍.相變墻體與夜間通風改善輕質建筑室內熱環境.土木建筑與環境工程，2009，31（3）：109-113

[3]張萍麗，劉靜偉.相變材料在紡織服裝中的應用.北京紡織，2002，23（4）：50-53

[4]相變材料.百度百科，2013.11.4

[5]呂知梅，于軍強.空調蓄冷相變材料的最新研究.材料導報：綜述篇，2010，24（1）：133-136

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3.5 出土口位置加固

設計中已給出了出土口位置，并采用雙排樁的形式進行加固。

3.6 坑底加固措施

（1）主樓底板標高為-15.350m區域的坑底加固設置φ1100mm@2000mm鉆孔灌注樁進行坑底加固，樁頂設置冠梁并澆筑300mm厚混凝土板。

（2）電梯井及深淺坑交界處加固采用放坡開挖的支護形式，坡面掛網噴漿并設置泄水孔。塔樓區域坑底加固樁、坑中坑平面布置如圖2所示。

4 基坑圍護止水帷幕封堵加固治理

（1）結合原三軸深層攪拌樁的坐標點確定原三軸深層攪拌樁位置。在距原三軸深層攪拌樁外側200mm處定注漿孔位，作為第1排雙液注漿的位置，第2排距第1排500mm，第2排點位與第1排點位呈梅花狀布置。結合現場實際情況，部分排距為300mm。

（2）在第1排孔位上進行鉆孔作業，下鉆的立桿必須垂直，偏差≤0.5%。

（3）鉆孔孔徑為100mm，孔深為自然地面下約16.0m，進入⑤1層粉質黏土深約2.0m。

5 基坑監測

5.1 基坑及周圍環境的監測

（1）沿基坑周邊每20.0m設置垂直、水平位移觀測點。

（2）深層水平位移觀測共布置15根測斜管，主樓區域測斜管長42.0m，裙樓區域測斜管長30.0m。

（3）支撐軸力量測采用鋼筋測力計。

（4）在坑外布置8個潛水水位觀測點；在主樓區域布置3個承壓水水位觀測井。潛水水位監測點孔深18.0m，承壓水位觀測井井深46.0m。

5.2 監測頻率

基坑的監測周期為基坑土方開挖到地下室側壁回填。

（1）基坑開挖施工前進行第1次監測，觀測值作為初始值。

（2）基坑開挖前期每隔1～2d監測1次，如發現異?，F象需加強監測。

（3）基坑挖深超過5.0m時每隔1d監測1次，如發現異常現象需每天監測1次。

（4）基坑開挖接近開挖面標高及開挖至設計標高7d后，每天監測1次，如發現異?，F象需加強監測，甚至24h連續監測。

（5）基礎底板施工期間每隔1d監測1次，如發現異常現象需每天監測1次。

（6）基礎底板澆筑完成后每隔2～3d監測1次，如發現異常現象需加強監測。

（7）當監測數據超過報警值時，需及時調整監測時間間隔，加強監測頻率，甚至跟蹤監測。

5.3 水位監測

在繼續基坑土方開挖、地下空間施工的整個周期內，坑外潛水水位監測數量8個，報警值累計值1000mm，報警值變化速率500mm/d；坑外承壓水水位監測井監測數量3個，報警值累計值1000mm，報警值變化速率500mm/d。

5.4 道路及地下管線變形監測

道路及地下管線變形監測數量40個，報警值累計值30mm，報警值變化速率3mm/d。

5.5 周邊建筑物沉降監測

周邊建筑物沉降監測數量54個，報警值累計值30mm，報警值變化速率2mm/d。

至基坑主體地下結構的施工空間施工完成，水位監測、道路及地下管線變形監測、周邊建筑物沉降監測數據均未出現報警值。表明在基坑降水、土方開挖、地下空間施工的全周期內，監測數據變化平緩且逐漸趨于穩定。

從第三方基坑監測數據結果顯示，該工程所采取的綜合滲漏治理措施有效，確保了基坑及周邊既有建筑物的安全。

6 結語

綜上所述，做好注漿止水帷幕的施工對整個深基坑工程有著非常關鍵的作用。因此，必須對止水帷幕的施工有足夠的重視，采取科學合理的施工支護方案，按照施工方案進行施工，并要嚴格控制工程中的關鍵工序，從而確保止水帷幕的施工質量和提高帷幕的止水有效性。

參考文獻：

[1]徐勇、王心聯.深基坑止水帷幕失效原因分析及處理措施研究[J].地下空間與工程學報.2010（06）.

[2]陳曉飛.淺談深基坑注漿止水帷幕施工技術[J].企業技術開發.2013（06）.