節能型相變儲能建筑材料及研究進展

趙 華

(恩施職業技術學院建工系,湖北 恩施 445000)

隨著我國能源結構的不斷調整以及建設環境友好型、資源節約型愿景的不斷完善,目前國家對于建筑材料的應用提出了更為嚴格的要求,其不但要適應建筑行業發展本身的內部需求,同時更要適應節能環保的國家建設要求,而節能型相變儲能建筑材料作為其中應用優勢最大的一個品類,其在建筑材料中的應用與發揮也將直接決定我國建筑能源節約的整體水平。為了進一步分析節能型相變儲能建筑材料的應用情況,就必須先來了解一下什么是相變儲能建筑材料。

1 相變儲能建筑材料概述

相變儲能建筑材料作為一種新式建筑功能材料,其不但具有節能和儲能的雙重功效,同時對于我國電力能源壓力緩解以及資源環境危機等方面的問題都具有良好的解決促進作用。目前國內相變儲能材料的發展現狀相對處于穩步提升階段,這個時期相變儲能材料的選擇與復合技術應用等技術也在不斷成熟。對于建筑節能而言,選擇合適的相變儲能建筑材料能夠有效提升熱舒適性,從而緩解電能壓力,而大規模的混凝土施工中添加相變儲能材料還可以有效控制水泥水化熱現象,以此來降低早期的開裂情況,進而改善材料的耐久性能[1]。

2 相變儲能材料在建筑材料中的應用

根據相變過程我們可以將相變分為固固相變、固液相變、固氣相變以及液氣相變等不同的環節,其中固固相變的相變溫度普遍較高,所以這種情況并不符合建筑材料的選擇時機,而液氣相變會出現較大的體積變化,其實際的應用價值也不強。最后就是固液相變,固液相變具有溫度范圍小、潛熱大的特征,同時還具有膨脹率小以及應用范圍廣泛的特點。當前國內直接用于建筑節能領域的相變材料主要包括高分子聚合物以及結晶水合鹽等多種相變材料,另外還包括多元醇、羧酸與脂類等物質[2]。

結晶水合鹽無機相變材料的熱導率較高,相變體積變化也較小,同時熔化熱也較小,所以其在一些特殊建筑中的應用優勢較為顯著,但是同時也具有相變過冷以及腐蝕性較強的問題。有機相變材料的相變溫度更加適宜,沒有任何的毒性與腐蝕性,但是熱傳導率卻較低,所以其傳熱性能相對要差一些。在相變儲能材料的應用過程中,其蓄熱能力應該作為基本的判斷標準,但是同時也要兼顧建筑材料承受荷載的情況,以此來確定其在復合之后依然可以達到工程驗收的各項標準。在建筑結構材料的承載實驗方面,美國能源部在上個世紀90年代就對20000多種材料,其中僅有1%被證明具有實際應用價值。后來通過技術融合與跟進,目前在應用的相變儲能材料主要有200多種,其中大部分被應用于石膏板等建筑材料[3]。

3 相變儲能材料應用與研究前景分析

3.1 復合技術

相變儲能材料復合技術是將相變材料與建筑材料的基體進行復合的過程,是實現相變儲能材料在建筑材料中應用的基礎工作,其主要包括以下幾種復合方法：其一,浸泡法。浸泡法是指通過浸泡的方式將相變材料滲入到多孔基體當中的一種復合技術,這種復合技術被廣泛的應用于傳統的建筑材料當中,比如石膏墻板以及混凝土石塊等等都可以通過這類相變儲能復合技術進行技術復合。最早該技術出現于上個世紀70年代初期,不過當時的相變材料的處理工藝與化學性質并不穩定,所以會對混凝土基體產生一定的腐蝕。隨著技術的不斷發展以及研究的不斷深入,后期Hadjieva等人通過DSC測試技術實現了無積水和鹽作為相變材料的提升混凝土蓄熱能力的可能性,進而實現了用紅外光譜了解體系穩定性的技術,為相變儲能技術應用于建筑材料創設了條件；其二,摻加能量微球法。摻加能量微球法是一種將微膠囊技術與納米復合技術相結合來實現相變材料深入基體的復合技術,該技術在應用過程中大多會選擇一些有機物作為相變材料,以發揮其良好的相變儲能作用。比如Takeshi等人就曾經使用正十八烷與正十六烷進行融合作為相變材料,并將其作為添加到多孔建筑材料的基體當中,進而獲得具有儲熱能力建筑材料；其三,直接混合法。直接混合法則是將相變儲能材料與建材基體直接進行混合,以獲得滲入建材基體的復合相變材料。在該方法中,要求基體要具有一定的流動性或者半流動性,比如硅石細粉等材料就可以直接在其中加入相變材料進行混合。另外根據加拿大學者Concordia大學的建筑研究中心的研究數據顯示,使用丁基硬脂酸鹽與丁基棕櫚酸鹽進行混合作為相變材料可以混入到灰泥砂漿,以此來提升灰泥砂漿的蓄能效率,進而確保其保溫性能的全面提升。

3.2 研究方向

作為未來環保節能型建設項目的重要材料,相變儲能建筑材料在提升建筑物整體舒適性以及降低能耗等方面都具有重要的價值與意義。為了進一步實現相變儲能建筑材料在工程實踐中的廣泛應用,依然具有許多亟待解決的研究問題,這些研究問題與研究方向也將直接影響未來建筑材料的應用發展方向。

其一,相變材料的選擇。當前我國的相變材料的研究工作還處于初級階段,能夠直接用于工程實踐的材料可選擇種類少之又少,而對于一些特殊的相變材料的選擇也是基于過去實踐的經驗,所以開發更多的相變材料選擇項是未來該行業發展的必經之路。

其二,研究制備相變儲能建筑材料的新方法。當前大多數儲能建筑材料都是通過上述介紹的三種方法進行合成的,三種方法各具特點與優勢,但是綜合性能方面都有所欠缺,如何開發出新的合成技術以提供更加完善的制備方案也是未來研究的主要方向之一。

其三,提升相變儲能建筑材料的傳熱性能。當前大多數相變儲能建筑材料的傳熱性能都必須通過增加儲能材料的含量來完成,而這樣不但會降低建筑材料的強度與機械性能,同時也會增加更多的復合成本與復合難度。未來隨著技術研究的不斷深入,提升相變儲能建筑材料的傳熱性能也將成為行業研究的新方向。

4 總結

綜上所述,相變儲能建筑材料在建筑節能領域的應用具有眾多優勢與便利條件,其不但可以有效降低建筑內部的熱波動,同時對于提升建筑物的整體舒適性以及提升資源的綜合利用效率也具有重要的價值和作用[4]。本文立足于相變儲能建筑材料現狀,分別就復合技術以及未來儲能材料的研究方向進行了分析與闡述,也希望能夠為行業的快速發展提供新的思路,為相變儲能材料在建筑材料中的有效應用提供價值與依據。

[1]鄭鵬飛.節能型相變儲能建筑材料的應用及發展[A].北京中外軟信息技術研究院.第四屆世紀之星創新教育論壇論文集[C].北京中外軟信息技術研究院:2016∶1．

[2]陳寶春.節能型相變儲能建筑材料研究綜述[J].科技信息,2011(12):82．

[3]楊思齊.相變建筑材料在建筑節能領域的應用初探[J].江西建材,2017(19):20,22．

[4]江葉帆,左清.建筑節能中應用相變材料的意義分析與闡釋[J].江西建材,2017(11):13-14．