建筑节能中相变材料的运用探究最新篇.docx

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建筑节能中相变材料的运用探究最新篇

建筑节能中相变材料的运用探究

建筑节能中相变材料的运用探究

的孔穴中;金属肋片与PCM同用。

物理共混，是指通过添加微纳米尺寸的金属、石墨、碳纤维和聚苯胺等物质来改善PCM的导热性能。

化学改性，主要是指：

二元或多元无机盐的混合，有机-无机接枝或杂化，单体共聚合改性，掺杂制备金属合金。

微胶囊包封，是以相变物质为芯，用金属、陶瓷、高分子或聚合物等作膜壁将芯包埋在微小而密封的胶囊中;多以密胺树脂、脲醛树脂、酚醛树脂和聚烯烃共聚物作膜壁;当壁材与相变物质极性接近时，也可以通过物理共混来包封，得到类似于微胶囊包封的PCM.纳米复合，则是指利用特殊的纳米尺寸效应，通过调节或改变聚集态结构，以改进PCM的综合性能，包括储能效率、使用寿命、力学性能和相变温区等;例如，纳米流体和纳米胶囊等新型PCM性能优异，正引领着相变储热技术发展的新方向.

1.2PCM的选择通则

综合权衡其在化学、热力学、动力学和经济性等多方面的性能，是选择PCM的基本原则.首先，要有相对的化学稳定性，经反复使用性状不发生质的改变;并且安全无毒害，不易燃爆，腐蚀性小，无挥发或扩散污染。

其次，符合热力学性能要求，熔沸点高，难挥发损失;密度大，单位体积储热量大，且相变过程体积变化小;导热性好，相变温度合适、潜热高，且相态转变均匀有序。

再次，满足动力学性能要求，相变速率快、可逆性好，结晶时速度要快，凝固时过冷度应小，熔化时宜无过饱和。

最后，还要适应商业经济规律，不仅要原料易得，成本低廉，而且还要满足技术性能要求，具有良好的工业价值。

然而，在实际中，很难研发或寻找完全符合上述原则的PCM,通常是优先考虑相变温度合适、相变潜热高和价格低廉，然后再去考虑其它因素。

具有局部性能缺陷，是诸多PCM的共性，可采取特定技术措施加以克服.

2、PCM在建筑节能中的应用

1PCM在建筑节能中的作用

1.1供冷或供热

供冷，即依靠PCM利用天然冷源为建筑制冷，适用于昼夜温差较大以及常年或冷季仍需要供冷的建筑，如配电房、计算机房、大型商场以及大型办公建筑内区等。

PCM在其中主要起按需存储与释放冷能的作用，通常是夜间凝固存储冷能，而白天熔融释放冷能.PCM供冷系统不仅节省人工制冷能耗，利于减少温室气体排放，而且还可改善人居舒适度。

WalshBP等将水合无机盐PCM引入工业蒸发冷却系统，用于夜间存储冷能，经模拟计算发现，PCM在高峰期可减少67%冷冻机组的运行。

MosaffaAH等用10mm的CaCl26H2O基PCM板将

3.2mm矩形通气孔隔开，设计了一种宽

1.3m类似百叶窗的供冷系统，该系统能在25~36℃炎热气候下提供良好的舒适度。

当然，也可依靠PCM利用天然热源为建筑制热，不妨称之为供热。

值得强调的是，供热在原理上同供冷是一样的，只不过从节能效果上看，它节省的是人工供热能耗，而后者节省的是人工制冷能耗。

1.2削峰填谷

削峰填谷主要是指将电力高峰负荷的用户需求转移到电力低谷负荷时段。

通过电控系统使PCM建材在非高峰期存储热能或冷能，而在高峰期间将其释放出来，是实现削峰填谷的主要途径。

削峰填谷可在很大程度上缓解建筑能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，对加强电力需求侧管理以实现建筑节能具有重大意义。

闫全英等

往复合辐射供暖板的硅钙板结构层中添加石蜡基PCM,大大提升了该地板的储热能力，经数值模拟分析发现用该地板构建的供暖系统不仅能节约电费，而且还可以起削峰填谷作用。

JinX等将熔融温度分别为38℃和18℃的PCM材料串联，依次作为供热与制冷层，获得了具有削峰填谷功能的双层PCM地板：

当PCM熔融焓均为150kJkg时，该双层PCM地板在高峰期供热或制冷所放吸的能量分别比同质无PCM地板高4

1.1%和3

7.9%.

2PCM在建筑中的节能方式

1被动式节能

被动式节能是指建筑物本身通过各种自然的方式来收集和储存能量，使之与其周围的环境形成能量自循环系统，而不需要耗能设备支持即能充分利用自然资源，进而可明显减少传统能耗，在现代建筑设计中往往被优先考虑.被动式建筑系统最大的不足就是容易过热或过冷，用PCM建材完全或部分替代传统建材，可显着降低被动式建筑系统的过热或过冷的年小时数，从而改善人居舒适度，并利于节能减排。

Sage-LaukJS等用仪表监控并研究一栋两层复式公寓的室内环境质量指标和建筑能源使用状况，该复式公寓呈镜像平分为两个单元，其中一个单元安装有130kg的PCM,另一单元则没有;经观测数据分析和计算模拟评估，他们发现安装PCM能将公寓全年的过热小时数减少12,极大改善了舒适性。

CastellA等用石蜡填充的PCM砖构建被动式建筑节能系统，经比较研究发现，PCM砖较普通砖具有更好的储热能力，能缓冲温度变化，减少主动供能干预，从而在单个夏季可节省15%的电耗，每年则会削减1~

1.5kgm2的CO2排量。

2主动式节能

主动式节能是指利用各种机动设备组成主动系统来收集、转化和储存能量，以充分利用太阳能、风能、水能、生物能等可再生能源，同时提高传统能源的使用效率.利用PCM良好的储热与散热性能，构建主动式加热、通风及空调系统，尤其适用于建筑节能.由于被动式和主动式节能方法相辅相成、密切联系、难以界分，所以已被研究的主动式节能系统几乎都是兼有被动式和主动式节能机制。

将两种节能机制联用的潜在益处还在于既能提高节能效率，又可削减机动设备成本。

李建等设计了一种电加热相变地板供暖系统，自下而上由保温层、电加热层、石蜡-石膏相变层和覆盖层组成，集被动式和主动式节能机制于一体;该系统储热能力好，可平缓室内气温变化，能改善人居舒适度，且比普通地板供暖系统更省电。

BelmonteJF等用石蜡基PCM复合的地板、天花板，搭建了兼有水力辐射制冷系统和空气热回收系统的模型房屋，并对其建筑能耗做了模拟研究，结果表明使用PCM可使模型房屋对制冷需求减少了50%以上。

3PCM在建筑节能中的应用形式

将PCM与传统建材复合成PCM建材后，再用于建造建筑，是PCM在建筑节能中的主要应用形式;常用复合方法有:

直接加入法，将PCM与水泥、石膏、砂浆和混凝土等直接混合;浸渗法，将混凝土、砖块和墙板等浸泡在液相PCM中，通过毛细管作用吸收PCM;封装法，包括吸附封装和微胶囊封装，吸附封装是以吸附和浸渍的方式将PCM吸附到膨润土、膨胀石墨、膨胀珍珠岩等多孔材料中，制备成颗粒型PCM建材;微胶囊封装则是往粒径为1~1000m的颗粒PCM表面包覆一层天然或人工合成的高分子薄膜，然后再将微胶囊PCM掺入、吸附或填充于传统建材中。

3.1PCM流体PCM流体主要由PCM颗粒和传热流体组成，可以相变微胶囊浆液或相变乳液形式存在;它为潜热功能流体，具有两相热转换，在相变温度范围内较传统单相的热流体具有更大表观比热，并且PCM流体还会显着增大流体与管壁之间的传热速率，减少泵的质量流率和能量消耗。

因此，PCM流体在加热、通风、空调、制冷和热交换等方面具有许多潜在的重要应用.已工程化应用的PCM流体主要有3类：

相变浆液，其相变元件是微胶囊或球状的定形PCM,悬浮于传热流体中;可熔乳液，用表面活性剂将PCM悬浮分散于流体载体中;冰浆.

3.2PCM砂浆

相对于普通砂浆，PCM砂浆往往具有更好的调温、保温和隔热性能，更高的抗压强度和碳化深度。

柯倩倩等用改性硅酸钙粉末包覆的石蜡膨胀珍珠岩PCM,与水泥砂浆复合获得了PCM砂浆，该PCM砂浆具有良好的调温性能，可以降低室温波动和减小最大温度值，并且PCM掺量越大，调温效果越明显。

VentolL等掺用5%~15%石蜡基PCM改善了石灰砂浆的综合性能：

相变焓增高了1

4.35~2

7.15kJkg,抗压强度提升近2倍，碳化深度则升高超2倍。

聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、叔碳酸乙烯酯、乙烯基共聚物等与传统砂浆相容性好，若以这些聚合物作为PCM的微胶囊壁材，还可以改善砂浆的粘合性、抗裂性及韧性.然而，所掺的PCM若为可燃物或含有可燃包覆层，PCM砂浆的阻燃性能将会下降，故此时掺量不宜过大，例如商用GR27PCM的掺量高于25%时较易燃，所得PCM砂浆只适用于低级防火场合.

3.3PCM混凝土

PCM混凝土的储热、散热与调温性能好，应用范围广，已受到20多年的高度关注.朱祥等以稻秆、水玻璃胶和Na2SO410H2O为原料，经浸渍-模压法，制备了PCM板，再将该板插入带有槽型孔的混凝土砖中，得到PCM组合混凝土砖;经测试发现将预制的PCM板与混凝土多孔砖组合，能改善原混凝土砖的保温性能，但是效果不显着，主要是因为这种简单方式的组合，一则无法达成PCM混凝土结构均一，易引发受热与传导的不均，二则PCM于混凝土的负载量受限，结果其储能效果欠佳。

填充式组合能有效提高PCM在混凝土中的负载量，因此更利于改善混凝土的保温性能。

KarimL等在100℃以上，将石蜡、13~15碳烷烃和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物作物理共混与包封处理，得相变温度为27℃、熔融焓为110kJkg的石蜡基PCM;再将该石蜡基PCM填入混凝土空心地板的孔穴中，制得能够较好地缓冲温度变化的PCM混凝土板，该板适用作轻质保温建材。

采用多孔材料吸收液体PCM,先制成相变骨料，再将骨料与普通混凝土复合，则更有利于克服结构不均的问题，从而益于获得储能效果更好的PCM混凝土。

张东等将吸附硬脂酸丁酯的超轻膨胀粘土陶粒作相变骨料，研制出储能功能与商业相变材料相当的PCM混凝土，能较好满足实用要求。

当然，选用多孔材料制作相变骨料时，一定要注意其结构特征对PCM吸附量的影响，因为由其衍生的PCM混凝土的储能效果会随PCM体积分数的增加而呈指数形式增加.

与PCM砂浆类似，引入PCM可能会劣化混凝土力学强度、长期稳定性和阻燃性能等;若原料及方法选用得当，这些劣化影响均可降至最低或消除.李宗津等选用硅藻土作相变细骨料，研发石蜡相变水泥基复合材料，经测试发现该材料的综合力学性能不仅大大好于普通混凝土，而且也明显优于经聚乙烯醇纤维强化的同类水泥基复合材料，主要归因于硅藻土具有火山灰活性，用其所制的含石蜡骨料与水泥具有很好的相容性;又由于采用细骨料，复合体结构的均匀性被明显改善，所以该材料还具有储能效果好和保温性能高等优点。

LepteT等则以17~20m粒径的十八烷为PCM,选取细颗粒的水泥、砂和砾石等作原料，采用先干粒料预混、再加入高效减水剂、后低速掺混PCM的三步工艺制备了PCM混凝土，经测试发现该PCM混凝土的保温性能和力学强度均很好，这主要受益于严格选料及采用三步混合工艺。

3.4PCM砖在制备免烧砖时直接掺入PCM,或将PCM填入多孔烧结砖的孔穴内，即可获得PCM砖。

掺混型PCM砖具有制备工艺简单，热性能易调节等优点，但是力学强度欠佳。

填充型PCM砖含有烧结砖体，可保持良好力学强度，但是，PCM类型、填充量及填充位置均会影响其热性能.AlXXdhiEM等将烷烃基PCM填入普通圆孔砖，研究了PCM类型、填充量及填充位置对所得PCM砖热性能的影响，结果发现：

正二十烷PCM的热性能优于石蜡P116和正十八烷PCM;PCM砖调节室温能力随着PCM填充量的增加而变强;PCM填充于砖的中心线位置，既能保持砖的强度，又会赋予PCM砖较好的热效能，可使室内热通量较无PCM填充时减少1

7.55%.

3.5PCM石膏

在等同的热环境条件下，PCM石膏墙板比普通石膏墙板具有更强的蓄放热与调温能力，在内隔墙、内墙贴面、天花板和外围护结构等有着广泛的保温节能应用价值.李鸿锦等基于焓法数值模型，利用Fluent软件模拟研究了月桂酸-癸酸基PCM石膏板于夏热冬冷地区的隔热性能与节能效益，结果表明，该PCM石膏板的潜热利用率为3

8.7%,其所构成的墙体比普