應(yīng)用催化論文

1、中原工學(xué)院 化學(xué)101班 王艷華 材料與化工學(xué)院 化學(xué)101班 201001534108 2013年11月25日相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用前言 目前歐美發(fā)達國家的建筑能耗已達到全社會總能耗的40，我國建筑能耗約占全國總能耗的27.8，而隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，建筑能耗的比重將進一步增加。因此，建筑節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已成為當前建筑和建筑材料領(lǐng)域的熱點問題之一。目前廣泛應(yīng)用的外墻外保溫和內(nèi)墻內(nèi)保溫技術(shù)雖然可以降低能量的消耗，但由于材料本身的熱容量有限，不能充分地將能量進行儲存利用， 因而限制了建筑節(jié)能的能力。由于相變物質(zhì)具有在其物相變化(熔化或凝固)過程中，可以從環(huán)境吸收或放

2、出大量熱量，同時保持溫度不變，且可以多次重復(fù)使用等優(yōu)點，所以將其應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。這樣不但可以提高墻體的保溫能力，節(jié)省采暖能耗，而且可以減小墻體自重，使墻體變薄，增加房屋的有效使用面積，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。對于相變材料，比較系統(tǒng)的科學(xué)研究是在第二次世界大戰(zhàn)以后展開的。美國麻省理工的M.Telkes 和G.A.Lane 等人在相變材料的配制和性能研究、相平衡、結(jié)晶、相變傳熱、相變儲能系統(tǒng)設(shè)計等方面做了大量工作。20 世紀70年代初，第一次能源危機爆發(fā)，西方發(fā)達國家受到巨大沖擊，但促進了社會和工程界對相變儲能材料和建筑節(jié)能技術(shù)的重視，相變材料的理論和應(yīng)用研究也得到了長足的進步和發(fā)展。相變材料

3、引用到建筑，是建筑領(lǐng)域革命性發(fā)展。主要作用結(jié)果是節(jié)能，可以達到節(jié)能60%-99%。以北方采暖為例，使用相變材料，按照100平米的房屋為測量單位計算，一個采暖季的用電量只有10度左右。摘要本文在對相變材料的特性、相變材料的分類和不同種類相變材料優(yōu)缺點的比較進行分析的基礎(chǔ)上，詳細介紹了相變材料在建筑節(jié)能中的運用，并對相變材料在建筑材料中的發(fā)展前景做了分析。 關(guān)鍵字相變材料 建筑節(jié)能 特性 分類 優(yōu)缺點 運用 發(fā)展前景一、 相變材料的特性 相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；當相變

4、材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。與顯熱儲能材料相比，相變材料具有儲能密度大，效率高以及近似恒定溫度下吸熱與放熱等優(yōu)點1，因而可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如太陽能利用、廢熱回收、智能空調(diào)建筑物、調(diào)溫調(diào)濕、工程保溫材料、醫(yī)療保健、紡織行業(yè)(保溫衣服)、日常生活、航天與衛(wèi)星等精密儀器的恒溫等方面。二、 相變材料的分類大量的有機材料、無機材料和復(fù)合儲熱材料因為特有的熔解溫度和潛熱儲存能

5、力而被定義為相變儲能材料，已知的相變儲能材料幾乎可以滿足任何溫度范圍的使用需求2。與傳統(tǒng)的顯熱儲存方式不同的是，相變儲能材料能夠提供更高的儲能密度，且能量的儲存和釋放是一個等溫或近似等溫的過程，相變儲能材料的這種特點是其具有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)的原因。相變儲能材料可以按照材料的性質(zhì)和組成分類為有機相變材料、無機相變材料和復(fù)合相變儲熱材料。其中，無機相變材料主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機相變材料主要包括石蠟、醋酸和其他有機物；復(fù)合相變儲熱材料的應(yīng)運而生，它既能有效克服單一的無機物或有機物相變儲熱材料存在的缺點，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。三、 不同種類相變材料優(yōu)缺

6、點的比較3有機相變材料具有相變溫度適應(yīng)性好、相變潛熱大、理化性能穩(wěn)定、在固態(tài)時成型性較好等諸多優(yōu)點。但是有機相變材料導(dǎo)熱性能較低，密度小，相變過程中體積變化大,并且有機物熔點較低，不宜在高溫場所中應(yīng)用，且易揮發(fā)，易燃。 無機相變材料具有較高的相變溫度,從幾百攝氏度至幾千攝度,因而相變潛熱較大。堿的比熱高，熔化熱大，穩(wěn)定性好，在高溫下蒸汽壓力很低，且價格便宜，是一種較好的中高溫儲能物質(zhì)。混合鹽熔化熱大，熔化時體積變化小，傳熱較好，最大的優(yōu)點是物質(zhì)的熔融溫度可調(diào)，可以根據(jù)需要把不同的鹽配制成相變溫度從幾百攝氏度至上千攝氏度的儲能材料。無機物類相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)也較低,而且還存在與容器的相容性問題。

7、復(fù)合相變儲熱材料的主要優(yōu)點有:可供選擇的無機鹽種類多；可同時利用顯熱和潛熱，蓄熱密度大；無需封裝，不存在腐蝕問題；不存在過冷和相分離的問題。其中，無機鹽/陶瓷基復(fù)合相變儲能材料4具有獨特的蓄熱性能和機械性能，可用于工業(yè)余熱回收、太陽能、電力調(diào)峰等領(lǐng)域，目前備受關(guān)注的是Glck A等和張仁元等研究的用無機鹽/陶瓷基復(fù)合儲能材料代替工業(yè)窯爐中的顯熱耐火磚和用于空間站太陽能發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱器。 四、相變材料在建筑節(jié)能中的運用相關(guān)資料表明，材料的變物性（即材料的導(dǎo)熱系數(shù)尤其是比熱隨溫度變化）可以改善建筑圍護結(jié)構(gòu)性能，使全年室溫曲線在冬季或夏季更靠近舒適區(qū)，從而顯著節(jié)約建筑采暖或者空調(diào)能耗。而相變材料是一

8、種典型的變比熱材料。因此如將具有合適相變溫度范圍的相變材料用作建筑圍護結(jié)構(gòu)，建筑熱工性能可顯著提高，大大減少建筑物的采暖和空調(diào)能耗。5（一）相變材料應(yīng)用于建筑物具有的幾個特點l 熔化潛熱高；相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少；l 相變溫度在20左右；導(dǎo)熱系數(shù)大，儲熱密度大；l 無毒，無腐蝕性；成本低，制造方便；與建筑材料相容性好，可被吸收。（二）相變材料與建材基體的結(jié)合工藝為使相變材料在建筑上的使用達到最佳節(jié)能效果，應(yīng)根據(jù)建筑構(gòu)造、氣候、環(huán)境和使用目的等因素，合理布置相變材料和換熱方式。固-固相變材料可以采取與建筑材料直接混合的工藝，利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備或稍加改進，不需更多的勞動力

9、，可連續(xù)作業(yè)以進行生產(chǎn)。相變建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的難點是如何實現(xiàn)相變材料與建材基體的融合，在這一方面AnilT O 和Sircar K等的工作比較突出，結(jié)合制備工藝和實際情況，目前相變材料與建材基體的結(jié)合工藝，主要有以下幾種方法。1) 將相變材料密封在合適的容器內(nèi)。如Piia Lamberg等介紹了將裝有水合鹽相變材料的金屬管子置入混凝土構(gòu)件6中，以提高建筑物結(jié)構(gòu)的熱容，從而在夏季對室內(nèi)起到降溫作用。2) 將相變材料密封后置入建筑材料中。近年來得到迅速發(fā)展的微囊包封相變材料技術(shù)也屬于這一種；如可用尿烷煤焦油做CaCl26H2O的封接劑，做成輕質(zhì)水泥磚等。3) 通過浸泡將相變材料滲入多孔的建材基體(

10、如石膏墻板、水泥混凝土試塊等)。其最大的優(yōu)點就是可以使傳統(tǒng)的建筑材料(如石膏墻板)按要求變成相變材料建材。4) 將相變材料直接與建筑材料混合。如將相變材料吸入半流動性的硅石細粉中，然后摻入建材中。許多新型固-固相變材料不斷開發(fā)推動這一工藝的應(yīng)用。這種直接混合方法的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)更均勻，更易于做成各種形狀和大小的建筑構(gòu)件，以滿足不同的需要。（三）利用相變材料的做出的實際產(chǎn)品1、付英會以癸酸和月桂酸的低共熔物為相變材料7，普通石膏板為建筑基材，使用浸泡法制備出相變儲能墻板，確定了相變墻板中相變材料的最佳混合比，進行了作為建筑構(gòu)件的相變墻板的吸水性 與所選貼面材料的兼容性等方面的測試。搭建了

11、相變墻房間試驗裝置和測試系統(tǒng)，進行了與相變墻房間相同結(jié)構(gòu)的普通房間和相變房間的對比試驗，測試了兩個房間的內(nèi)表面溫度和熱流，分析了相變墻板對表面溫度和熱流的影響。2、張東等用”兩步法”，即首先制作相變儲能骨料，再用普通混凝土的制備技術(shù)配制了相變儲能混凝土8。實驗結(jié)果表明，采用該方法可以在混凝土中儲存足夠的液體相變材料，配制的相變儲能混凝土的儲能功能與商業(yè)相變材料相當，可以滿足實際應(yīng)用的要求。3、德國BASF 公司研制的相變砂漿9含10%20%的微膠囊化石蠟，用這種砂漿抹于內(nèi)隔墻，每平方米墻面含有7501500 g 石蠟，每2 cm 厚的石蠟砂漿蓄熱能力相當于20 cm 厚的磚木結(jié)構(gòu)墻。這種砂漿已

12、用于德國建筑節(jié)能工程中。4、美國專利公開了一種塊集瓷磚結(jié)構(gòu)10，由石英、花崗巖、石灰石、大理石、玻璃、陶瓷等的粉末、碎片、顆粒組成的基體以及黏結(jié)材料和相變材料組成，可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是多層結(jié)構(gòu)。5、吸濕相變材料11在建筑圍護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究對于建筑材料的物理性能和建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的應(yīng)用具有非常重要的意義。結(jié)合建筑物所處自然氣候條件，充分利用氯化鈣的吸濕性質(zhì)及相變特性制造一些建筑材料應(yīng)用于建筑圍護結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對室外太陽輻射的轉(zhuǎn)化和控制、降低室內(nèi)空氣溫度和濕度、改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境，達到節(jié)約能源、再生能源的利用和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。（四）相變材料在建筑中的應(yīng)用形式(一) 冬季白天利用

13、太陽能蓄熱，夜晚釋放，提高冬季夜間室內(nèi)溫度，減少建筑冬季夜間采暖能耗，對此類的應(yīng)用合適的相變溫度一般在15-20攝氏度。(二) 我國一些地區(qū)，夏季晝夜溫差較大，利用夜間通風(fēng)結(jié)合建筑圍護結(jié)構(gòu)蓄冷可以調(diào)節(jié)建筑室溫，提高室內(nèi)舒適度，降低空調(diào)能耗。(三) 利用夜間廉價電，轉(zhuǎn)移電網(wǎng)高峰負荷。第一種形式屬于利用相變材料進行太陽能蓄熱的應(yīng)用，第二種形式屬于利用相變材料進行夜間蓄冷的應(yīng)用，這兩種均屬于被動式蓄能應(yīng)用，而第三種則為主動蓄能應(yīng)用。五、相變材料在建筑材料中的發(fā)展前景 目前，關(guān)于相變材料的研究和應(yīng)用工作開始不久，它們的分子結(jié)晶態(tài)及能量的轉(zhuǎn)變過程機理還有待進一步探明，其熱性能、機械性能、化學(xué)穩(wěn)定性也有待

14、進一步提高。相變儲熱材料的開發(fā)，正逐步進入實用階段。相變墻體、相變地板、儲能砂漿等的出現(xiàn)將對儲能材料的建筑用途有很大的推動作用?，F(xiàn)在國外已經(jīng)研制出儲熱地板，國內(nèi)也有相變儲熱水泥，并且國內(nèi)學(xué)者正在研究和家具、墻紙、墻面涂料融為一體的相變材料。相變儲能建筑材料還處于應(yīng)用研究階段相變材料大量在建筑中使用需要解決以下一些技術(shù)問題：1、開發(fā)出多種適合建筑中使用的相變材料；2、建立相變過程的物理數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬相變過程；3、相變儲能建筑材料的耐久性問題，主要包括相變材料與建筑材料的相容性 長期穩(wěn)定性；4、相變儲能建筑材料的經(jīng)濟性問題。對于未來研究相變材料在建筑材料中應(yīng)用將主要集中于以下幾點：1）針對不同

15、的室內(nèi)外環(huán)境條件，開發(fā)出具有合適的相變溫度與相變焓，在長期使用變速率的方法；2）研究相變材料與普通建筑材料的結(jié)合方式，研究在摻入相變材料后，相過程中物理化學(xué)性能穩(wěn)定的性價比較高的相變材料；3）研究改善相變材料的導(dǎo)熱性能，提高其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；4）在應(yīng)用了相變建筑節(jié)能材料的結(jié)構(gòu)，具有不同熱（冷）源型式的供暖、空調(diào)系統(tǒng)。參考文獻【1】杜開明;相變型保溫墻體材料的制備及性能研究D;重慶大學(xué);2009年【2】李建立;薛平;丁文贏;韓晉民;孫國林;定形相變材料研究現(xiàn)狀J;化工進展;2007年10期【3】馬保國;王信剛;李相國;高小建;郝先成;相變材料及相變儲能建筑材料的研究進展A;中國硅酸鹽學(xué)會混凝土水泥制品分會第七屆理事會議暨學(xué)術(shù)交流大會論文集C;2005年 【4】黃金;張仁元;無機鹽/陶瓷基復(fù)合相變蓄熱材料的研究J;材料導(dǎo)報;2005年08期【5】 閆全英;用于相變墻體中的相變材料的研究A;第13屆全國暖通空調(diào)技術(shù)信息網(wǎng)技術(shù)交流大會文集C;2005年【6】丁益民,閻立誠,薛俊慧;水合鹽儲熱材料的成核作用J;化學(xué)物理學(xué)報;1996年01期【7