蓄能技術(shù)建筑墻體蓄能課件

1、西南交大建環(huán)蓄能技術(shù)理論與應(yīng)用西南交大建環(huán)蓄能技術(shù)理論與應(yīng)用蓄熱建筑材料蓄熱建筑材料概述蓄熱建筑材料應(yīng)用研究 蓄熱熱過程分析蓄熱建筑材料蓄熱建筑材料概述蓄熱建筑材料概述-特點將相變材料應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域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, 增加房屋的使用面積, 因而具有廣闊的前景。優(yōu)點: 節(jié)能: 消除室外溫度對室內(nèi)溫度的影響, 保持室內(nèi)溫度, 減少采暖或空調(diào)消耗; 消除能量利用上的時空不一致性, 用于低品位能源的吸收或儲存: 提高建筑的舒適性*相變材料(Phase Change Materials,簡稱PCM ）蓄熱建筑材料概述-特點將相變材料應(yīng)用

2、于建筑節(jié)能領(lǐng)域不但可以蓄熱建筑材料概述基本工作原理 在材料發(fā)生相變放熱過程中, 材料要從環(huán)境中吸熱/放熱, 相變材料的基本特征是在發(fā)生相變的溫度范圍很窄, 且材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變。在物理狀態(tài)發(fā)生變化時可儲存或釋放的能量稱為相變熱, 大量相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中時, 產(chǎn)生了一個寬的溫度平臺。該溫度平臺的出現(xiàn), 體現(xiàn)了恒溫時間的延長, 并可與顯熱和絕緣材料區(qū)分開來( 絕緣材料只提供熱溫度變化梯度) 。相變材料在熱循環(huán)時, 儲存或釋放顯熱。PCM建筑圍護結(jié)構(gòu)與PCM的位置圖圖蓄熱建筑材料概述基本工作原理 在材料發(fā)蓄熱建筑材料概述基本工作原理墻體對外溫波動的衰減和延遲蓄熱建筑材料概述基本工

3、作原理墻體對外溫波動的衰減和延遲蓄熱建筑材料概述相變材料相變材料的分類相變材料主要包括無機PCM、有機PCM和復(fù)合PCM三類。其中，無機類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機物；近年來，復(fù)合相變儲熱材料應(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。相變材料的利用方式分為兩種：1、用相變材料做成儲能器件； 2、將相變材料與其他基體材料復(fù)合，制成相變儲能復(fù)合材料。蓄熱建筑材料概述相變材料相變材料的分類相變材料主要包括無蓄熱建筑材料概述蓄能墻體相變儲能建筑材料是通過向普通建材

4、中加入相變蓄能材料，制成具有蓄能的輕質(zhì)建筑材料，構(gòu)筑建筑維護結(jié)構(gòu)，即降低室內(nèi)溫度波動，又提高人與動植物的舒適度，降低空調(diào)供暖能耗，提高了能源利用率，解決熱能供給和需求的矛盾。相變儲能建材目前有蓄能自保溫墻材和蓄能保溫砂漿兩類產(chǎn)品，在建筑領(lǐng)域現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。相變自保溫墻材用于建筑承重、非承重外墻圍護；相變保溫砂漿用于建筑內(nèi)外墻抹灰，取代極易發(fā)生事故的擠塑板外保溫系統(tǒng)。由于現(xiàn)代建筑的圍護結(jié)構(gòu)大部分為輕質(zhì)材料，熱容小，室內(nèi)溫度晝夜波動大，這不僅影響著室內(nèi)環(huán)境的舒適度，而且也增大了空調(diào)的負荷，造成能源的消耗加大。如果向普通建筑材料中加入相變蓄熱材料，就可以制成具有較高熱容的輕質(zhì)蓄能建筑材料，減小室內(nèi)溫

5、度的波動，達到降低能量消耗目的。蓄熱建筑材料概述蓄能墻體相變儲能建筑材料是通過向普通建材蓄熱建筑材料概述蓄能墻體材料制備 相變材料與基體材料復(fù)合的方法主要有直接浸泡法和摻加封裝好的能量小球兩種。 最初的研究主要為直接浸泡法。優(yōu)點是工藝簡單，易于對已有的建筑材料改進。如直接浸泡法制作相變儲能混凝土。 但是相變材料與基體材料的相容性問題始終難以有效解決。 將PCM 壓入交聯(lián)聚乙烯中，制成能源小球。然后再把這種能源小球與基體材料復(fù)合， 如石膏， 制備儲能石膏板.能量小球的制備主要有微膠囊法和納米材料制備方法。能量小球的優(yōu)點是將相變材料與基體材料隔離，相變材料的化學(xué)性質(zhì)得到了保護，而且相變材料在相變過

6、程中呈固態(tài)，不會對基體材料產(chǎn)生破壞! 。能量小球的缺點是制備技術(shù)復(fù)雜、價格高。 蓄熱建筑材料概述蓄能墻體材料制備 相變材相變儲熱建筑材料應(yīng)用研究 20 世紀70 年代Chahroudi、Feldman、Hawes 就用直接浸泡法制備了相變儲能混凝土。這個時期所選用的相變材料多為無機材料, 如Chahroudi 用芒硝作為相變材料, 為解決無機相變材料對混凝土基體腐蝕作用, Feldman, Hawes 等采用蒸壓養(yǎng)護以及加火山灰等措施以提高混凝土耐SO42- 和Cl- 的腐蝕能力。 Feldman, Hawes 等還篩選出有機相變材料, 如各種脂肪酸, 并將其用到制備相變儲能混凝土; 同時還對

7、不同建筑材料吸收相變材料的能力做了比較。M.Hadjieva 等人研究了采用多孔混凝土吸收五水硫代硫酸鹽制成的相變墻板的熱學(xué)行為、結(jié)構(gòu)以及其局限性, 作者所報道的制備方法為在75將Na2S2O35H2O ( 210kJ /kg, 0.57W/mK)壓入25.5mm 41.5mm 的圓柱體中, 7h 內(nèi)Na2S2O35H2O 可達系統(tǒng)質(zhì)量的61% , 而經(jīng)熱學(xué)循環(huán)后, 其質(zhì)量比下降至56% ; D.Feldman 采用93% 95% 的棕櫚酸甲酯和5% 7% 的硬脂酸甲酯制備了一種相變溫度在2326.5, 相變焓為180kJ /kg 的固- 液相變材料, 在石膏板中添加該相變材料25% , 可使

8、相變材料在2326.5液化而在2223凝固, 在2326.5間隔為3.5的范圍內(nèi), 其能量儲存密度是純石膏板能量存儲密度的12 倍以上.相變儲熱建筑材料應(yīng)用研究 20 世紀相變儲熱建筑材料應(yīng)用研究 在被動式太陽房領(lǐng)域Dr.MariaTelkes 做了大量工作。她對水合鹽, 尤其是十水硫酸鈉進行了長期的研究, 并在馬薩諸塞州建起了世界上第一座PCM 被動太陽房。1980 年前后, Bourdean、Benard等人利用PCM 墻板制作了恒溫太陽房, 其墻壁與常規(guī)墻板相比明顯變薄; 此后, 各國相繼建立了不同類型的PCM 太陽能建筑。但對太陽能墻板在周期性熱環(huán)境作用下的溫度分布研究并不是很多。19

9、87 年Drake 得到了對太陽直射條件下所需相變材料相變溫度, Peippo 認為“僅在太陽能輻射的前提下, 選擇相變材料的相變溫度比室內(nèi)溫度高出1 3 是合理的”, 1995 年Stovall 研究了PCM 材料在建筑物環(huán)境溫度發(fā)生變化時類似于電阻的對建筑溫度的削峰作用, 但對于PCM 材料量的使用未能得到最優(yōu)解, 此后Athienitis 等人研究了采用峰谷電進行相變地板采暖的過程并同時進行了一維數(shù)值分析。然而實際上房間內(nèi)的墻壁、天花板、地板等均直接與房間內(nèi)空氣接觸, 構(gòu)成了室內(nèi)熱環(huán)境的整體, 因而不同程度的都有熱量存儲和釋放的過程, 為此Neeper 等對全部采用相變材料構(gòu)成的太陽能建

10、筑進行了計算, 得到了3 個關(guān)鍵的參數(shù): 相變材料的相變溫度; 相變過程的溫度分布; 相變材料的吸熱放熱量。90 年代初, 德國Gluck 和Hahne 等人 利用Na2SO4/SiO2 制成高溫蓄熱磚, 并建立太陽能中央接收塔的儲熱系統(tǒng), 進行了中試裝置試驗, 結(jié)果表明, 含20%wt 無機鹽的陶瓷體比相同體積的純陶瓷其蓄熱量可提高2.5 倍。相變儲熱建筑材料應(yīng)用研究 在被動式太陽房領(lǐng)相變儲熱建筑材料應(yīng)用研究 BASF化學(xué)公司與位于德國Freiburg 的Fraunhofer 太陽能研究所正合作發(fā)展新的PCM, 在建筑物節(jié)能上得到了應(yīng)用 , 制成包含相變儲能材料的隔熱砂漿,將這種砂漿抹于兩個

11、房間的內(nèi)墻表面, 作為室內(nèi)的冬季保溫和夏季制冷材料。他們發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示PCM 能夠在促進建筑物節(jié)能的同時提供更加舒適的室內(nèi)環(huán)境溫度, 西班牙的LuisaF.Cabeza 等人于2005 年建造了一個南墻、西墻和頂面采用了PCM( 26, 110J /g) 含量為5% 的混凝土板的試驗房, 與采用普通混凝土的對照房相比, 墻體的熱慣性增加, 室內(nèi)最高溫度降低。 國內(nèi), 張寅平等人研究的相變地板成功的應(yīng)用于清華大學(xué)超低能耗樓。樂海林等研究了北京地區(qū)冬季使用PCM 材料儲存太陽能的可行性;蘇峻峰等人制備了一種PCM 進行節(jié)能效果試驗研究, 結(jié)果表明PCM 的貯能過程具有可逆性和連續(xù)性, 節(jié)能效果達到

12、15%。 從國內(nèi)外研究情況來看, 相相變材料用于建筑領(lǐng)域以達到充分利用太陽能、控制室內(nèi)環(huán)境溫度的目的是目前國內(nèi)外研究的熱點問題, 其主要應(yīng)用方式均為將相變材料加入圍護結(jié)構(gòu)中, 一方面充分利用太陽能, 另一方面, 盡量延緩室內(nèi)溫度相對室外溫度的溫度- 時間響應(yīng)關(guān)系。相變儲熱建筑材料應(yīng)用研究 BASF化學(xué)蓄能技術(shù)建筑墻體蓄能課件數(shù)字模擬 實驗確定相變儲能建筑圍護結(jié)構(gòu)的儲熱效果，需要按比例制作模型房屋做現(xiàn)場試驗。但是現(xiàn)場試驗需要很長時間，此外也需要很多經(jīng)費支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸借助于高性能計算機，來模擬現(xiàn)場試驗，以期獲得pcm 建筑材料的各項數(shù)據(jù)。數(shù)字模擬 實驗確定相變儲能建筑圍護結(jié)構(gòu)的

13、儲熱效果實驗確定周期性溫度變化環(huán)境下相變/ 保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)溫度- 時間響應(yīng)恒溫條件下保溫- 相變材料實驗?zāi)M系統(tǒng)圖恒溫條件下保溫- 相變材料試驗?zāi)M系統(tǒng)如右圖所示, 將恒溫水浴系統(tǒng)作為恒定熱源, 在水浴頂端放上金屬銅板導(dǎo)熱后, 依次疊加放置5 個厚度均為1cm, 密度為8kg/m3 的EPS 保溫板, 試驗時其中任一層EPS 板均可采用相同厚度的相變材料替代, 將各層接觸點處命名為A、B、C、D、E, 與之對應(yīng)的各層板也命名A、B、C、D、E 層, 在各層材料中心放置靈敏度為0.01的熱電偶, 將熱電偶與計算機連接, 形成多路巡回溫度檢測系統(tǒng), 對各點溫度和時間進行自動記錄, 形成數(shù)據(jù)輸出與處理

14、系統(tǒng)。以B 層為預(yù)制板式相變材料, 該材料相變溫度為32.61, 相變焓為81.63J /g 進行測試。選擇測試時環(huán)境高溫為70, 低溫為18。實驗確定周期性溫度變化環(huán)境下相變/ 保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)溫度- 時間溫度- 時間響應(yīng)EPS 板系統(tǒng)內(nèi)部各點溫度- 時間響應(yīng)右圖為未采用EPS 板系統(tǒng)恒溫條件下內(nèi)部各點溫度分布。由圖可見, 整個試驗曲線分為3 個部分, 升溫、恒溫和降溫階段; 總體而言, 系統(tǒng)升溫達到平衡時間約為70min, 系統(tǒng)降溫達到平衡時間約為100min。在升溫階段, 溫度達到恒定所需時間由外而內(nèi)逐漸延長, 恒溫階段溫度梯度由內(nèi)向外逐漸增大, 而在降溫階段, 由內(nèi)向外降溫速度逐漸增大,但

15、達到平衡所需時間基本一致。溫度- 時間響應(yīng)EPS 板系統(tǒng)內(nèi)部各點溫度- 時間響應(yīng)右圖為溫度- 時間響應(yīng) 右圖為B 層為相變材料時系統(tǒng)溫度- 時間響應(yīng)。由圖可見, 采用PCM 取代EPS 板后, B 點在升溫時間達到280min 時其溫度仍然呈上升趨勢, 其最高溫度與標(biāo)準試驗中的平衡溫度51.8相比相差16.7, 盡管B、C 點在升溫過程中未出現(xiàn)明顯的恒溫階段, 但在越過相變點后其升溫速度明顯變慢; 整個過程中, PCM- EPS 保溫隔熱體系未能完全達到平衡, 即系統(tǒng)平衡點后移幅度超過200min; 在降溫階段, B、C 線出現(xiàn)明顯的恒溫段, 出現(xiàn)恒溫的時間在420 480min 范圍內(nèi), 恒

16、溫溫度為25.1, 與DSC 測試的第二放熱峰基本一致; 對于內(nèi)層的EPS 板, 其降溫過程基本為線性過程, 且隨著層數(shù)的向內(nèi)增加, 其降溫速度變慢。 由此可見, PCM 材料對于溫度的延遲變化作用主要體現(xiàn)在2 個方面: 在升溫過程中吸收熱量, 減緩了溫度的升高幅度, 在降溫過程中釋放熱量, 減緩了降溫速度。溫度- 時間響應(yīng) 右圖為B 層為相變材料三維溫度- 時間響應(yīng) 右圖為EPS 保溫系統(tǒng) 3 維空間內(nèi)環(huán)境、EPS 板中心點和EPS板封閉空間內(nèi)部的溫度隨時間變化曲線, 由圖可見, 采用EPS 材料進行保溫隔熱可以減少環(huán)境溫度變化對室內(nèi)溫度的沖擊, 但其減少幅度僅在23。三維溫度- 時間響應(yīng)

17、右圖為EPS 保溫系統(tǒng) 三維溫度- 時間響應(yīng) 右圖為PCM- EPS保溫系統(tǒng)3 維空間內(nèi)環(huán)境、EPS 板中心點和EPS板封閉空間內(nèi)部的溫度隨時間變化曲線, 由圖可見, 在采用PCM 材料部分取代EPS 板后, 其最高溫度降低了16.1, 但此種結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)部降溫時間的過度延長, 其降溫總時間達到827min, 與不采用PCM 相比, 其延長降溫時間達到了750min 以上。三維溫度- 時間響應(yīng) 右圖為PCM- EPS存在問題是相變復(fù)合材料的耐久性問題以及其經(jīng)濟性。耐久性主要分為三類問題：一為相變材料在循環(huán)相變過程中熱物理性質(zhì)的退化。二為相變材料從基體材料中泄露出來，表現(xiàn)為在材料表面結(jié)霜。

18、三為相變材料對基體材料的作用。相變材料相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力使得基體材料容易破壞。經(jīng)濟性問題： 是制約其廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域的障礙，表現(xiàn)為各種相變材料及相變儲能復(fù)合材料價格較高，導(dǎo)致單位熱能的儲存費用的上升，失去了與其他儲熱方法的比較優(yōu)勢。 隨著高分子技術(shù)的發(fā)展，合適的微膠囊囊壁材料的獲得以及生產(chǎn)工藝的簡化，相變材料將主要以微膠囊形式出現(xiàn)。如用含相變材料的微膠囊制備涂料。這種涂料，即可以在新建建筑中使用，也可以用來提升老房屋的儲熱能力。這將有利于相變儲能復(fù)合材料的推廣。此外，天然或人工的一些多孔顆粒材料可以用來做相變材料載體，制備能量小球。這種方法是目前較為經(jīng)濟可行的一種方法。多孔顆粒將相變材

19、料分隔開來，能夠較好的封裝儲存。且多孔顆粒的價格較低，可以降低整個能量小球的價格，從而降低單位熱能儲存費用。存在問題是相變復(fù)合材料的耐久性問題以及其經(jīng)濟性。蓄熱熱過程分析數(shù)學(xué)模型的建立 按照能量小球方法，首先將相變材料封閉在某種膠囊中，并將該膠囊與常規(guī)建筑材料混合。因此可以認為用該建筑材料施工的外圍護結(jié)構(gòu)的剖面如右圖（1膠囊；2普通建筑材料），即膠囊在外圍護結(jié)構(gòu)中的排列是無規(guī)則的。蓄熱熱過程分析數(shù)學(xué)模型的建立 按照能量小球方法，首先蓄熱熱過程分析為簡化問題，截取一部分外圍護結(jié)構(gòu)，使所截取的高度遠大于結(jié)構(gòu)的厚度，并且在截取的高度內(nèi)膠囊的排列是整齊的（如右圖一，1相變材料；2普通建筑材料）。如果忽略膠囊之間的膠囊壁面對傳熱的影響，就可以將建筑外圍護結(jié)構(gòu)分為如下圖二所示的三個部分：內(nèi)，外側(cè)是普通的建筑材料結(jié)構(gòu)層（圖中的2，厚度分別是（L3-L2）和L1），中間是相變材料結(jié)構(gòu)層（圖中的1，厚度是（L2-L1），并建立如圖的坐標(biāo)系。蓄熱熱過程分析為簡化問題，截取一部分外圍護結(jié)構(gòu)，使所截取的高蓄熱熱過程分析每個膠囊的體積與建筑結(jié)構(gòu)相比是相當(dāng)小的，當(dāng)膠囊內(nèi)物質(zhì)受熱融化或受冷凝固時，可以忽略自然對流引起的對流傳熱過程，而把它簡化為只有導(dǎo)熱傳熱，這樣針對圖二可以分別建立它們的導(dǎo)熱傳熱的數(shù)學(xué)描述：0XL1 (1)L2XL3 (2