相變儲能材料技術(shù)及在建筑節(jié)能中的運用研究獲獎科研報告

相變儲能材料技術(shù)及在建筑節(jié)能中的運用研究獲獎科研報告關(guān)鍵詞：相變儲能材料;建筑工程;節(jié)能;運用

引言

PhaseChangeMaterials的中文簡稱為相變儲能材料，人們又將相變儲能材料叫做PCMs材料，對于相變儲能材料來說，當(dāng)外界溫度在固定范圍內(nèi)變化時，其材料本身的相態(tài)或結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變化，進而使環(huán)境中的熱量能夠被材料自動吸收，或是材料將內(nèi)部儲存的熱量釋放到環(huán)境之中去，這樣便可使材料發(fā)揮出對環(huán)境溫度進行調(diào)控的作用。就目前來看，我國建筑行業(yè)的能耗水平長期居高不下，而國外建筑行業(yè)的能耗也超過全部行業(yè)總能耗的四成以上，因此，大力推行節(jié)能減排勢在必行，只有發(fā)展低碳經(jīng)濟，才能有效保護人類賴以生存的自然環(huán)境。在節(jié)能減排的大背景下，人們對建筑節(jié)能新材料開發(fā)也日益重視，相變儲能材料便是典型的建筑節(jié)能新材料之一，其材料應(yīng)用優(yōu)勢在于能夠通過吸收和釋放能量來調(diào)控環(huán)境溫度，并且材料的體積較小，有著簡單的儲熱裝置和較大的儲能密度，這使得室溫定溫控制成為可能。以下便對相變儲能材料及其在建筑節(jié)能中的運用開展深入的研究。

一、相變儲能材料的機理及性質(zhì)

當(dāng)外界溫度在固定范圍內(nèi)發(fā)生變化時，材料的物理狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化，這種材料便是PCMx材料，也就是所謂的相變儲能材料。如果外界溫度超過相變儲能材料的相變點時，此時該材料會自動對外界熱量進行吸收，以此實現(xiàn)相變。而如果外界溫度低于相變儲能材料的相變點時，那么該材料則會將自身存儲的熱量向外界釋放，該釋放過程便是逆相變過程。對于相變儲能材料來說，其在進行相變與逆相變時吸收或釋放的熱量，則可將這些熱量看作是相變儲能材料的潛熱。在相變儲能材料中，其材料特點主要體現(xiàn)在高密度儲能、大量的相變潛熱以及簡單的儲能裝置，當(dāng)相變儲能材料處于相變過程時，其自身溫度的穩(wěn)定性是趨于良好的，通過對外界環(huán)境溫度進行有效調(diào)控的同時，還可使能源供需過程中存在的供需速度和供需時間異步問題得到顯著的改善，進而使相變儲能材料真正實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的有效調(diào)控，可以說，相變儲能材料在我國建筑領(lǐng)域中有著巨大的節(jié)能保溫優(yōu)勢。以相變儲能材料所具有的性質(zhì)來看，其主要類別可劃分成有機物PCMs和無機物PCMs，在這兩類PCMs中，無機物PCMs的導(dǎo)熱性、蓄熱密度、經(jīng)濟性以及熔解熱等性質(zhì)要高于有機物PCMs，不過在建筑工程中應(yīng)用無機物PCMs時，卻容易受到腐蝕，并且無機物PCMs在使用過程中還可能存在易相分離、過冷等問題，進而導(dǎo)致其儲熱能力受到影響。對于有機物PCMs來說，其儲能利用率偏低，并且導(dǎo)熱性也不好，所以系統(tǒng)能效偏低，不過該類PCMs卻有著良好的抗腐蝕性和穩(wěn)定性。

二、相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的運用研究

在建筑節(jié)能領(lǐng)域中，為了對相變儲能材料在應(yīng)用過程中所發(fā)揮的節(jié)能降溫效果進行研究，本文采取建筑模型實驗的方式，對一個尺寸為270mm×320mm×320mm的涼屋頂建筑模型進行了設(shè)計與制作，在該模型中，按照從上至下的順序分別是紙箱板、相變儲能材料層、紙箱板，其中紙箱板的厚度為4mm，而相變儲能材料層的厚度則為10mm，為了測量相變儲能材料在建筑模型中的溫度調(diào)控效果，還需要將精密而靈敏的鉑電阻溫度測量計分別布置在紙箱中心處與角位置、相變儲能材料層的中心位置與角位置?？紤]到需要通過對比來驗證相變儲能材料的溫控效果，還要制作同樣尺寸的建筑模型便于對比。在用于對比的建筑模型制作時，原有的相變儲能材料層利用多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖來進行代替，這是因為多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖有著非常良好的隔熱性能，該有模型的各項參數(shù)均和涼屋頂建筑模型保持一致，而且鉑電阻溫度測量計的布置位置也和涼屋頂建筑模型相同。在檢測涼屋頂建筑模型和用于對比的建筑模型的室內(nèi)、室外與屋頂溫度時，主要通過微機化多路溫度采樣儀來完成。對于相變儲能材料來說，當(dāng)外界溫度達到30℃時，該材料便會產(chǎn)生相變，而膨脹珍珠巖則是一種多孔的隔熱介質(zhì)材料，模型中的低滲透模層則采用環(huán)氧樹脂，多孔介質(zhì)內(nèi)還載入有40%的相變物質(zhì)。在開展實驗時，需要在室內(nèi)溫度達到25℃的條件下放置兩個建筑模型，并進行八個小時的冷卻后，待八個小時過后將其移至室外，根據(jù)實驗當(dāng)天的天氣數(shù)據(jù)可知，實驗當(dāng)天為夏季，其露天空氣溫度在不進行遮擋的情況下可達到40℃左右，并且當(dāng)天的天氣晴朗。根據(jù)測量的空氣溫度變化曲線、涼屋頂建筑模型中相變儲能材料中心處的溫度測量數(shù)據(jù)、用于對比建筑模型中多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖的中心處溫度測量數(shù)據(jù)，結(jié)合這些數(shù)據(jù)可了解到，在用于對比的建筑模型中，由于其并沒有設(shè)置相變儲能材料層，這使其層頂溫度迅速上升，而且集熱效果非常顯著，明顯高于空氣溫度，溫度值將近50℃。在涼屋頂建筑模型中，因其設(shè)置了相變儲能材料層，這使其相比于對比的建筑模型來說，涼屋頂建筑模型的屋頂溫度始終要比前者更低，而且也低于外界空氣溫度，隨著時間推移可知，在涼屋頂建筑模型中，其屋頂溫度要低于對比建筑模型中屋頂溫度3℃左右，由此可以看出，采用相變儲能材料來調(diào)控建筑模型中的溫度，其降溫效果要比多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖更加明顯。

通過在建筑模型屋頂中運用相變儲能復(fù)合材料，能夠使建筑模型有效阻隔太陽輻射對屋頂?shù)臒崃苛魅?，在某些?shù)據(jù)變化中也能對這一結(jié)論予以有力證明。相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的運用機理可以做出以下描述，當(dāng)屋頂受到室外溫度的影響而向室內(nèi)傳遞熱量時，這些熱量會被相變儲能材料熔化吸收，因相變儲能材料在相變過程中對能量的吸收是有限的，如果能量吸收達到上限，熱量才會被傳遞至室內(nèi)。所以，由此也可以看出在建筑物的屋頂或墻壁中只要設(shè)置充足的相變儲能材料，即可對室外熱量的傳遞進行有效阻隔，從而防止室內(nèi)溫度升高。借助相變儲能材料所具有的良好隔熱性與能量儲存性，能夠使建筑在使用過程中大幅減少空調(diào)電能消耗，進而真正實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。舉例說明，如果夜間溫度較低時，采用相變儲能材料可對白天吸收的熱量進行釋放，這樣在夜間便可縮短空調(diào)的運行時間，使室內(nèi)溫度保持一個舒適的范圍。而當(dāng)中午來臨時，由于中午的溫度比較高，為了保持室內(nèi)涼爽，相變儲能材料會自動將外界熱量進行吸收，并直至達到極限為止，而外界熱量的吸收便減少了熱能在室內(nèi)的傳遞，從而使建筑室內(nèi)人員不需開啟空調(diào)，也能感受到室內(nèi)的涼爽，這樣對于用戶來說，即減少了用戶對電能的消耗，同時也為用戶節(jié)約了許多用電費用。Ryu與Udagawa便通過數(shù)值模型對設(shè)置了相變儲能材料建筑物的電能節(jié)約情況進行了深入的分析，并得出了以下結(jié)論：即當(dāng)分時電價比例達到1：3時，能夠使電能節(jié)約量達到45%至75%，而用戶的用電費用也能相應(yīng)減少27%至47%。由此可見，這一結(jié)論充分證明了相變儲能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用價值。

三、相變儲能材料的未來研究方向

隨著國家經(jīng)濟實力的不斷增長，我國對能源的需求量日益增加，這也使我國逐步成為能源消耗大國，能源供需也變得越來越緊張。在我國眾多領(lǐng)域發(fā)展中，建筑領(lǐng)域的能耗占比高達40%以上，因此，為了推動建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排，減輕建筑行業(yè)發(fā)展給自然環(huán)境造成的污染?？梢哉f，要想實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，就必須要加快對相變儲能材料的研究，而在相變儲能材料未來發(fā)展中，則應(yīng)重點研發(fā)以下方向：其一，對更多種類的相變儲能材料進行研發(fā)，確保新研發(fā)出的相變儲能材料具備良好的環(huán)保效果，能夠?qū)崿F(xiàn)對相變儲能材料的循環(huán)利用，同時確保相變儲能材料具備更加良好的穩(wěn)定性，提高其經(jīng)濟性、耐久性和儲能密度;其二，從各個方面、不同途徑來對現(xiàn)有的相變儲能材料進行改進，研究出相應(yīng)的封裝方法與基材復(fù)合方法，從而使制備的相變儲能材料具備良好的穩(wěn)定性與生態(tài)友好性;其三，對相變儲能材料的力學(xué)性能進行優(yōu)化研究，使相變儲能材料變得更加經(jīng)久耐用;其四，在建筑領(lǐng)域中對定型相變儲能材料的抗?jié)B性、耐久性和儲熱性進行研究，以確保在建筑節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用更多的技術(shù)新成果。

結(jié)語