节能型相变储能建筑材料及研究进展

赵 华

(恩施职业技术学院建工系,湖北 恩施 445000)

随着我国能源结构的不断调整以及建设环境友好型、资源节约型愿景的不断完善,目前国家对于建筑材料的应用提出了更为严格的要求,其不但要适应建筑行业发展本身的内部需求,同时更要适应节能环保的国家建设要求,而节能型相变储能建筑材料作为其中应用优势最大的一个品类,其在建筑材料中的应用与发挥也将直接决定我国建筑能源节约的整体水平。为了进一步分析节能型相变储能建筑材料的应用情况,就必须先来了解一下什么是相变储能建筑材料。

1 相变储能建筑材料概述

相变储能建筑材料作为一种新式建筑功能材料,其不但具有节能和储能的双重功效,同时对于我国电力能源压力缓解以及资源环境危机等方面的问题都具有良好的解决促进作用。目前国内相变储能材料的发展现状相对处于稳步提升阶段,这个时期相变储能材料的选择与复合技术应用等技术也在不断成熟。对于建筑节能而言,选择合适的相变储能建筑材料能够有效提升热舒适性,从而缓解电能压力,而大规模的混凝土施工中添加相变储能材料还可以有效控制水泥水化热现象,以此来降低早期的开裂情况,进而改善材料的耐久性能[1]。

2 相变储能材料在建筑材料中的应用

根据相变过程我们可以将相变分为固固相变、固液相变、固气相变以及液气相变等不同的环节,其中固固相变的相变温度普遍较高,所以这种情况并不符合建筑材料的选择时机,而液气相变会出现较大的体积变化,其实际的应用价值也不强。最后就是固液相变,固液相变具有温度范围小、潜热大的特征,同时还具有膨胀率小以及应用范围广泛的特点。当前国内直接用于建筑节能领域的相变材料主要包括高分子聚合物以及结晶水合盐等多种相变材料,另外还包括多元醇、羧酸与脂类等物质[2]。

结晶水合盐无机相变材料的热导率较高,相变体积变化也较小,同时熔化热也较小,所以其在一些特殊建筑中的应用优势较为显著,但是同时也具有相变过冷以及腐蚀性较强的问题。有机相变材料的相变温度更加适宜,没有任何的毒性与腐蚀性,但是热传导率却较低,所以其传热性能相对要差一些。在相变储能材料的应用过程中,其蓄热能力应该作为基本的判断标准,但是同时也要兼顾建筑材料承受荷载的情况,以此来确定其在复合之后依然可以达到工程验收的各项标准。在建筑结构材料的承载实验方面,美国能源部在上个世纪90年代就对20000多种材料,其中仅有1%被证明具有实际应用价值。后来通过技术融合与跟进,目前在应用的相变储能材料主要有200多种,其中大部分被应用于石膏板等建筑材料[3]。

3 相变储能材料应用与研究前景分析

3.1 复合技术

相变储能材料复合技术是将相变材料与建筑材料的基体进行复合的过程,是实现相变储能材料在建筑材料中应用的基础工作,其主要包括以下几种复合方法：其一,浸泡法。浸泡法是指通过浸泡的方式将相变材料渗入到多孔基体当中的一种复合技术,这种复合技术被广泛的应用于传统的建筑材料当中,比如石膏墙板以及混凝土石块等等都可以通过这类相变储能复合技术进行技术复合。最早该技术出现于上个世纪70年代初期,不过当时的相变材料的处理工艺与化学性质并不稳定,所以会对混凝土基体产生一定的腐蚀。随着技术的不断发展以及研究的不断深入,后期Hadjieva等人通过DSC测试技术实现了无积水和盐作为相变材料的提升混凝土蓄热能力的可能性,进而实现了用红外光谱了解体系稳定性的技术,为相变储能技术应用于建筑材料创设了条件；其二,掺加能量微球法。掺加能量微球法是一种将微胶囊技术与纳米复合技术相结合来实现相变材料深入基体的复合技术,该技术在应用过程中大多会选择一些有机物作为相变材料,以发挥其良好的相变储能作用。比如Takeshi等人就曾经使用正十八烷与正十六烷进行融合作为相变材料,并将其作为添加到多孔建筑材料的基体当中,进而获得具有储热能力建筑材料；其三,直接混合法。直接混合法则是将相变储能材料与建材基体直接进行混合,以获得渗入建材基体的复合相变材料。在该方法中,要求基体要具有一定的流动性或者半流动性,比如硅石细粉等材料就可以直接在其中加入相变材料进行混合。另外根据加拿大学者Concordia大学的建筑研究中心的研究数据显示,使用丁基硬脂酸盐与丁基棕榈酸盐进行混合作为相变材料可以混入到灰泥砂浆,以此来提升灰泥砂浆的蓄能效率,进而确保其保温性能的全面提升。

3.2 研究方向

作为未来环保节能型建设项目的重要材料,相变储能建筑材料在提升建筑物整体舒适性以及降低能耗等方面都具有重要的价值与意义。为了进一步实现相变储能建筑材料在工程实践中的广泛应用,依然具有许多亟待解决的研究问题,这些研究问题与研究方向也将直接影响未来建筑材料的应用发展方向。

其一,相变材料的选择。当前我国的相变材料的研究工作还处于初级阶段,能够直接用于工程实践的材料可选择种类少之又少,而对于一些特殊的相变材料的选择也是基于过去实践的经验,所以开发更多的相变材料选择项是未来该行业发展的必经之路。

其二,研究制备相变储能建筑材料的新方法。当前大多数储能建筑材料都是通过上述介绍的三种方法进行合成的,三种方法各具特点与优势,但是综合性能方面都有所欠缺,如何开发出新的合成技术以提供更加完善的制备方案也是未来研究的主要方向之一。

其三,提升相变储能建筑材料的传热性能。当前大多数相变储能建筑材料的传热性能都必须通过增加储能材料的含量来完成,而这样不但会降低建筑材料的强度与机械性能,同时也会增加更多的复合成本与复合难度。未来随着技术研究的不断深入,提升相变储能建筑材料的传热性能也将成为行业研究的新方向。

4 总结

综上所述,相变储能建筑材料在建筑节能领域的应用具有众多优势与便利条件,其不但可以有效降低建筑内部的热波动,同时对于提升建筑物的整体舒适性以及提升资源的综合利用效率也具有重要的价值和作用[4]。本文立足于相变储能建筑材料现状,分别就复合技术以及未来储能材料的研究方向进行了分析与阐述,也希望能够为行业的快速发展提供新的思路,为相变储能材料在建筑材料中的有效应用提供价值与依据。

[1]郑鹏飞.节能型相变储能建筑材料的应用及发展[A].北京中外软信息技术研究院.第四届世纪之星创新教育论坛论文集[C].北京中外软信息技术研究院:2016∶1．

[2]陈宝春.节能型相变储能建筑材料研究综述[J].科技信息,2011(12):82．

[3]杨思齐.相变建筑材料在建筑节能领域的应用初探[J].江西建材,2017(19):20,22．

[4]江叶帆,左清.建筑节能中应用相变材料的意义分析与阐释[J].江西建材,2017(11):13-14．