聚氨酯型固--固相变储能材料对沥青调温效果的影响研究

张雪丽，孙伟清，郑君华

（杭州科技职业技术学院城市建设学院，浙江 杭州 311402）

随着全球气候变化以及能源问题的日益严重，可再生能源的利用和节能减排问题成为了社会各界的焦点研究内容。在交通领域中，沥青路面作为最主要的路面材料，其在能耗与碳排放量方面占据了极大的比重。因此，如何利用先进的技术手段控制沥青路面的能耗和碳排放水平，已经成为了当前的主流研究方向。相变储能材料通过相变过程吸收和释放大量热能，其在能量调节与能源存储方面具有广泛的应用前景[1]。聚氨酯型固-固相变储能材料作为一种新型的相变材料，具有良好的热稳定性和较高的相变焓，故其被认为是一种极具潜力的沥青路面调温材料。

1 聚氨酯型固-固相变储能材料的特性分析

1.1 相变材料的分类

聚氨酯型固-固相变储能材料是一种新型的相变型材料，在相变过程中固态晶格结构发生重排，故该类型材料的热稳定性极强且相变焓水平相对较高。根据储能标准的不同，聚氨酯型固-固相变储能材料可以按照相变温度、制备方法、聚氨酯的硬度与强度三项条件进行分类，具体分类标准如表1所示。

表1 聚氨酯型固-固相变储能材料分类标准Table 1 Classification standard of polyurethane solid-solid phase change energy storage materials

1.2 相变材料的储能原理

聚氨酯型固-固储能材料的相变反应伴随着吸热与放热行为共同出现。单位质量储能材料在发生相转变时所吸收或释放的总热量被称为相变储能潜热，单位为J/g或kcal/kg。相变潜热是衡量聚氨酯型固-固相变材料储能性能优劣的重要指标[2]。将发生相变反应的储能材料视为能量存储体系，从数值角度来看，相变潜热总是与聚氨酯型固-固储能材料相变反应过程中的焓值变化总量相等。以下是与聚氨酯型固-固相变材料储能相变潜热相关的能量运算公式。

式中，ΔH表示相变焓，T表示储能周期，ΔW表示聚氨酯型固-固相变储能材料的瞬时储能量，ΔU表示能量相变熵，ΔE表示储热势能变化量，χ表示潜热参数，S表示热能焓值，β表示热能转化效率。

1.3 相变储能材料的应用

氨酯型固-固储能材料的最主要应用方向就是对相变物质的温度进行调控。

（1）对沥青等建筑材料的调温。保障建筑材料的恒温特性，避免施工过程中出现能量浪费的问题。

（2）针对大功率电子元件的热调控处理。利用氨酯型固-固相变储能材料制作隔热层，在避免发生界面传热的同时，避免电子元件的储热温度不断上升。

（3）储热节能设备。将氨酯型固-固相变储能材料应用于储热节能设备中，有助于对能量信号的高效利用。

2 相变储能材料对沥青调温效果的影响

2.1 周期性储热边界条件

周期性储热边界条件是指在相变反应传热过程中，边界的温度或热流呈现周期性变化的情况。在这种情况下，由于热量边界条件的周期性变化，储能量会在不同的时间段内以不同的方式进出物质或材料，从而影响物质或材料的温度分布和热量储存能力，完整的周期性储热边界模型如图1所示。

图1 周期性储热边界模型Fig.1 Periodic heat storage boundary model

通过设置合理的周期性储热边界条件，可以更准确地模拟聚氨酯型固-固相变储能材料在沥青调温中的性能表现，从而为材料的优化设计和应用提供更可靠的理论依据。

2.2 沥青调温过程中的内聚能密度

沥青调温过程中的内聚能密度是一个重要的物理量，描述了1 mol 聚合体克服自身分子间作用力成为气体时所需要的能量。利用聚氨酯型固-固相变储能材料调节沥青温度的过程中，内聚能密度的高低可以反映沥青分子间的相互作用力和分子结构的稳定性。当储能温度升高时，沥青分子间的相互作用力会减弱，分子结构也会随之发生变化，而这将导致内聚能密度的降低[3]。反之，当储能温度降低时，沥青分子间的相互作用力会增强，分子结构也会变得更加稳定，此时内聚能密度升高。

对于沥青调温过程中内聚能密度的求解参考如下表达式：

式中，f表示调温热能存储参数，K̇表示内聚能作用特征，l→表示相变材料的调温向量。

2.3 能量变化规律

沥青调温的能量变化规律主要涉及两个过程：感应加热过程和相变储能过程。

感应加热过程是一个能量转化的过程。电能通过交变电流形成交变磁场，进而转化为磁能。当这个磁场作用于沥青时，会在沥青中产生感应电流，这个电流再通过焦耳效应将磁能转化为热能，从而使沥青温度升高[4]。这个过程的能量转化效率决定了沥青的加热速度和温度分布。

相变储能过程则是聚氨酯型固-固相变储能材料在相变温度附近吸收或释放热量的过程。当温度升高时，相变材料从固相变为液相，吸收热量；当温度降低时，相变材料从液相变为固相，释放热量。这个过程的相变焓决定了材料在温度变化时的储能和释能能力。

这两个过程的能量变化规律共同决定了沥青调温的效果。通过调整加热的磁场分布和相变材料的性能，可以优化沥青的温度分布和储能效果，从而提高沥青路面的性能和使用寿命。

3 结论与展望

在研究聚氨酯型固-固相变储能材料对沥青调温效果的影响时，需要深入探讨这种相变材料在沥青路面温度调节方面的作用。通过实验和分析，得出以下结论：

（1）聚氨酯型固-固相变储能材料在沥青中具有良好的分散性，有效地提高了沥青的相变储能能力。

（2）该材料在相变过程中能有效地吸收和释放热量，有助于调节沥青路面的温度，减小温度波动。

（3）与传统沥青相比，添加了相变材料的沥青在热稳定性和抗疲劳性能方面有显著提升。

然而，材料的相变温度和焓值仍需进一步优化，以满足不同气候条件下的温度调节需求。此外，长期耐久性和环境友好性也是今后研究的重要方向。综上所述，聚氨酯型固-固相变储能材料对沥青的调温效果具有积极的影响。但为了更好地在实际工程中应用，仍需进行更深入的研究和优化。