相变材料在建筑结构中的应用

2011-12-31孙继志

中国新技术新产品 2011年13期

关键词：定形墙板围护结构

孙继志

（山东海逸恒安项目管理有限公司，山东烟台 264000）

1 前言

建筑采暖能耗在很大程度上与建筑围护结构和气象条件有关，改进建筑围护结构可改善建筑热性能，是建筑节能的重要途径。相变材料具有很高的蓄热密度，应用于围护结构可有效增大房间热容，同时相变发生在较小的温度范围内，有助于提高热舒适性。

对相变材料在建筑领域的研究主要分为以下几个方面:1)新型相变建筑材料及其构件的研制和性能研究;2)蓄能建材应用方式和效果研究;3)墙体蓄热和传热特性研究。

2 相变建筑材料的研制和性能研究

从20世纪90年代以来，对相变材料的开发已逐步进入实用性阶段。相变材料的制备和热物理特性研究很多，包括新材料配方、相变温度和潜热等热物性测量、热寿命实验、多组分材料热物性研究等。其中，可用于建筑节能的相变材料研制和封装研究是相变蓄能领域一个重要发展方向。

相变材料用作建筑构件可将其密封在建筑材料中或直接与建筑材料掺混。前者应用过程中相变材料容易泄漏，通常要使用一些封接剂，目前国内外一般借助于微胶囊技术和纳米复合技术将相变材料封装成微球，以此解决因相变材料与建筑材料不相容引起的材料长期使用后变质问题。

德国BASF公司将相变材料封装在微胶囊中，制成石蜡砂浆，砂浆内含10%～25%(质量分数)的石蜡微胶囊，即每平方米的墙面就含有750～1500g的石蜡微胶囊。厚度为2cm的此种砂浆其蓄热能力相当于厚度为20cm的砖木结构。纳米复合技术使胶囊尺寸进一步降低，胶囊表面积与体积的比率增大，有利于提高相变材料的传热速率。

将相变材料与建筑材料掺混后性质较均匀，易于做成各种形状和大小的建筑构件，目前该种方式已成为相变材料用作建筑构件的主要应用方式。加拿大康克迪亚大学建筑研究中心研究了相变材料在水泥中的稳定性，分析了温度、液态相变材料的粘度、水泥密度和氢键对相变材料在水泥中穿透状况的影响。

国内外文献对定形相变材料的制备方法和热物性及稳定性有较多的研究。给出了定形相变材料的三种制备方法，熔融共混法、混合成型烧结法和封装法。丁建红等人研制了20-600C范围石蜡-聚乙烯体系定形相变材料，用DSC和T-history法对其热性能进行测量，改进了定形相变材料热性能和阻燃性，将它与混凝土掺混，测量了其承压特性，通过添加剂增大了其导热系数，并对其稳定性进行了研究。定形相变材料具有无需封装、制备工艺较为成熟和成本较为低廉的特点，使得相变材料较多的以此种方式应用于建筑维护结构中。

3 相变材料在被动式建筑中应用效果研究

相变材料在建筑中的应用效果研究是当前研究热点，采用相变材料可以在很大程度上改善围护结构的热性能和室内舒适性。国外的研究者们在利用相变蓄能技术降低建筑能耗方面做了较多的工作。很多学者对相变材料的蓄能调温特性和应用可行性、经济性进行了研究。按照蓄能方式可分为被动式蓄能和主动式蓄能。被动式太阳能采暖技术的三大要素为:集热、蓄热和保温，可通过在围护结构表面添加相变材料提高其热容，同时充分吸收太阳能，降低冬季采暖能耗。

在直接受益式被动式太阳房的内墙表面添加单层相变材料，通过实验和数值模拟发现，相变材料应用在被动式太阳房中，减小了室温波动，可将白天室温降低4℃，同时提高夜间室温，有效减小了夜间采暖负荷。他认为采用相变材料不仅节能节资，还可有效提高热舒适水平。

在被动式太阳房中使用脂肪烃类相变材料制成墙板，将相变墙板作为测试房的内部墙，其中硬脂酸丁酷的体积百分比为25%，相变材料的相变范围为16.0-20.8℃，同时采用隐式差分模型模拟分析了相变墙体的瞬态热传递过程。实验研究和数值模拟分析均表明，相变墙体应用于被动太阳房，白天室温比常规墙板的低4℃，而夜间其放热可以延续7小时以上，夜间相变墙体的表面温度可比普通墙板高3.2℃，使得室温维持在相变范围附近，在很大程度上改善了热舒适性。

采用软件ESP-分析了相变墙板在被动式太阳房中应用，选取相变范围为13.7-33.3℃,潜热为11.1-82.4kJ/kg的相变材料，采用有效热容法计算相变材料的热传递过程，计算结果表明在全年中的春秋季节，相变材料可有效吸收太阳能，降低室内温度波动。在采暖期的开始和结束时间段，选用熔点比设定室温高2℃的相变材料较为理想，采用相变墙板可有效降低采暖期能耗。相变材料熔点的选择与物理模型和室外气候环境有关，当室温接近相变材料熔点时，相变材料可充分发挥作用。

4 相变材料在主动式建筑中效果研究

主动式太阳能采暖技术注重太阳能集热技术和其他采暖技术的结合，太阳能热水地板采暖系统就是一种有效的解决方案。太阳能热水系统将吸收的太阳能转化为热能作为采暖的热源，在地板层中添加相变材料作为蓄热体，利用水箱提供的40℃左右的热水即可获得较好的采暖效果，可在很小的温度变化范围内储存大量热量，有效减小室内日夜间温度波动，提高室内环境热舒适度。

提出了一种与太阳能空气集热器结合的定形相变蓄能地板采暖系统。太阳能空气集热器输出的热空气通过保温管道输送到相变地板夹层，利用相变材料蓄热;冷空气进入相变地板夹层，被加热后进入房间供暖。搭建了应用此系统的实验房间，测量了集热器进出口空气的温度和房间空气、地板表面温度。结果表明，此系统明显提高了夜间室温，可以作为常规供暖的补充，减小采暖能耗。通常的太阳能采暖装置均需配置辅助加热器以满足阴天的采暖需要，对于冬季太阳口照时间较短的地区，需考虑系统的太阳能利用率，综合太阳能采暖系统的初投资和收益进行可行性分析。

构建了单个内墙为相变材料和普通材料的实验测试房间，采用户式空调蓄冷，以温度、热流巡检装置对房间的温度场和热流变化进行测试。给出了普通墙房间和相变墙房间室内热性能参数的实测分析，发现在夏季空调工况下相变墙房间的室内空气温度要比普通墙房间的低1-2℃，同时相变墙可以削减墙体向室内的热流传递。国内外对于相变材料在夏季空调工况下的研究较少，在昼夜温差较小的地区可考虑用空调对相变材料蓄冷，但需采用合理的空调运行控制模式才能获得较好的节能效果。

5 相变材料传热计算方法研究

建筑能耗计算软件Dest应用状态空间法处理建筑构件的传热计算。这些方法都是建立在对象是线性方程的基础上。相变材料的传热方程为非线性，计算结果不能叠加，因此无法用上述方法求解。而且一般的相变传热过程无法得到解析解，只能通过数值方法进行计算。相变传热问题的特点在于求解域中存在一个位置随时间变化的固液界面，相变材料熔融(凝固)现象发生在一个温度范围，移动"界面"是模糊的两相区。利用焓法和有效热容法对定形相变材料熔解过程给出了比较分析，发现只要在焓法中相变半径根据DSC实测的结果取值，两种算法的结果一致。