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相變儲(chǔ)能材料技術(shù)及在建筑節(jié)能中的運(yùn)用研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告關(guān)鍵詞:相變儲(chǔ)能材料;建筑工程;節(jié)能;運(yùn)用
引言
PhaseChangeMaterials的中文簡(jiǎn)稱為相變儲(chǔ)能材料,人們又將相變儲(chǔ)能材料叫做PCMs材料,對(duì)于相變儲(chǔ)能材料來(lái)說(shuō),當(dāng)外界溫度在固定范圍內(nèi)變化時(shí),其材料本身的相態(tài)或結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化,進(jìn)而使環(huán)境中的熱量能夠被材料自動(dòng)吸收,或是材料將內(nèi)部?jī)?chǔ)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(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控的作用。就目前來(lái)看,我國(guó)建筑行業(yè)的能耗水平長(zhǎng)期居高不下,而國(guó)外建筑行業(yè)的能耗也超過(guò)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(shì)在必行,只有發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),才能有效保護(hù)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(duì)建筑節(jié)能新材料開(kāi)發(fā)也日益重視,相變儲(chǔ)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(shì)在于能夠通過(guò)吸收和釋放能量來(lái)調(diào)控環(huán)境溫度,并且材料的體積較小,有著簡(jiǎn)單的儲(chǔ)熱裝置和較大的儲(chǔ)能密度,這使得室溫定溫控制成為可能。以下便對(duì)相變儲(chǔ)能材料及其在建筑節(jié)能中的運(yùn)用開(kāi)展深入的研究。
一、相變儲(chǔ)能材料的機(jī)理及性質(zhì)
當(dāng)外界溫度在固定范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí),材料的物理狀態(tài)也會(huì)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(chǔ)能材料。如果外界溫度超過(guò)相變儲(chǔ)能材料的相變點(diǎn)時(shí),此時(shí)該材料會(huì)自動(dòng)對(duì)外界熱量進(jìn)行吸收,以此實(shí)現(xiàn)相變。而如果外界溫度低于相變儲(chǔ)能材料的相變點(diǎn)時(shí),那么該材料則會(huì)將自身存儲(chǔ)的熱量向外界釋放,該釋放過(guò)程便是逆相變過(guò)程。對(duì)于相變儲(chǔ)能材料來(lái)說(shuō),其在進(jìn)行相變與逆相變時(shí)吸收或釋放的熱量,則可將這些熱量看作是相變儲(chǔ)能材料的潛熱。在相變儲(chǔ)能材料中,其材料特點(diǎn)主要體現(xiàn)在高密度儲(chǔ)能、大量的相變潛熱以及簡(jiǎn)單的儲(chǔ)能裝置,當(dāng)相變儲(chǔ)能材料處于相變過(guò)程時(shí),其自身溫度的穩(wěn)定性是趨于良好的,通過(guò)對(duì)外界環(huán)境溫度進(jìn)行有效調(diào)控的同時(shí),還可使能源供需過(guò)程中存在的供需速度和供需時(shí)間異步問(wèn)題得到顯著的改善,進(jìn)而使相變儲(chǔ)能材料真正實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的有效調(diào)控,可以說(shuō),相變儲(chǔ)能材料在我國(guó)建筑領(lǐng)域中有著巨大的節(jié)能保溫優(yōu)勢(shì)。以相變儲(chǔ)能材料所具有的性質(zhì)來(lái)看,其主要類別可劃分成有機(jī)物PCMs和無(wú)機(jī)物PCMs,在這兩類PCMs中,無(wú)機(jī)物PCMs的導(dǎo)熱性、蓄熱密度、經(jīng)濟(jì)性以及熔解熱等性質(zhì)要高于有機(jī)物PCMs,不過(guò)在建筑工程中應(yīng)用無(wú)機(jī)物PCMs時(shí),卻容易受到腐蝕,并且無(wú)機(jī)物PCMs在使用過(guò)程中還可能存在易相分離、過(guò)冷等問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致其儲(chǔ)熱能力受到影響。對(duì)于有機(jī)物PCMs來(lái)說(shuō),其儲(chǔ)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(guò)該類PCMs卻有著良好的抗腐蝕性和穩(wěn)定性。
二、相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的運(yùn)用研究
在建筑節(jié)能領(lǐng)域中,為了對(duì)相變儲(chǔ)能材料在應(yīng)用過(guò)程中所發(fā)揮的節(jié)能降溫效果進(jìn)行研究,本文采取建筑模型實(shí)驗(yàn)的方式,對(duì)一個(gè)尺寸為270mm×320mm×320mm的涼屋頂建筑模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(chǔ)能材料層、紙箱板,其中紙箱板的厚度為4mm,而相變儲(chǔ)能材料層的厚度則為10mm,為了測(cè)量相變儲(chǔ)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(cè)量計(jì)分別布置在紙箱中心處與角位置、相變儲(chǔ)能材料層的中心位置與角位置??紤]到需要通過(guò)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證相變儲(chǔ)能材料的溫控效果,還要制作同樣尺寸的建筑模型便于對(duì)比。在用于對(duì)比的建筑模型制作時(shí),原有的相變儲(chǔ)能材料層利用多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖來(lái)進(jìn)行代替,這是因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)-膨脹珍珠巖有著非常良好的隔熱性能,該有模型的各項(xiàng)參數(shù)均和涼屋頂建筑模型保持一致,而且鉑電阻溫度測(cè)量計(jì)的布置位置也和涼屋頂建筑模型相同。在檢測(cè)涼屋頂建筑模型和用于對(duì)比的建筑模型的室內(nèi)、室外與屋頂溫度時(shí),主要通過(guò)微機(jī)化多路溫度采樣儀來(lái)完成。對(duì)于相變儲(chǔ)能材料來(lái)說(shuō),當(dāng)外界溫度達(dá)到30℃時(shí),該材料便會(huì)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(shù)脂,多孔介質(zhì)內(nèi)還載入有40%的相變物質(zhì)。在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí),需要在室內(nèi)溫度達(dá)到25℃的條件下放置兩個(gè)建筑模型,并進(jìn)行八個(gè)小時(shí)的冷卻后,待八個(gè)小時(shí)過(guò)后將其移至室外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的天氣數(shù)據(jù)可知,實(shí)驗(yàn)當(dāng)天為夏季,其露天空氣溫度在不進(jìn)行遮擋的情況下可達(dá)到40℃左右,并且當(dāng)天的天氣晴朗。根據(jù)測(cè)量的空氣溫度變化曲線、涼屋頂建筑模型中相變儲(chǔ)能材料中心處的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)、用于對(duì)比建筑模型中多孔介質(zhì)-膨脹珍珠巖的中心處溫度測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)合這些數(shù)據(jù)可了解到,在用于對(duì)比的建筑模型中,由于其并沒(méi)有設(shè)置相變儲(chǔ)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(chǔ)能材料層,這使其相比于對(duì)比的建筑模型來(lái)說(shuō),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(shí)間推移可知,在涼屋頂建筑模型中,其屋頂溫度要低于對(duì)比建筑模型中屋頂溫度3℃左右,由此可以看出,采用相變儲(chǔ)能材料來(lái)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(guò)在建筑模型屋頂中運(yùn)用相變儲(chǔ)能復(fù)合材料,能夠使建筑模型有效阻隔太陽(yáng)輻射對(duì)屋頂?shù)臒崃苛魅?,在某些?shù)據(jù)變化中也能對(duì)這一結(jié)論予以有力證明。相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的運(yùn)用機(jī)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(shí),這些熱量會(huì)被相變儲(chǔ)能材料熔化吸收,因相變儲(chǔ)能材料在相變過(guò)程中對(duì)能量的吸收是有限的,如果能量吸收達(dá)到上限,熱量才會(huì)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(chǔ)能材料,即可對(duì)室外熱量的傳遞進(jìn)行有效阻隔,從而防止室內(nèi)溫度升高。借助相變儲(chǔ)能材料所具有的良好隔熱性與能量?jī)?chǔ)存性,能夠使建筑在使用過(guò)程中大幅減少空調(diào)電能消耗,進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。舉例說(shuō)明,如果夜間溫度較低時(shí),采用相變儲(chǔ)能材料可對(duì)白天吸收的熱量進(jìn)行釋放,這樣在夜間便可縮短空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間,使室內(nèi)溫度保持一個(gè)舒適的范圍。而當(dāng)中午來(lái)臨時(shí),由于中午的溫度比較高,為了保持室內(nèi)涼爽,相變儲(chǔ)能材料會(huì)自動(dòng)將外界熱量進(jìn)行吸收,并直至達(dá)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(kāi)啟空調(diào),也能感受到室內(nèi)的涼爽,這樣對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),即減少了用戶對(duì)電能的消耗,同時(shí)也為用戶節(jié)約了許多用電費(fèi)用。Ryu與Udagawa便通過(guò)數(shù)值模型對(duì)設(shè)置了相變儲(chǔ)能材料建筑物的電能節(jié)約情況進(jìn)行了深入的分析,并得出了以下結(jié)論:即當(dāng)分時(shí)電價(jià)比例達(dá)到1:3時(shí),能夠使電能節(jié)約量達(dá)到45%至75%,而用戶的用電費(fèi)用也能相應(yīng)減少27%至47%。由此可見(jiàn),這一結(jié)論充分證明了相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
三、相變儲(chǔ)能材料的未來(lái)研究方向
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長(zhǎng),我國(guó)對(duì)能源的需求量日益增加,這也使我國(guó)逐步成為能源消耗大國(guó),能源供需也變得越來(lái)越緊張。在我國(guó)眾多領(lǐng)域發(fā)展中,建筑領(lǐng)域的能耗占比高達(dá)40%以上,因此,為了推動(dòng)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(shuō),要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,就必須要加快對(duì)相變儲(chǔ)能材料的研究,而在相變儲(chǔ)能材料未來(lái)發(fā)展中,則應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)以下方向:其一,對(duì)更多種類的相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行研發(fā),確保新研發(fā)出的相變儲(chǔ)能材料具備良好的環(huán)保效果,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相變儲(chǔ)能材料的循環(huán)利用,同時(shí)確保相變儲(chǔ)能材料具備更加良好的穩(wěn)定性,提高其經(jīng)濟(jì)性、耐久性和儲(chǔ)能密度;其二,從各個(gè)方面、不同途徑來(lái)對(duì)現(xiàn)有的相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行改進(jìn),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(chǔ)能材料具備良好的穩(wěn)定性與生態(tài)友好性;其三,對(duì)相變儲(chǔ)能材料的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化研究,使相變儲(chǔ)能材料變得更加經(jīng)久耐用;其四,在建筑領(lǐng)域中對(duì)定型相變儲(chǔ)能材料的抗?jié)B性、耐久性和儲(chǔ)熱性進(jìn)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(yǔ)
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