建筑用相变材料的先进技术综述外文翻译资料

 2022-07-21 02:07

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建筑用相变材料的先进技术综述

作者：Ruben Baetens, Bjoslash;rn Petter Jelle,Arild Gustavsen

摘 要

相变材料（PCMs）被认为是减少建筑物能耗的一种可行的解决办法。它通过在一个特定的温度范围内储存和释放热量来增大建筑物的惯性和稳定室内环境。这篇文献综述介绍了关于现今的建筑用先进相变材料的知识。

关键词：相变材料，建筑应用，先进技术，文献综述。

目录

摘 要 2

相变材料（PCMs）被认为是减少建筑物能耗的一种可行的解决办法。它通过在一个特定的温度范围内储存和释放热量来增大建筑物的惯性和稳定室内环境。这篇文献综述介绍了关于现今的建筑用先进相变材料的知识。 2

关键词：相变材料，建筑应用，先进技术，文献综述。 2

1．背景 4

2．相变材料的介绍 4

2.1有机相变化合物 6

2.2无机相变化合物 7

2.3低共熔混合物 8

3.相变材料的测试方法 9

4.相变材料的建筑应用 10

4.1相变材料加强型墙板 10

4.1.1生产方法 10

4.1.2设计方法 11

4.1.3可能的能加强墙板的相变材料以及它们的结果 12

4.2相变材料加强型混凝土 13

4.2.1生产方法 14

4.2.2结果 14

4.3相变材料加强型建筑物的绝热材料 15

4.4其它建筑应用 15

5.结论 16

1．背景

自从欧盟1997年决定接受UNFCCC——联合国气候变化框架公约提出的京都议定书来减少温室气体排放以来，各国已经认真地采取了措施。各国承诺在2008——2012年期间将温室气体的排量在1990年的基础上减少8％并且在2020年减少20％（出自1998年的联合国气候变化框架公约的京都议定书）。

在1999年，欧洲的总能源消耗为17.8亿吨油当量，其中有35％是用于住宅和商业产业。很清楚，减少建筑物的热损失，或者更一般的来说，减少建筑物的总能源消耗对减少欧洲的总温室气体的排放量有着重要影响。为了提高热阻，传统的绝热材料过去以及现在在向更厚和多层的方向发展，但是却导致了更复杂的建筑细部，减小了可用的房屋面积占总房屋面积的比值，以及可能会增大结构载荷的后果。因此同时，人们对其它的策略开始感兴趣。

一种绝热材料的特定性能在静态层面通常表现为热阻或者外部围护结构的热透射率，而热透射率是描述两个面之间的静态温度差异的热流量的参数。然而，这样的静态观测点可以扩展为动态形式，储热系数K（W/m2K），来描述惯性指数。储热系数取决于热导率，定体积热容和周期性的热流波动。因此，惯性指数表现了建筑物的围护结构对周期性的热流波动的抵抗能力。人们提出并研究了相变材料对惯性指数的影响并且最后达到了降低建筑物能耗的结果。

这篇论文是对不同种类的相变材料的具体性质和建筑应用的可能性的文献综述。虽然还有其它的相变材料被人所知，但是这篇文章只讨论了那些适用于建筑物的相变材料。其次，这篇文章简要地介绍了相变材料在现今的建筑领域的应用，比如增强型石膏墙板和混凝土。

2．相变材料的介绍

相变材料的主要性质是以潜热的形式来储存热量，因此相比于传统建筑材料而言每个单位体积有更大的储热能力。外界温度升高时，材料的化学键会断裂，由此材料会从固态变为液态。这个相变过程是一个吸热过程，会从周围环境中吸收热量。在外界温度再一次下降时，相变材料会变成固态并且会释放之前吸收的热量。这个循环稳定了材料内部的温度，减少了非峰值的冷却载荷并且减少了热载荷。它不受建筑物的围护结构的热阻的影响，但是受外界温度影响。

这样的相变材料要用于建筑领域的话，需要满足一些具体的热学性质，物理性质，动力学性质和化学性质：

  1. 从热力学的角度看，相变材料需要有合适的相变温度范围，高熔化潜热以及好的导热能力。需要的相变温度取决于气候条件和所需的适感温度。
  2. 从物理学的角度看，为了与现有的建筑和结构材料兼容，相变材料需要处于有利的相平衡状态（也就是没有相的分离），具有高密度和在相变过程中体积变化不大的特点。
  3. 从动力学的角度看，相变材料要想得到合理利用，需要没有急速冷却的过程以及有足够大的结晶速率。急速冷却，也就是不用变成固态而直接降低到凝固点以下的温度的冷却过程，会通过影响原本合适的相变温度而严重影响相变材料的性能。
  4. 从化学的角度看，相变材料需要在长期的循环中具有化学稳定性，并且能与建筑材料兼容，无毒以及没有火灾危害。

图1.不同种类的相变材料的熔化焓和熔化温度。

基于化学组成的不同，相变材料可以分为三类。普遍来说是以下三类：（i）有机化合物，（ii）无机化合物，（iii）无机低共熔物和低共熔混合物。有机物可分为烷烃类和非烷烃类。每一类相变材料都有典型的熔化温度范围和熔化焓的范围（见图1），并且表1简要介绍了每一类中常见的相变材料。

直到最近，才出现主要针对无机化合物（也就是水合盐）的研究，这种材料要求有其它物质支撑和填充，并且不能直接和建筑材料兼容。因为在循环中随着时间的推移会出现降解的情况，所以一个重要的问题就是对于特定的相变材料来说哪种填充物最合适。然而，在过去的十年里人们研究了有机相变材料的使用情况[1,2,45]，证明了添加了它的渗透型建筑材料的可能性，并且用这种方法创造了能直接受益的储能单元[3]。

2.1有机相变化合物

通常来说，有机相变材料具有化学稳定性，它们不受急速冷却的影响，具有耐腐蚀性，无毒而且有比较大的熔化潜热。有机相变材料可分为两类：烷烃类（i）和非烷烃类（ii）。

商用石蜡（i）或者说CH3(CH2)nCH3比较廉价，并且有不错的热容密度（120k

J/kg）,最高可达210 kJ/kg。烷烃类有比较宽的熔化温度范围（从大约20℃到大约70℃），它们有化学惰性，比较低的熔化蒸气压，并且不会有相的分离。差示扫描量热法也表明工业级烷烃类石蜡的热学效能并不会在热循环中有显著降低的现象。

然而，烷烃类比较低的热导率（0.2W/(m K)）限制了它们的应用[4]，并且在相变过程中有比较大的体积变化[5]。因此，人们通过使用金属填充物和矩形结构来提高热导率，以及使用塑料填充物和不同种类的填充物来克服熔化和凝结过程中的体积变化。但是在应用烷烃类相变材料时这些问题还有待解决。

非烷烃类有机物（ii）包括比较多的有机材料，比如脂肪酸，酯类，醇类和二醇类。它们通常具有卓越的熔化和凝结特性，但是却比烷烃类几乎贵三倍[5]。在所有的材料中人们最感兴趣的是脂肪酸类，或者说棕榈油酸类（CH3(CH2)nCOOH）。它们的熔点在相对较低的温度范围内，有高熔化潜热，在相变过程中体积变化较小，并且在凝结时没有急速冷却的过程。最常见的有用脂肪酸分为6类：辛酸类，癸酸类，月桂酸类，肉豆蔻酸类，棕榈酸类，硬脂酸类，每个分子中含有8到18个碳原子。它们的熔点范围在16到65℃，熔化热在155到180 kJ/kg。然而，却没有相变温度处在接近适感温度21℃的材料。

2.2无机相变化合物

通常来说，无机相变材料有比较高的熔化热，好的热导率，便宜的价格并且不易燃的性质。然而，它们中的大多数都会腐蚀金属，并且有急速冷却的现象以及相分解现象。大多数常见的无机相变材料是水合盐。

因为水合盐有比较高的热容密度（大约240 kJ/kg），相对较高的热导率（0.5 W/(m K)）和相对烷烃石蜡类来说可以接受的价格，所以它们是一种十分有吸引力的储热材料。最常见的是芒硝（Na2SO4·H2O），它的熔点在32到35℃之间，有高达254 kJ/kg的潜热值，是用来做储热材料的最便宜的材料。但是它由于急速冷却和相分离的性质导致应用受限[4]。除此之外，水合盐的高热容密度在循环中很难保持：水合盐会和熔点更低的盐发生一致熔融，这个过程不可逆并且会导致热容下降。

陶瓷基的盐复合储热材料给和热交换直接相关的相变材料的使用提供了可能性，同时带来的后果是成本的改善。对此现象的解释是，微胶囊型的相变材料位于陶瓷基体的亚微米级的气孔中，而由于表面张力和毛细作用，陶瓷固体网络中的盐会保持液态。然而，盐/陶瓷复合材料的潜热并不由其中任一物质的潜热决定，它的热容由相变材料和陶瓷基体的热容共同决定。

如果一种状态比相变前更混乱，那么固-固相变材料也会具有大的潜热，并且可以作为热过程应用的候选材料[5,6]。这种材料的例子有季戊四醇C(CH2OH)4，三羟甲基乙烷CH3C(CH2OH3)2，聚乙二醇和新戊二醇(CH3)2C(CH2OH)2以及它们的低共熔混合物。并且对于高结晶性聚合物比如高密度的聚乙烯，如果它能稳定发生交叉耦合，作为相变材料就会有独特的优势。因为它的熔化热有98％能用于相变过程，同时不会改变形状。然而，固-固相变材料只有一部分能作为储热材料，且只有少部分相变过程才已经被人研究清楚，而且绝大部分的相变过程都发生在不适宜温度，也就是30到600℃。

2.3低共熔混合物

低共熔混合物，即组合在一起后熔点尽可能降低的多种固体的混合物，通常熔点是一个尖点，并且它的定体积热容比有机化合物的稍微高一点（见图3）。然而，关于它们热力学和物理学性质的数据却十分有限。根据材料的构成，低共熔混合物可以分为三类：（i）有机-有机型，（ii）无机-无机型以及（iii）无机-有机型低共熔混合物。

图3.不同脂肪酸以及它们的研究用加强墙板型相变材料的低共熔混合物的差热分析图谱（摘自[10]）

纯酸和它们的低共熔混合物有一个特征就是它们的差热分析扫描图只有一个尖锐的、易辨认的峰。两种脂肪酸组成的系统的熔点和凝固点可能会重合，但是热分析图中最多可观察到4个峰（见图2）[7,8]。双系统的低共熔混合物熔点在18到51℃之间，凝固点在16到51℃之间，熔化热在120到160 kJ/kg之间。

癸酸和毛桃酸形成的低共熔混合物可能是最适合的被动式太阳能储热材料，它们的熔点为18℃，凝固点在17℃，熔化热为120 kJ/kg。

图2.摩尔分数在80到20％的月桂酸和棕榈酸二系统低共熔混合物[虚线]和摩尔分数在40到60％的月桂酸和棕榈酸二系统低共熔混合物[实线]的差热分析图（摘自[7,8]）

这些二系统低共熔混合物在加强型墙板相变材料的应用还有待发展[1,9-11]（见图3）。

3.相变材料的测试方法

Rudd将差热分析测试作为相变材料性能的标准测试方法，比较了大规模和小规模的测试方法[10]。差热分析法是将材料制成边长为

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