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相变储能建筑材料


     相变微胶囊在建筑、暖通中的应用

             浙江英凡新材料科技有限公司
  相变材料应用于建筑的研究开始于1982年,由美国能源部太阳能公司发起。1988年起由美国能量储存分配办公室推动此项研究。Lane在其著作《太阳能储存———潜热材料》一书中对20世纪80 年代初以前相变材料和容器的发展作了总结 。


    20世纪90年代以相变材料处理石膏板、墙板与混凝土构件等建筑材料的技术发展起来了,随后,相变材料在石膏板、墙板与混凝土构件的研究和应用得到了发展,主要目的是增强轻质结构的热容。美国Neeper估计相变墙板能转移居民空调负荷中90%的显热负荷到用电低谷期,可降低30%的设备容量。Oakbridge 国家实验室在1990年得出结论:在太阳房中,相变墙板能明显降低附加能量的消耗,回报期大约是5年 。日本的Kanagawa大学和Tokyo Denki大学的研究人员对相变墙板的储热性能进行了研究。他们得出了相变墙板的使用使得热负荷更加平缓,辐射域更加舒适,用电量下降,有消减峰负荷的可能的结论。


    国内对相变建筑材料的研究起步较晚,张寅平研究了无水乙酸钠和尿素的共混物,其相变温度在2831℃。同济大学则主要以工业级的硬脂酸丁酯为相变材料进行建筑节能混凝土材料的研究。浙江英凡新材料科技有限公司与国内几家顶尖的专题研究相变材料的高校结合,共同研制相变材料微胶囊,为相变材料在建筑保温材料中的应用开拓了更广阔的天地。


    相变材料微胶囊是相变材料装入直径1~5μm的微小容器内(图一)。微胶囊通常为球形外观,其中,外层的裹附材质我们成为囊壁,囊壁多采用无机或有机高分子材料,在特殊条件下也可以用金属材料,内部的相变材料被称为囊芯。采用微胶囊对相变材料进行封装这一技术,近年来得到了国内外专家们的广泛关注,相变材料做成微胶囊再遇建筑材料掺混有以下优点:
1、 可增大相变材料热传递过程中的表面积和传导率。
2、 相变过程在微胶囊内完成,可极大的消除“相分离”现象。
3、 提高相变材料的稳定性,降低一些相变材料的毒性和挥发性。
4、 提高相变材料的耐久性,增加其使用寿命。
5、 相变材料微胶囊便于封装,可满足绿色环保新型材料的要求。
6、 通过选择合适的胶囊囊壁材料,可以避免相变材料与建筑材料不相容性造成的对建筑材料热性能与承重能力的影响。
              图一
    根据相变材料的特性以及相变材料微胶囊的特点,在建筑、暖通领域中有着广泛的应用。


一、 相变材料微胶囊在砂浆中的应用
    德国巴斯夫(BASF)公司将石蜡封装在微胶囊中,研制出石蜡砂浆,并已将这种砂浆用于房屋的内墙表面上,作为室内的冬季保温和夏季制冷的材料。这样的设计可以减少室内温度波动,使室内保持良好的热舒适度。减少空调系统的设备容量,转移用电负荷。相变材料微胶囊与砂浆的混合,相当于每平米的墙面有750~1500hMicroPCMs,每50px厚的此种砂浆的蓄热能力相当于500px厚的砖木结构。另外,德国弗赖堡夫琅费太阳能系统研究所的研究人员将相变石蜡封装在直径为20mm的小塑料球内,制成用于内墙的灰泥。这种新的灰泥在夏天能使室内保持舒适的温度,冬天有助于节省能源。经过测试,75px厚的墙借助新的灰泥可以达到1000px厚的水泥墙的蓄热能力。


    相变材料微胶囊不仅可以用于内墙保温材料,在外墙保温方面,也可以起到很大的作用。当建筑围护结构外表面直接暴露在阳光下时,外表面的室外综合温度可高达60~70℃。把相变材料用于外墙体外表面,可以有效控制建筑外表面温度,降低外表面温度曲线的峰值,这时候结构内外温差较小,以起到保温节能的作用。分析得出,降低普通墙体外表面的温度能够有效的控制热量从室外通过围护结构传入室内。相变材料拥有较大的相变潜热,如果选择合理的相变温度,将其置于普通墙体外表面,白天温度较高时,相变材料开始“工作”,通过相变储能把普通墙体吸收的室外热量存储在墙体外侧,同时围护结构外侧的温度也保持在较低温度,通过围护结构从外侧传入室内的热量也就减少;当室外温度低于相变温度时,集中在相变材料中(围护结构的外侧)的热量能够通过有效的室外通风释放出去。这样就降低和延迟了普通墙体外表面的温度峰值,明显的减少了通过墙体传入室内的热量,降低了制冷能耗。

 

二、相变材料微胶囊在室内水性涂料中的应用

在层高3米的室内,每平米使用相变材料微胶囊200克和水性涂料混合涂刷在墙壁上,可以使室内温差从7℃减少无温差,提高人体舒适度,减少墙壁冷凝水发霉现象。因为墙壁上相变材料存储一定的热量,调节室内空气的温度,减少空调启动次数,节能效果达到20%以上。

 

三、相变材料微胶囊在大型水冷空调中的应用

    在水冷机组的冷凝循环水中加入10~15%的相变材料微胶囊,由于微胶囊有强大的蓄热能力,从而提高了冷却水的热搬运能力。按照水冷空调每提高1℃出水温度可以节能3%,如果提高4℃的出水温度,可以节能12%左右。同理在蒸发器端也可以节能12%左右,综合节能在20~24%左右。