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聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑節(jié)能中的應用進展

2016-07-22 03:14:04翁梅
工程塑料應用 2016年4期
關鍵詞:應用進展建筑節(jié)能

翁梅

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院,河南南陽 473009)

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聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑節(jié)能中的應用進展

翁梅

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院,河南南陽 473009)

摘要:隨著能源危機的加劇,具有保溫和儲能性質(zhì)的相轉(zhuǎn)移材料對合理利用能源有著重要的價值和意義。就目前國內(nèi)外關于聚合物相轉(zhuǎn)移材料的研究現(xiàn)狀進行了綜述。介紹了目前聚合物相轉(zhuǎn)移材料的分類,不同種類的聚合物相轉(zhuǎn)移材料的性能、聚合物相轉(zhuǎn)移材料在儲熱方面的應用技術等。討論了聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑節(jié)能中的發(fā)展現(xiàn)狀、研究和應用進展以及當前存在的主要問題,提出了聚合物相轉(zhuǎn)移材料研究面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的問題。

關鍵詞:聚合物相轉(zhuǎn)移材料;建筑節(jié)能;應用進展

聯(lián)系人:翁梅,講師,主要從事土木工程技術與相關材料研究

隨著全球氣候的變化和能量供給需求的增加,傳統(tǒng)化石燃料的儲量已明顯難以應對人類生產(chǎn)生活對能源的需求。提高建筑物的能源利用效率是在全球范圍內(nèi)有益于使用能源的重要方法之一[1–3]。我國目前不管是民用建筑還是工業(yè)建筑能耗均高于西方發(fā)達國家數(shù)倍,能源危機的加劇,促使有效提高建筑物的保溫性能和隔熱性能成為人們重點關注的問題。使用傳統(tǒng)化石燃料可以暫時滿足人們對能源的需求,但難免對全球環(huán)境造成一定程度的危害。面對日益增長的能源需求,可替代性新型能源不斷涌現(xiàn),其中包括可再生能源氫能、太陽能或潮汐能和地熱能等?,F(xiàn)如今在建筑物中使用其中的一種能量來提高能源利用效率也比較常見,如建筑物使用光伏太陽能來供給能源[3–5]。這些新技術的出現(xiàn)可以降低建筑物對傳統(tǒng)能源的使用,其中的一些技術涉及到在建筑物墻體中添加一些隔熱材料等。除了隔熱材料之外,聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑物節(jié)能方面同樣受到了人們極大的關注。聚合物相轉(zhuǎn)移材料通過相變原理在能量供給充足時吸收能量,在能量供給不足時釋放能量[6–7]。正確地使用聚合物相轉(zhuǎn)移材料可以降低建筑物生熱和冷卻負荷的峰值。比如降低對能源的使用,降低建筑物室內(nèi)的溫度變化幅度,為人們提供相對舒適的居住環(huán)境[8–10]。在過去的幾十年,關于聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑物熱量儲存和提高室內(nèi)環(huán)境舒適度方面已經(jīng)有了大量的研究[11–15]。聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑物方面的應用是十分廣泛的,其中前人已經(jīng)研究的一些方面包括建筑物通風系統(tǒng)、被動加熱和冷卻系統(tǒng)、地板、屋頂以及墻體使用聚合物相轉(zhuǎn)移材料等。不僅如此,聚合物相轉(zhuǎn)移材料還可以用于建筑材料的直接應用,比如F. Kuznik等的研究把其應用于墻板的制作[16],使其在建筑物設計之初就以更小的應用元件參與建筑物的建設。筆者介紹了聚合物相轉(zhuǎn)移材料的分類、不同種類聚合物相轉(zhuǎn)移材料的性能、聚合物相轉(zhuǎn)移材料在儲熱方面的應用技術,并綜述了聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑中的應用,最后探討了聚合物相轉(zhuǎn)移材料在未來研究中可能面臨的挑戰(zhàn)和存在的主要問題。

1 相轉(zhuǎn)移材料的一般特性

相轉(zhuǎn)移材料是通過使用相變原理在一定的范圍內(nèi)控制溫度。當溫度上升超過了閾值,相轉(zhuǎn)移材料中的化學鍵將會開始斷裂,同時相轉(zhuǎn)移材料開始進行吸熱過程,該過程中相轉(zhuǎn)移材料的存在狀態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。隨著溫度的下降,相轉(zhuǎn)移材料將會釋放出能量重新返回為固態(tài)。其中用來改變相轉(zhuǎn)移材料相態(tài)的能量是由人們所需要的舒適環(huán)境的室內(nèi)溫度來決定著相轉(zhuǎn)移的溫度,如此將會使得室內(nèi)有一個更為穩(wěn)定和舒適的環(huán)境。所以,聚合物相轉(zhuǎn)移材料具有儲存熱量的能力。特別是在低熱密度的建筑物中,該類建筑物溫度變化范圍主要依賴于所使用的相轉(zhuǎn)移材料。J. Schr?der等[17]總結(jié)了相轉(zhuǎn)移材料應該具有的主要性質(zhì)。包括:(1)每個結(jié)構(gòu)單元具有較高的熔化熱,使用較少體積的相轉(zhuǎn)移材料得到較大的儲能效果,相轉(zhuǎn)移的溫度要與建筑物的要求相匹配,大部分的相轉(zhuǎn)移材料的相轉(zhuǎn)移溫度要與氣候以及建筑物的位置或類型所需要的溫度相一致。(2)在操作溫度范圍內(nèi)具有較低的蒸汽壓,由于聚合物相轉(zhuǎn)移材料是包覆在建筑物內(nèi),氣壓應該越小越好,從而避免額外的能源損耗和可能發(fā)生的危險。(3)相轉(zhuǎn)移材料要具有化學穩(wěn)定性,較低的腐蝕速率。(4)相轉(zhuǎn)移材料應不具有危險性或毒性。(5)具有可再生性且可以重復結(jié)晶。對于很多具有相同化學穩(wěn)定性的相轉(zhuǎn)移材料可以經(jīng)過上千次的相轉(zhuǎn)移過程而重復結(jié)晶,這樣可以極大的提高相轉(zhuǎn)移材料的使用壽命。(6)在凝結(jié)為固體的過程中體積變化不大,如果有較大的體積變化意味著外部包覆的材料允許相轉(zhuǎn)移材料膨脹,如此會降低包覆材料對相轉(zhuǎn)移材料的包覆數(shù)量。(7)較高的導熱性,具有較高導熱性的相轉(zhuǎn)移材料可以允許熱量更快的儲存或離開相轉(zhuǎn)移材料,相轉(zhuǎn)移材料可以以較高的速率吸收或釋放熱量。(8)廉價且原材料豐富,價廉物美的相轉(zhuǎn)移材料可以極大提高該項技術的使用范圍。

2 聚合物相轉(zhuǎn)移材料的特點

相轉(zhuǎn)移材料主要分為三類:有機相轉(zhuǎn)移材料,無機相轉(zhuǎn)移材料以及共熔合金相轉(zhuǎn)移材料,其中有機相轉(zhuǎn)移材料又可以分為鏈烷烴相轉(zhuǎn)移材料和非鏈烷烴相轉(zhuǎn)移材料兩大類。通常來講,與其他兩種相轉(zhuǎn)移材料不同的是,有機相轉(zhuǎn)移材料不經(jīng)過相分離過程,在結(jié)晶過程中只有很少或幾乎沒有過冷現(xiàn)象[18–20]。烷烴類相轉(zhuǎn)移材料具有較大范圍的相轉(zhuǎn)移溫度。除了在建筑節(jié)能方面應用以外,有機烷烴類相轉(zhuǎn)移材料還可以在很多不同的領域有著廣泛的應用。在經(jīng)過反復固液轉(zhuǎn)換循環(huán)之后,烷烴類相轉(zhuǎn)移材料沒有表現(xiàn)出相分離痕跡[21–25]。同時烷烴類相轉(zhuǎn)移材料有著較低的蒸汽壓。然而,烷烴類相轉(zhuǎn)移材料也有一些缺點,比如它的導熱系數(shù)小、熔點較低,不與塑料容器兼容同時其易燃性不好??梢杂糜谙噢D(zhuǎn)移材料的非烷烴類主要包括脂肪酸、脂肪酸酯、醇類、乙二醇等。脂肪酸應用于節(jié)能建筑物中作為相轉(zhuǎn)移材料已經(jīng)受到了較大的關注,Yuan Yi等[26]為此專門綜述了脂肪酸作為相轉(zhuǎn)移材料的應用和進展,其中主要研究了脂肪酸和脂肪酸酯以及醇類有潛能作為相轉(zhuǎn)移材料。值得一提的是可以作為相轉(zhuǎn)移材料的脂肪酸是月桂酸、肉豆蔻酸、十六烷酸和硬脂酸。和烷烴類相轉(zhuǎn)移材料一樣,它們同樣具有較低的導熱系數(shù),導熱范圍在0.15~0.17 W/(m·K)之間[27–28]??傊?,有機相轉(zhuǎn)移材料應用于建筑節(jié)能方面有著很多的有點,然而,很多有機相轉(zhuǎn)移材料的易燃性也是其最為主要的缺點,當其作為相轉(zhuǎn)移材料應用于建筑節(jié)能領域時應當從安全方面加以考慮。有機相轉(zhuǎn)移材料、無機相轉(zhuǎn)移材料以及共融合金相轉(zhuǎn)移材料的優(yōu)缺點見表1。

表1 相轉(zhuǎn)移材料的優(yōu)劣比較

3 聚合物相轉(zhuǎn)移材料在儲熱方面的應用技術

有機相轉(zhuǎn)移材料有著諸多的優(yōu)勢,比如具有較好的熱穩(wěn)定性、凍結(jié)過程不產(chǎn)生過冷現(xiàn)象、能夠同成分熔融、能夠自然成核、不易分離、反應活性弱、無毒等特點。石蠟和脂肪酸被認為是最具有利用價值的相轉(zhuǎn)移材料。然而,由于有機相轉(zhuǎn)移材料較低的導熱系數(shù),導致其在融化狀態(tài)下出現(xiàn)過冷和滲漏的問題,限制了其在儲能材料中的應用。直接使用脂肪酸作為儲能材料的另外一項瓶頸是在加熱過程和升華過程中的氣味難聞,同時熱穩(wěn)定性也較差。在傳統(tǒng)的方式中,有機聚合物相轉(zhuǎn)移材料在應用方面還有一些不足,包括使用過程中必須依靠一些特殊的儲熱設備或者熱交換表面,這無疑增加了其應用成本。圍繞著如何增加相轉(zhuǎn)移材料的儲熱性能以及降低其應用成本,科研工作者開展了很多有價值的工作,發(fā)展了很多新型技術來解決上述難題,比如納米封裝技術、定形保持復合技術、插層方法等。

3.1納米膠囊封裝技術

納米封裝方法就是將單個粒子涂層或液滴通過薄膜包裹得到一個納米尺度的膠囊的過程[29]。常見的有微膠囊、納米微粒、納米微球等。這些膠囊的半徑小于1 000 nm的被叫做納米膠囊、納米微粒或微球。這些有機相轉(zhuǎn)移材料納米膠囊主要有兩部分組成,核心部分是有機相轉(zhuǎn)移材料,還有一部分是位于外部的殼層,這些殼層是由聚合物或者無機材料組成的。殼層可以用來保護相轉(zhuǎn)移材料不被外部環(huán)境污染。這些納米膠囊可以以很多種不同的形狀存在,比如球形、管狀、橢圓形或其他不規(guī)則的形狀。這種方法是保護敏感物質(zhì)最有效的方法之一,同時也是得到具有特殊性能材料最為有效的生產(chǎn)方法之一。有機相轉(zhuǎn)移材料的熔化溫度范圍是在–10~80℃之間,在該溫度區(qū)間范圍內(nèi)可以被包覆成為納米膠囊。制備有機相轉(zhuǎn)移膠囊材料的常用方法有力學方法、化學方法和物理化學方法。其中化學方法分為界面聚合法、懸浮聚合法、乳液聚合法。物理化學方法有溶膠凝膠方法和凝聚法兩種。

3.2定形保持復合技術

有機相轉(zhuǎn)移材料膠囊把聚合物變成微米或納米尺度的過程需要較高的制備成本。事實上,在微尺度范圍內(nèi)發(fā)展的大部分封裝技術并不能夠顯著提高有機相轉(zhuǎn)移材料的導熱性。因此人們關注重點轉(zhuǎn)移到了如何保持聚合物相轉(zhuǎn)移材料形貌的技術上,這種技術被稱為定形保持復合技術[30–31]。定形保持相轉(zhuǎn)移材料可以被定義為一種新的材料,它具有能夠保持有機相轉(zhuǎn)移材料形貌的能力,比如即使是在超過有機相轉(zhuǎn)移材料熔點溫度時任然維持其固態(tài)存在。定形相轉(zhuǎn)移材料可以通過一些輔助材料來制備。比如有機聚合物材料或無機多孔材料,這種技術的出現(xiàn)同樣能夠解決膠囊封裝技術能夠解決的一系列問題。如聚合反應方法和參數(shù)的不同導致有機聚合物相轉(zhuǎn)移材料性能的差異。對于有機聚合物輔助材料制備的定形相轉(zhuǎn)移材料,其形貌就為高分子結(jié)構(gòu),而對于用無機多孔材料制備的定形相轉(zhuǎn)移材料,其形貌即多孔結(jié)構(gòu)。圖1為無機材料制備的多孔有機相轉(zhuǎn)移材料的結(jié)構(gòu)。

圖1 多孔無機相轉(zhuǎn)移材料結(jié)構(gòu)示意圖

3.3插層技術

插層技術是制備定形有機相轉(zhuǎn)移材料最為有效的方法之一[32]??傮w來講,插層可以被定義為在分子和離子層插入一層無機物,使得材料變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)。圖2展示了有機相轉(zhuǎn)移材料插入無機材料中形成的三明治結(jié)構(gòu)。

圖2 無機納米材料插層有機相轉(zhuǎn)移材料示意圖

有報道指出,有機相轉(zhuǎn)移材料可以插入蒙脫石或石墨中得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物質(zhì)。蒙脫石和石墨具有基底間距約為幾個納米的三明治結(jié)構(gòu)。兩種材料之間的夾層具有可以移動的離子或中性的分子。因此有機相轉(zhuǎn)移材料可以被輕易地放置進入兩種材料的夾層間從而形成定形有機相轉(zhuǎn)移材料。這種技術的優(yōu)勢在于它可以提高有機相轉(zhuǎn)移材料的導熱性和阻燃性。有機相轉(zhuǎn)移材料在儲熱方面的應用主要得益于材料封裝技術的發(fā)展,利用不同的封裝技術將有機相轉(zhuǎn)移材料包覆得到具有特殊要求的儲熱材料是近年來研究的熱點問題。封裝技術主要分為三個主要方面,即微米或納米膠囊封裝、定形封裝技術以及插層封裝技術。選擇哪種封裝技術主要依賴于實際工業(yè)對有機相轉(zhuǎn)移材料的特殊要求。封裝后有機相轉(zhuǎn)移材料的物理化學性質(zhì)可以通過現(xiàn)有的三種不同的技術得以輕松實現(xiàn)。

4 聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑中的應用

相轉(zhuǎn)移材料可以在一個比較寬泛的溫度范圍區(qū)間內(nèi)使用,B. Zalba等[33]給出了關于聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑中應用的諸多特性和優(yōu)勢,其中建議了在三個溫度范圍內(nèi)使用聚合物相轉(zhuǎn)移材料,這三個溫度范圍包括:21℃以下(應用于制冷);22~28℃;29~60℃(應用于加熱)。

目前相轉(zhuǎn)移技術和其他產(chǎn)品技術結(jié)合了起來,直接應用在了建筑物方面。相轉(zhuǎn)移材料可應用于建筑物的墻壁、地板、通風系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)和水管等方面。Zhu Ni等[34]報道了聚合物相轉(zhuǎn)移材料在建筑物應用中的動態(tài)特征和能量轉(zhuǎn)移的表現(xiàn)。

4.1自然制冷

帶有聚合物相轉(zhuǎn)移材料的自然制冷系統(tǒng)工作原理是吸收外部冷氣在建筑物內(nèi)部釋放冷氣。比如使用聚合物相轉(zhuǎn)移材料的建筑物可以在晚間吸收房屋外部的冷氣,在白天釋放冷氣到房屋內(nèi)部?;蛘呦喾矗噢D(zhuǎn)移材料可以在白天用來吸收熱量,比如通過空調(diào)系統(tǒng)中的空氣或管線中的水吸收熱量,當建筑物溫度較高需要降溫時來冷卻建筑物。這種工作原理需要配合建筑物環(huán)境溫度的變換,共同來控制相轉(zhuǎn)移材料在建筑物制冷或者制熱方面的應用。此時環(huán)境溫度必須要在白天高于相轉(zhuǎn)移溫度,而在晚上又必須低于相轉(zhuǎn)移溫度。A. H. Mosaffa等[35]報道了使用聚合物相轉(zhuǎn)移材料通過空氣流動來控制建筑物的溫度。在建筑物制冷方面的應用可以估計到必將利用其儲熱的性能在自然制冷空調(diào)系統(tǒng)中得以應用。

4.2錯峰用電

建筑物白天高峰用電對國家電網(wǎng)造成了巨大的壓力,同時也導致了對熱量、制冷以及空調(diào)系統(tǒng)對制熱或制冷負載壓力的增大。這最終必將導致一些高耗能的能源制造設備的出現(xiàn)。通過使用相轉(zhuǎn)移材料來錯過建筑物的用電高峰是一種有效節(jié)能的辦法。C. K. Halford等[36]解釋了使用聚合物相轉(zhuǎn)移材料對建筑物的用電高峰是如何降低和轉(zhuǎn)移的。Sun Hui等[37]報道了使用相轉(zhuǎn)移材料達到錯峰用電的策略以及目前大部分建筑物中正在使用的利用相轉(zhuǎn)移材料控制用電的方法。從其報道中可知,用電峰值的下降范圍是從10%到57%不等。該過程中僅僅使用了較為簡單的用電控制策略。

5 結(jié)語

相轉(zhuǎn)移材料的理想特征就是單位體積和質(zhì)量的相轉(zhuǎn)移材料具有較高的儲熱性能。因此能夠提高相轉(zhuǎn)移材料儲熱性能的各種方法和新型材料不斷出現(xiàn)。然而,正如之前所說,在考慮到提高相轉(zhuǎn)移材料儲熱性能的前提下,盡量降低材料的生產(chǎn)和制造成本以及對環(huán)境的無危害性是尤為重要的。相轉(zhuǎn)移材料封裝技術的發(fā)展極大地降低了材料對環(huán)境的損害,但是封裝技術卻導致了材料潛熱能力的下降。相轉(zhuǎn)移材料作為建筑材料應用于節(jié)能建筑中有著廣泛的應用空間。所以找到一種新的方法或材料來封裝相轉(zhuǎn)移材料,在降低環(huán)境危害和制造成本的同時極大地提高材料的儲熱能力是迫切希望實現(xiàn)的。其次提高聚合物相轉(zhuǎn)移材料的熱量轉(zhuǎn)移能力也是未來關于相轉(zhuǎn)移材料研究所面臨的機遇與挑戰(zhàn)之一,在以前的文獻報道中早已指出很多聚合物材料導熱系數(shù)較低的事實,一般僅為0.15~00.2 W/(m·k)。較低的導熱系數(shù)必然導致材料吸收熱量和釋放熱量效率的下降。在G. Evola等[38]的研究中指出,對于使用相轉(zhuǎn)移材料作為節(jié)能建筑的墻體材料,其對于相轉(zhuǎn)移材料儲熱熱量的利用率還不到45%。因此提高相轉(zhuǎn)移材料的導熱性能也必然是未來研究關注的重點。

參 考 文 獻

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Progress of Phase Change Composites Materials in Application of Building Energy Efficiency

Weng Mei
(Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473009, China)

Abstract:Since the energy crisis,phase transfer material having heat preservation and energy storage properties has important value and significance for rational utilization of energy. The study status of polymer phase transfer composites at home and abroad were reviewed. The classification of polymer phase transfer materials,different kinds of polymer phase transfer material′s performance,application technology of polymer phase transfer materials in thermal storage etc were introduced. The present situation,research and application progress of polymer phase transfer materials in construction, also including existing main problems were discussed. The research challenges and the problem need to solve of the polymer phase transfer materials were put forward.

Keywords:polymer phase change material;building energy efficiency;application progress

中圖分類號:TQ325

文獻標識碼:A

文章編號:1001-3539(2016)04-0127-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.028

收稿日期:2016-01-27

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