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相變材料范文1
中圖分類號：O434文獻標識碼： A
引言
我國能源匱乏,經濟發展越發迅猛,需要更多的能源支撐, 新型建筑節能材料的廣泛應用將為社會節能降耗做出重要貢獻。FTC自調溫相變節能建筑材料是以水鎂石纖維等無機材料為原料,合理選用并添加相變材料及其他輔助材料, 經科學配比及特殊工藝復合而成,通過相變介質的相態變化,可在一定范圍內調節室內溫度等的新型建筑節能材料。傳統工藝中的外墻保溫節能材料聚苯乙烯泡沫塑料板、膠粉聚苯顆粒等, 在施工操作中直至交付使用過程中,不同程度存在性能折減、操作略繁、滲水、開裂、脫落等問題。而FTC除具備節能效果明顯的優點外,在很大程度上克服了上述缺陷, 提供了建筑高效節能的新的可靠途徑。
一、FTC自調溫相變蓄能材料作用機理
FTC自調溫相變蓄能材料（以下簡稱 FTC材料）是以硅質材料等作為骨架材料，經科學配比合理選用并添加相變材料及其他輔助材料，利用植物臨界萃取、真空冷凍析層、蒸餾、皂化等工藝復合而成，是根據不同溫度相變點調節室溫的原創科技新材料，具有隔聲、防火、保溫、隔熱等功能。它突破傳統保溫材料單一熱阻性能，具有熱融性和熱阻性兩大絕熱性。利用相變調溫機理，通過蓄能介質的相態變化實現對熱能的儲存，改善室內熱循環質量，當環境溫度低于一定值時，相變材料由液態凝結為固態，釋放熱量；當環境溫度高于一定值時，相變材料由固態融化為液態，吸收熱量，使室溫相對平衡，可在一定范圍內調節室內溫度，FTC是一種新型建筑節能材料。
二、FTC自調溫相變蓄能材料的特點分析
經實踐證明FTC自調溫相變節能材料 38 mm 厚材料優于50 mm 擠塑板保溫性能, 達到節能 65%的要求。FTC 材料與傳統施工方法比較, 其先進性和新穎性體現在如下幾方面:
1、工期: FTC 材料按施工工序手工抹制, 方便快捷, 材料容重為 358 kg/ m3, 在操作工作面隨拌隨抹, 托灰板每次托料質量很輕, FTC 材料自身及與基層材料粘合力好, 塑料及木板抹子每次涂抹面積大。第一層壓實厚度控制在 10 mm 以內, 初凝后,涂抹第二遍厚度不超過 20 mm( 頂棚為 15 mm) , 施工速度快, 單位時間完成實物量大。另一特點, 構件基層處理方便快捷、簡單,僅對混凝土結構表面抹 3 mm-5 mm 厚界面劑, 而加氣混凝土砌塊、陶粒、空心磚及粉煤灰磚等填充墻體表面只要清除浮塵, 用水濕潤即可施工, 無需其他處理。傳統工藝中聚苯板施工, 要使用膠粘劑與基層墻體粘貼, 并輔以錨栓固定, 打眼、安裝錨栓固定( FTC 材料僅面層為貼磚時方使用錨栓)。另外在其表面需單獨做聚合物抗裂砂漿保護層, 工序較多。而膠粉聚苯顆粒料漿做法, 基層墻體界面處理要單獨施工, 每次抹 3 mm-5 mm 厚, 24 h后進行下一次施工, 速度慢, 單位時間完成量小, 還要做抗裂砂漿保護層施工, 且需兩次抹成。傳統工藝中巖棉板外墻保溫工序更多, 安裝龍骨、填實巖棉板、安裝面板、自攻螺釘固定, 更為繁瑣,單位時間完成量較小。綜上情況可見, FTC 材料施工方便快捷,可明顯提高施工速度, 縮短工期。
2、質量: FTC 材料當量導熱系數為 0.028 W/( m#K)。干表觀密度為358 kg/m3, 抗壓強度為346 kPa,抗拉強度為 0.13 MPa, 燃燒時能達到 A1級。FT C 材料經耐候性實驗后, 拉伸粘結強度為 0.34 MPa, 破壞部位為保溫層內部, 系統抗沖擊強度達到3J級。FTC 保溫節能材料性能質量符合設計及國家規范規定, 經若干工程實踐, FTC 材料與基層之間及各層間粘結牢固,不脫層、不空鼓、不開裂、粘結性極好。另外材料干燥成型后, 在水中浸泡不松散、不同性、不粉化、不變形,能確保使用壽命耐久。
3、安全: FTC 材料與基底整體粘結隨意性好、無空鼓, 避免負風壓撕裂和脫落。材料中有機物與主墻基底存在游離酸反應形成化合物, 滲入主墻微孔隙中, 形成共同體, 確保干態粘結性, 并改善濕態粘結保值率, 具有極好的粘結性。
三、FTC自調溫相變蓄能材料施工工藝流程范圍及要點
1、工藝流程及范圍
基底處理貼餅、沖筋分層涂抹面層作業
FTC 自調溫相變蓄能建筑材料可應用于非嚴寒地區的工業與民用建筑、公用建筑等外墻外保溫( 涂料或貼瓷磚等飾面) 、外墻內保溫、室內濕度調節, 并應用在分戶隔墻、吊頂、樓梯間、屋面、頂棚等需要保溫、隔熱的部位。
2、施工要點
2.1 施工準備：基層施工完畢，并驗收合格；做平整度等處理。如果誤差大于 10 mm，應該用水泥砂漿找平、留毛面，并需保證水泥砂漿找平層不空鼓開裂。如果誤差超過 20 mm的，必須按國家有關建筑規范要求進行處理，達到標準；按設計厚度要求彈厚度控制線；貼餅、沖筋。
2.2基層處理：混凝土結構表面抹 3 mm-5 mm厚的界面砂漿（使用粉狀界面劑或按水泥∶中砂∶界面劑 =1∶1∶0.8 的重量比配制），嚴禁遺漏。
2.3分層涂抹：拌料，按 FTC料∶水 =1∶2(重量)攪拌均勻成膏狀，隨拌隨用；分層涂抹，第一層必須壓實，厚度不可超過 20 mm，表面呈毛面。第一層初凝后，立即涂抹第二層，分層之間留毛面。以此類推，直到設計厚度為止。同時找平、留毛面。分層涂抹時應適度按壓，以確保層與層能形成有效粘結，但不可在同一部位來回抹壓。在涂抹中，若發現有鼓包產生，應及時剔除補抹。分層涂抹時，FTC材料表面不可收光，必須保證表面毛糙，同時做下一層涂抹一定要在上一層 FTC材料未干燥前進行，確保粘結。
四、FTC自調溫相變蓄能材料的質量控制與效益分析
1、質量控制
1.1 FTC材料施工應滿足《建筑裝飾裝修工程質量驗收規范》（GB50210- 2001）、《建筑節能工程施工質量驗收規范》（GB 50411- 2007）等標準的相關規定。
1.2 所用材料進場后，應進行檢驗，其品種、配比、規格、性能必須符合設計和有關標準的要求，不得雨淋、受潮，并在保質期內使用。FTC材料現場復檢批次，每 500 m3為一批，需復檢其干表觀密度、抗壓強度、當量導熱系數以及線性收縮率。
1.3 保溫層厚度必須符合設計要求，單點厚度檢測不允許出現負誤差。保溫層與結構之間必須粘結牢固，無脫層、空鼓及裂縫。基層表面潔凈，接茬平整，無抹紋，線角順直、清晰。嚴禁在 FTC材料中摻加其他建筑材料，嚴禁使用機械攪拌。工程施工期間以及完工后 24 h 內，基層及環境空氣溫度不應低于 5℃。
2、效益分析
FTC自調溫相變蓄能建筑材料可替代基底抹灰層，節省了基底處理的材料費和人工費。FTC材料可收集多余熱量，適時平穩釋放，梯度變化小，有效降低損耗量，室溫可趨于穩定。利用相變調溫機理，可使電負荷“削峰平谷”，充分利用電力資源，平衡用電過度的峰谷差，提高能量利用效率，減少能源浪費，達到建筑節能的要求，具有可觀的經濟效益社會效益，若大量應用還可緩解我國城市的環境污染問題。FTC材料相變潛熱值大，具有較高蓄熱密度，節能效果明顯，經國家建材測試中心檢測厚度 38 mmFTC相變材料，傳熱系數為 0.59 w/ （m2?k），優于 50 m厚擠塑板保溫性能，達到節能 65%要求，為建筑節能提供新的可靠途徑。
結束語
該材料突破傳統保溫材料單一熱阻性能，具有熱熔性和熱阻性兩大絕熱性。通過二元相變原理，相變潛熱值大，具有較高蓄熱密度，蓄、放熱過程近似等溫的特點，節能效果明顯。經國家建設部科技成果鑒定，通過材料相變，熔化吸熱，凝結放熱使室內溫度相對平衡，達到建筑節能，推廣后會有較好的社會和經濟效益，該項研究成果對相變蓄能在建筑相關應用領域有技術方面的推進，具有國內先進水平。
參考文獻
[1]張平吉.FTC自調溫相變外墻外保溫施工技術[J].黑龍江科技信息.2011(02)：47-48.
相變材料范文2
1建筑節能用相變材料的選擇與分類
被應用于建筑節能的理想相變材料必須具有以下性能：相變溫度合適、相變潛熱大、化學性能穩定、無毒害、成本低、熱物性良好等。但實際上，沒有一種相變材料可以包含以上所有性能。因此，選擇相變材料時，優先考慮的是合適的相變溫度和較大的相變焓，之后再考慮其他因素的影響。目前，在建筑節能領域應用較多的相變材料主要包括無機相變材料、有機相變材料和復合型相變材料［5］。有機類相變材料主要包括石蠟、脂肪酸、醇類等，其優點是應用溫度范圍較廣、無過冷和相分離現象、可循環利用，缺點是導熱系數低，易燃。無機類相變材料主要包括無機水合鹽、無機金屬等，其優點是單位體積潛熱儲存量大、成本低而易得、導熱性能優良、不易燃，缺點是相變時體積變化較大、有過冷及相分離現象［6］。復合類相變材料主要包括有機－有機、有機－無機和無機－無機類相變材料，通過復合的方式，可以克服單一類型相變材料的缺點，因此這一方式已成為目前研究的熱點。表1列出了在建筑領域應用的常見的一些相變材料。
2相變材料與建筑材料的復合方式
2．1直接加入法
直接加入法是指將相變材料與水泥、石膏、砂漿、混凝土等傳統建筑材料直接混合，這種方法簡便易行，經濟成本較低。但是采用這種方法必須注意以下幾點：（1）相變材料不能參與水泥的水化反應且不能與水化產物反應；（2）相變材料不能影響粘結劑和骨料之間的結合作用；（3）相變材料不能嚴重影響建筑材料的力學性能和耐久性。然而，大多數情況下直接加入法往往會導致相變材料發生泄漏，從而會與水化產物反應或者影響整個系統的力學性能和耐久度。Feld－man等［10］通過直接加入法在石膏板中摻入21％～22％的硬脂酸丁酯制成相變墻體，該墻體物理性能與普通石膏板相差不大，蓄熱能力提高了近9倍。
2．2浸滲法
浸滲法是指將混凝土、磚塊、墻板等建筑材料浸泡在液相相變材料中，通過毛細管作用吸收相變材料。李喬明［11］使用浸滲法制備了含相變石蠟的復合建筑石膏材料，發現經過100次熱循環后，相變溫度升高了4．3％，相變潛熱下降了11％，耐久性較差。因此，此種方法制備的石膏板在實際使用中有較大的局限性。
2．3封裝法
傳統的復合方式會導致相變儲能材料在與建筑材料的復合過程中出現嚴重的泄露情況，且較低的耐久性制約了相變儲能材料在建筑節能領域的應用。為了解決這一問題，科研工作者們在將相變材料加入到建筑材料中之前，先進行了一次封裝，從而可以有效地防止相變材料泄露，并且可以提高其力學性能和熱物性。常見的封裝方式包括吸附封裝和微膠囊封裝等。
2．3．1吸附封裝
吸附封裝是以吸附和浸漬的方式將相變材料吸附到膨脹珍珠巖、膨脹石墨、膨潤土等多孔材料中，制備成顆粒型相變材料。多孔基體材料來源廣泛，價格便宜，制得的顆粒型相變材料有效地解決了相變材料與建筑材料的相容性問題，同時某些多孔材料還可以提高整個系統的傳熱性能。Sari等［12，13］以膨脹珍珠巖為支撐材料，分別以癸酸和月桂酸為相變材料，制備了顆粒儲能相變材料，兩種脂肪酸與珍珠巖有著很好的相容性，并且珍珠巖能夠吸附大量的相變材料，經過1000次以上的熱循環后，兩種相變材料仍然保持了良好的化學穩定性和熱穩定性。在后續的研究中［14－16］，又以脂肪酸的二元復合物以及脂肪酸酯作為相變材料，與水泥、石膏、蛭石、硅藻土、珍珠巖等多孔材料復合，制備了一系列的多孔基體相變復合材料。結果表明，通過二元復合法可以得到相變溫度適宜的相變材料，而脂肪酸酯類的相變材料則具有較高的相變焓，且絕大多數的相變材料都具有良好的熱穩定性和化學穩定性。魏艷玲等［17］以膨脹珍珠巖為支撐材料，癸酸－硬脂酸二元復合物為相變材料，利用真空吸附法制備了顆粒型儲能相變材料，并將其添加到石膏基體中，制備了相變儲能石膏板。結果表明，通過真空吸附法二元復合相變材料的吸附質量分數達到了75％，且經過500次熱循環后仍然保持了良好的熱穩定性，加入2％的銅粉后，石膏板的導熱性能有了很大的提高。
2．3．2微膠囊封裝
在微膠囊封裝過程中，在粒徑為1～1000μm的顆粒相變材料表面包覆一層較薄的天然或者人工合成的高分子膜，這種封裝方式可以制備出相變溫度為－10～80℃的相變材料。微膠囊封裝可以有效地防止相變材料的泄漏，增大相變材料的表面積從而提高傳熱速率。尚紅波［18］分別以原位聚合法和界面聚合法合成了十二醇／脲醛微膠囊、硬脂酸丁酯／聚脲微膠囊和硬脂酸丁酯／聚氨酯微膠囊相變材料，研究發現當采取脲醛樹脂與蜜胺樹脂復配的方式時，十二醇／脲醛微膠囊相變材料的產率從50％提高到90％以上；當芯材壁材質量之比為3∶1時，硬脂酸丁酯／聚脲微膠囊經過400次熱循環后、硬脂酸丁酯／聚氨酯微膠囊經過1000次熱循環后都具有較好的熱穩定性。蔣曉曙等［19］研究了影響石蠟－密胺樹脂微膠囊的儲熱性能、包裹效率和表觀形態的2個主要因素：三聚氰胺－甲醛的物質的量比和密胺樹脂的固含量。結果表明，當密胺樹脂固含量控制在10％～15％之間時，對膠囊合成的影響較小，當三聚氰胺－甲醛的物質的量比為1∶3時，微膠囊顆粒表面光滑，無團聚現象，對石蠟的包裹率可以達到71％。Zhang等［20］分別以甲苯二異氰酸酯、二乙烯三胺、聚醚胺為油溶性單體，正十八烷為芯材，苯乙烯－順丁烯二酸酐共聚物為乳化劑，乙二胺為水溶性單體，氯化鈉為成核劑，使用界面聚合法制備了正十八烷／聚脲相變微膠囊材料。其中，以聚醚胺為單體制備的微膠囊比其他兩者具有更光滑的表面形態，更窄的粒徑分布，更高的封裝效率和反滲透能力，但熱穩定性相對較差。微膠囊封裝雖然解決了相變儲能材料耐久性的問題，但由于其高昂的封裝成本，很難實現規?；a。為了降低微膠囊式相變儲能建筑材料的成本，研究者們主要從微膠囊與墻體的復合方式及微膠囊的封裝材料兩方面著手。Biswas等［21］制備了一種新型的微膠囊相變儲能材料，將石蠟封裝在高密度聚乙烯小球中，之后將其與纖維板混合，并放置在測試建筑的外墻部分。經實體測試和數值模擬發現，與將相變材料摻入整個外墻墻體相比，將相變材料摻入外墻的內側部分可以使得墻體具有更優越的熱舒適性。這種復合方式大大降低了微膠囊相變儲能材料的應用成本。Wang等［22］制備了一系列以碳酸鈣封裝的正十八烷微膠囊相變儲能材料，該相變材料有良好的熱穩定性、導熱性和耐久性。由于封裝材料是易得、低成本的碳酸鈣，使得該相變儲能材料在工業化生產中有著良好的前景。
3相變材料在建筑節能領域的應用
3．1被動式相變儲能
被動式相變儲能指的是相變過程中完全依靠大自然的冷熱源來儲存能量而不借助人工冷熱源［23］，此類儲能方式適用于晝夜溫差較大的地區。Kuznik等［24］對一間翻新的辦公室進行了為期1年的溫度實時監測，其中一個房間的天花板和側墻含有60％的相變石蠟微膠囊，另一個不含有相變材料其他完全相同的房間作為對比房間。研究表明，當墻體溫度和空氣溫度在相變溫度區間內變化時，相變材料可以充分發揮作用，從而調節整個房間的熱舒適性。Neeper等［25］研究了相變儲能石膏板的熱性能，并研究了相變材料的相變溫度、熔化溫度的變化區間和單位面積的潛熱儲存量的影響。研究表明，在實際使用中日間能量存儲量的范圍在300～400kJ／m2之間；當相變材料的相變溫度接近墻板的平均溫度時，日間能量存儲量可以達到最大。Entrop等［26］研究了地中海氣候條件下，含有相變微膠囊的混凝土板材在夜間對整個房間的調溫效果。研究者們制作了4個模擬盒子用于測試，其中有2個盒子含有5％的相變微膠囊。研究表明，含有相變微膠囊的混凝土板材的最高表面溫度降低了16％，最低溫度升高了7％，說明在此氣候條件下，相變材料可以在不借助人工冷熱源的前提下有效地儲存熱量。為了提高建筑物內部的熱舒適性，Miguel等［27］在抹面砂漿中加入了25％的相變石蠟微膠囊，并建造了模型盒子進行熱循環對比實驗。研究表明，以相變儲能砂漿制造的模型在春季和夏季的最高室溫分別要比普通盒子低2．6℃和2℃，通過數值模擬得到的溫度曲線也與實際檢測的溫度曲線非常接近，對相變材料的一些參數進行分析后發現，在砂漿中增加相變材料的摻量并不能明顯降低室內最高溫度，而針對不同的環境條件，需要使用不同相變溫度區間的相變材料，從而達到最佳效果。Sayyar等［28］以癸酸和月桂酸的二元復合物為相變材料，石墨為多孔基體，制備了定形相變材料，并制成了含有夾層結構的相變石膏板，之后分別建造了含有相變石膏板和普通紙面石膏板的測試模型，對模型內的溫度進行實時監控，發現含有相變石膏板的模型室內溫差要比對比參照模型低11℃。經過數值模擬發現，相變材料的加入使得將溫度維持在人體舒適度范圍內所需要的能量節約了近79％。Pasupathy等［29］制備了一種含有無機水合鹽相變材料的建筑屋頂，經數值模擬和實驗驗證后，發現該建筑屋頂在冬季時能將溫度維持在相變溫度范圍內，但是到了夏季，由于屋頂溫度始終維持在相變溫度以上，相變材料始終處于液相，因此無法發揮蓄熱作用。對此，研究者通過數值方法從理論上研究了一種含有雙層相變材料的屋頂的調溫作用，上層相變材料的相變溫度為32℃，下層相變材料的溫度為27℃。經理論分析，上層相變材料的相變溫度需比夏季清晨的環境溫度高6～7℃，從而可以使相變材料在熱循環開始前處于凝固態。由于上層相變材料的存在，使得下層相變材料可以充分發揮調溫作用，將天花板的溫度控制在自身相變溫度變化范圍內。
3．2主動式相變儲能
在某些晝夜溫差較小的地區，如夏熱冬冷地區，僅僅依靠大自然的冷熱源，相變材料很難充分發揮其作用，為了解決這一問題，研究者們引入了人工冷熱源來輔助相變材料的加熱或制冷。常見的主動式相變儲能裝置主要包括相變蓄冷吊頂輻射供冷系統、相變儲能熱水采暖系統等。Koschenz等［30］制備了含有石蠟微膠囊的相變石膏天花板，并引入了毛細管冷卻系統用于冷卻相變材料，確保相變材料在每次熱循環之前都處于完全凝固狀態，使其能夠充分發揮蓄熱能力。通過數值模擬確定了相變天花板所需要的熱性能，經過實驗測試后，發現在相變材料完全融化為液相之前，天花板的溫度被控制在24℃以下，室內溫度被控制在28℃以下。關于這種相變天花板的防火性能還需進一步驗證。馮國會等［31］研制了一種新型的相變太陽能熱水采暖地板，該地板包含毛細管熱水加熱裝置和大體積封裝的相變儲能材料。對該地板的熱性能進行數值分析和實驗驗證后，發現在熱水加熱裝置關閉的16h內，相變地板為面積為11．02m2的房間提供了37677．6kJ的熱量。進一步研究表明，改變供暖水溫和裝飾層材料的導熱系數有助于調節地板表面溫度。Ansuini等［32］在輕質輻射地板中加入了顆粒相變儲能材料，并在輻射地板內部插入定制的鋼片，提高其導熱性能。經過有限元數值分析后，發現對于一個16m2的房間，在夏季相變材料的引入可以使蓄冷輻射的用水量降低25％，但是在冬季，相變材料對于整個系統的采暖輻射沒有影響。Dubovsky等［33］以冬季亞熱帶地區的一間中間樓層的房間為研究對象，該房間配有8扇1．5m×1．5m的窗戶，同時在地板下鋪設了一層20mm厚的相變石蠟層作為熱源，利用便宜的谷電來加熱，另一間除了沒有窗戶，其他配置相同。經實驗比較，沒有窗戶的房間需要16kW的電量，要比有窗戶的房間節約20％的電量。在加入了翅片后，相變材料融化和凝固的速率都得到了提高。而相變材料給予了整個房間較高的熱惰性，使得即使在電加熱功率不足的情況下，室內溫度降低依然緩慢。牛潤萍等［34］建造了兩間主動式太陽房，以太陽能熱水為熱源，其中一間采用相變蓄熱地板供暖，另一間采用干式地板供暖。經比較，使用相變蓄熱供暖的房間室內最低溫度比干式地板供暖的房間高2～3℃，室內溫差減小3．5℃，相變材料與節能建筑圍護結構結合使用，最大程度地利用了太陽能光熱。閆全英等［35］研究了相變材料對熱水采暖墻體熱性能的影響，實時監測了墻體表面溫度和熱流變化，同時利用有限元分析分別對普通墻板和相變墻板的傳熱過程進行了數值模擬。結果表明，雖然在供暖過程中，相變墻板的表面溫度比普通墻板低，但是當停止供暖后，相變墻板的表面溫度和熱流下降緩慢，仍然能持續向室內供熱，室溫波動較小。李建立等［36］以微膠囊石蠟作為相變材料，以木粉和高密度聚乙烯復合物為基質，制備了一種新型的定形相變材料，該相變材料有良好的導熱性和力學性能，但是有明顯的過冷度。之后，研究者們通過數值方法分析了該相變材料作為地板電采暖系統中儲熱層的可行性。經分析，該相變材料能夠有效地調節室內溫度和降低用電成本，并且相變材料的作用很大程度上取決于電采暖系統的工作模式和相變材料自身的厚度。Mazo等［37］自建了數學模型用于模擬相變材料在輻射地板中的傳熱過程，首先通過EnergyPlus建筑能耗模擬軟件驗證了所建立的建筑模型的精確度，之后建立了一維模型用于模擬輻射地板的傳熱過程，在此基礎上引入了相變溫度為27℃的顆粒定形相變材料作為案例分析。經數值模擬后發現，輻射地板引入相變材料后幾乎可以完全把電能消耗從高峰期轉移到非高峰期，與傳統的輻射地板相比，節約了接近18％的能源消耗成本。雖然主被動式相變儲能的原理比較簡單，但是目前國內對于整個建筑體系儲能效果的評價仍不完善，影響了相變儲能材料的規模化應用。周全等［38］提出了相對時間滯后率、節能效率和峰溫差3種評價指標，并自主研制了評價裝置。通過相變儲能石膏板和絕熱材料參比板的對照試驗，驗證了節能評價裝置的可行性。其中節能效率和相對時間滯后率能夠直接和間接地評價相變材料的主被動節能性，而峰溫差的引入可以進一步評價被動式相變儲能建筑的節能性。
4結語
相變材料范文3
關鍵詞： 相變材料 蓄冷 空調系統
1 前言 冰蓄冷系統具有技術成熟、性能穩定等優點，但需配置雙工況機組，且多數系統要增加乙二醇溶液為載冷劑的中間換熱裝置，增加了系統的設計和控制難度。同時，冰蓄冷系統制冰充冷時由于蒸發溫度比常規空調低8-10℃，冷機效率下降率達30%左右，是一種節費不節能的空調方式。相變材料式蓄冷系統則可直接利用常規主機，較大程度地提高制冷機的COP值。由于目前已開發出的可用于蓄冷空調系統的相變材料尚較少，價格也相對較貴，因而進行經濟性分析是相變材料蓄冷技術推廣應用的前提。
2 經濟性分析模型的簡化 本文采用的蓄冷介質為自行研制的一種相變材料。相變溫度為8.2℃，相變潛熱184kJ/kg。為便于比較，作如下假設：
（1）對于常規系統、冰蓄冷系統和相變材料系統三種方案，認為空氣處理部分設備費用相同，系統初投資僅考慮冷源部分。
（2）相比較的冰蓄冷系統為應用較為廣泛的冰球式系統，采用串聯、主機優先的形式。
（3）相變材料蓄冷系統擬采用串聯、主機下游的形式。
（4）下標0表示常規系統，1表示冰蓄冷系統，2表示相變材料蓄冷系統。
3 經濟性分析數學模型 3.1 蓄冷系統主機容量的確定
當白天空調用制冷機容量恰好等于晚間蓄冷用制冷機容量，這時制冷機容量最小[1]。此時設蓄冷率。即
（1）
當和時，制冷機容量分別按（2）和（3）式進行計算。
（2） （3）
式中:——制冷機組容量，； ——設計日總冷負荷，
——制冷機的空調運行時間，h； ——制冷機的充冷運行時間，h
——制冰機組容量變動系數
3.2 系統初投資
系統初投資由系統設備本身的費用、機房設備場地建筑物費用和電貼費（很多地區已取消電力增容費，故在此僅考慮電貼費）組成，即
（4）
——系統設備本身的費用 ； ——電貼費
——建筑物投資較常規系統的增加費用（機房設備場地）
3.2.1 設備費用的確定
設備費用按設備容量進行估算，即用各設備容量乘以相應的估算指標[2]，并計入設備運雜費和安裝調試費。蓄冷系統設備總費用為：
=++++++++ (5)
——制冷機初投資； ——蓄冷設備費用
——泵投資費用； ——冷卻塔費用
——溶液及冷凍水管道費用； ——冷卻水管道費用
——自控系統費用； ——電力設備費用
——板式熱交換器費用
對于冰蓄冷系統
+ （6）
——負荷泵費用； ——制冷并充釋冷綜合泵費用；——冷卻水泵費用
對于高溫相變材料蓄冷系統，無需板式換熱器和專門的負荷泵，但由于目前適用于空調系統的相變材料還較少，因而蓄冷介質費用高于冰蓄冷系統。蓄冷介質根據市場價按7000元/噸計，蓄冷槽采用現澆混凝土的形式，蓄冷器為金屬板式。相變蓄冷裝置及附屬設備的造價按100元/kW.h計算。此時=0，且
+
高溫相變材料蓄冷系統的供回水溫度約為9/14℃，而冰蓄冷系統供回液溫度約為3/11℃。前者的溫差較后者大大減小，相應的泵和管道投資增加。
3.2.2 建筑物投資較常規系統的增加費用
（7）
——蓄冷負荷，； ——單位面積建筑造價 元/m2 (擬取3000元/)
——單位蓄冷量增加設備用房面積 (冰蓄冷系統一般取0.0073 )
由于所采用的相變材料潛熱為冰的55%，因此在蓄冷量相同的情況下，相變材料蓄冷系統蓄冷槽的體積約為冰蓄冷系統的1.8倍，設備房建筑物投資費用相應增加。
3.2.3 電貼費
(8)
——系統配電容量，； ——每千瓦裝機容量電貼費
常規系統配電容量： （9）
蓄冷系統配電容量： （10）
其中： （11）
——設計日最大負荷； ——單位配電容量電力報裝費用，元/
、、---系統、主機、輔機性能系數
3.3 運行費用
三類系統中認為運行管理費用相同。年運行費用為
=++ （12）
3.3.1 年基本電費
年基本電費一般按系統配電容量計
= （13）
——基本電價，元/(·月)
3.3.2 年運行電費
常規系統年運行電費：
(14)
——峰、平、谷時段電價，元/； ——年供冷天數
——分別為三段用電量
冰蓄冷系統年運行電費：
(15)
，——系統直供和充冷時的值（包括輔機）
對于相變材料蓄冷系統，認為系統直供和充冷時的值相等，則年運行電費為：
（16）
3.4 經濟性評價指標
冰蓄冷系統和相變材料蓄冷系統相對于常規系統的靜態投資回收期、 分別如式（17）和（18）。
相變材料范文4
石蠟作為相變儲能材料具有相變焓高、相變溫度范圍廣、價格低等優點，但其較低的導熱系數限制了它的傳熱性能。本研究使用兩種不同相變溫度的石蠟復合，以得到更廣泛的使用溫度范圍；同時通過加入石墨提高材料的導熱速率。通過差示掃描量熱法測試復合后的相變溫度和相變焓。
關鍵詞：石蠟；復合；石墨；相變材料； 相變焓
復合相變材料是充分利用各類相變材料的優點，克服相變溫度過低或者過高的缺點，或者相變過程中形變過大的缺陷等，通過將多種材料復合的方法合成具有特定相變溫度和較高相變焓的復合材料[1]。石蠟作為提煉石油的副產品，來源豐富，價格便宜，無毒且無腐蝕性。但石蠟因導熱性能較差在石蠟類儲熱相變材料中加入其它導熱率高的物質，使之成為具有高導熱率的新型復合相變材料，常見的方法有：石蠟與金屬材料的復合[2]。石蠟與石墨的復合[3]。石蠟與交聯樹脂高分子的復合[4]。
本文采用熔融共混法將不同熔點的石蠟進行復合，同時加入石墨以改善導熱速率。通過差示掃描量熱法測試復合后的相變溫度和相變焓。
1、材料制備
1.1 原料
本實驗選取兩種不同熔點的石蠟做相變材料，分別為石蠟80（熔點為80°）和石蠟100（熔點為100°）。原材料來自中國石油化工股份有限公司。選用細度為10000目的石墨，來自青島金來石墨有限公司。
1.2 制備過程
1.2.1 主要設備
本實驗的主要設備有電爐、石棉網、電子秤、燒杯、玻璃棒。
1.2.2 制備過程
本實驗的具體制備方法采用熔融共混法，是將石蠟與石墨以一定的質量比在較高溫度下熔解攪拌，使兩種材料均勻混合，然后降溫冷卻。
（1）用電子秤分別稱取石蠟80（2份，各5g）、石蠟110（2份，各5g）
（2）將石棉網放電爐上，打開電爐；
（3）取一份石蠟80和和石蠟110倒入1號燒杯，用電爐對燒杯進行加熱，同時用玻璃棒緩慢攪拌，直到熔融；
（4）停止加熱，直至復合物冷卻凝固，由此得到復合石蠟，即樣品3。
（5）再取一份石蠟80和和石蠟110倒入2號燒杯，用電爐對燒杯進行加熱，用玻璃棒緩慢攪拌，直到熔融；
（6）再往加熱的燒杯加入0.2g石墨，快速攪拌，讓石蠟與石墨充分融合；
（7）停止加熱，直至復合物冷卻凝固，得到樣品4；
（8）實驗結束。
1.3 石蠟/石墨復合相變材料形態表征
制成的復合物石蠟80/石蠟110和石蠟80/石蠟110/石墨用數碼相機拍攝得到如圖1和圖2所示。
圖1 石蠟80/石蠟110圖2 石蠟80/石蠟110/石墨
Fig 1 Paraffin 80/ Paraffin 110Fig 2 Paraffin 80/ Paraffin 110/ Graphite
從圖中可看出，復合物表觀透亮、均勻，說明熔合均勻，已制備出符合預期的復合相變材料。
2.熱學性能測試
利用差示掃描量熱儀對4個樣品的熱學性能進行研究，即石蠟80（樣品1）、石蠟110（樣品2）、石蠟80/石蠟110（樣品3）、石蠟80/石蠟110/石墨（樣品4）。
每一個樣品的測試量為8～10mg，測試溫度從0～300℃，升溫速率10℃/min。本實驗的測試過程是將樣品裝入標準鋁坩堝，然后放入DSC測試儀器中。先從室溫升溫至300℃保溫然后自然降溫至室溫，就完成一次測試，得到DSC曲線。4個試樣的DSC測試結果顯示在圖3中。我們將其熱學指標總結在表1中。
從表1中可以看出，相較于石蠟的相變溫度，石蠟和石墨復合而成的相變材料相變溫度變化不大。石蠟80的的相變焓為167.6j/g，石蠟110的相變焓為168.0j/g，石蠟80/石蠟110的相變焓為173.5j/g，石蠟80/石蠟110/石墨的相變焓為172.3j/g。對比相變焓的變化，石蠟/石墨復合相變材料有所變化，但變化很小，說明復合相變材料具有較大的蓄熱能力，對單位質量石蠟的蓄熱能力影響很小。
3.結論
本論文經過實驗設計和分析測試，順利完成了預定的各項研究工作，制備得到石蠟/石墨復合相變材料，提高了傳熱性能。驗證了石蠟/石墨復合相變材料仍然具有石蠟相變焓高、儲熱能力強的特點。
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相變材料范文5
關鍵詞：金屬晶體 溶入析出 力學性能 防腐性能
金屬材料的熱處理過程是金屬材料微觀相結構發生固態轉變的過程，固態轉變是金屬材料合金成分在金屬晶體晶胞內的溶解析出形成的。熱處理過程中金屬材料冷卻轉變溫度不同，形成不同的微觀相結構，金屬材料的合金成分不同，熱處理以后會有不同的微觀顯微組織。為了滿足對金屬材料各種性能的要求，對金屬材料進行強韌化處理，加入合金成分進行固溶強化，冷變形回復再結晶細晶強化，塑性變形增加金屬材料的位錯強化。金屬材料強韌化處理以后，可以應用在工程和機械方面，有工程結構鋼、機械制造結構鋼，應用在工具制造和耐熱耐高溫的高科技行業，有工具鋼、高溫合金鋼。熱處理的發展有整體熱處理、表面熱處理、化學熱處理，我國先進的熱處理設備和熱處理技術為我國現代化建設作出了重要貢獻。
1、金屬材料的微觀晶體結構
金屬材料都是晶體結構，如果金屬在液態急冷也會形成非晶態組織。晶體有單晶體和多晶體，單晶體是單一位向的晶體，多晶體是不同位向的晶體，晶體的不同位向我們稱之為晶粒。
金屬材料的晶體結構有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，各種晶格結構的晶體都有它的晶向指數和晶面指數。晶向指數的確定方法是建立坐標系，求坐標uvw，化整數uvw，加中括號，晶面指數的確定方法是建立坐標系，求截距、取倒數、化整數、加小括號。金屬材料的微觀顯微組織由各個相組成，所謂相就是金屬材料中結構相同、成分性能均一的組成部分。金屬材料合金成分在金屬晶體中固溶，金屬材料晶體結構中存在空位、間隙原子，存在位錯，還有晶界、相界以及表面。
2、金屬材料合金成分的溶入析出理論
金屬材料由金屬晶體加入合金成分固溶在金屬晶體的晶胞內，合金成分它們的原子以分子間力、金屬鍵、共價鍵、離子鍵的結合力的形式固溶。金屬材料合金成分的原子在金屬晶體的晶胞內的固溶位置隨溫度而變化，溫度升高原子逐漸固溶在金屬晶體的晶胞心部，快速冷卻時原子析出在金屬晶體的晶胞表面，金屬材料的晶格結構從體心立方晶格轉變成面心立方晶格和密排六方晶格。金屬材料合金成分的原子從晶胞心部向晶胞表面的析出過程是微觀相結構的形成過程，在熱處理冷卻過程中不同的冷卻轉變溫度析出具有不同形態的相組織。從加熱狀態快速冷卻至室溫的金屬材料晶格結構之間的轉變我們稱之為金屬材料的相變。
金屬材料的熱處理過程是金屬材料加熱、保溫和快速冷卻的過程，在熱處理加熱過程中，隨著溫度的升高，金屬材料的合金成分在金屬晶體晶胞內的溶入度不斷增大，從加熱保溫狀態以一定的冷卻速度冷卻，隨著金屬材料合金成分在金屬晶體晶胞內的溶入度迅速減小，合金成分析出在金屬晶體的晶胞表面，在室溫下可以從電子顯微鏡觀察到不同的微觀相組織。
3、金屬材料合金成分和力學性能
金屬材料中的合金成分可以增加金屬材料的強度。金屬材料合金成分不同，原子之間的結合力不同，則金屬材料的力學性能不同。純金屬只有一種金屬原子，它們原子之間的結合力我們稱之為分子間力。如果固溶的合金元素是金屬元素，則固溶的合金元素之間形成金屬鍵，如果固溶的合金元素是金屬元素和非金屬元素，則形成共價鍵，兩個原子各提供一個價電子形成的共價鍵稱為一般共價鍵，由一個原子單獨提供價電子形成的共價鍵稱為配位共價鍵。如果固溶的合金原子結合力強形成離子鍵，離子鍵是金屬原子的核外電子進入非金屬原子的核外電子軌道形成離子鍵化合物。
在熱處理中，同樣的冷卻轉變溫度不同的金屬材料有不同的微觀析出形態，這和金屬材料原子之間的結合力有關，原子之間的結合力不同原子析出速度不同，形成不同的微觀相結構，材料因此具有不同的強度、硬度等力學性能。
4、金屬材料原子的結合力和防腐蝕性
金屬材料要具有很強的抗氧化和抗腐蝕的能力?？諝狻⒄羝?、水屬于弱腐蝕介質，酸、堿、鹽屬于化學侵蝕性介質。在金屬材料中間隙固溶的合金原子之間存在結合力，如果金屬晶體的原子和合金成分原子之間也存在結合力，則間隙固溶的合金成分的原子能量增加，間隙原子置換出金屬晶體的原子，置換出的金屬原子進入金屬晶體的空位或表面，進入表面的金屬晶體原子和弱腐蝕介質或者化學浸蝕性介質的原子結合形成化合物，金屬材料就會被氧化腐蝕。
如何防止金屬材料氧化腐蝕，就是要防止金屬材料的金屬晶體的原子被合金原子置換。金屬材料的合金原子固溶后由于間隙固溶原子會造成晶格綺變，原子核對電子的束縛力很大，形成自由電子可能性很小，而間隙固溶的原子核外電子軌道的重疊很多，能形成穩定的化學鍵。如果合金材料中加入一種金屬合金元素則金屬原子之間以分子間力的形式形成穩定的固溶體。如果加入兩種不同的金屬合金元素則形成穩定的金屬鍵固溶體，如果加入兩種合金元素一種是金屬一種是非金屬，則形成穩定的共價鍵化合物或離子鍵化合物固溶體。如果是兩種合金元素則原子數要相同，否則多余的合金原子容易和金屬晶體的原子形成結合力，容易置換出金屬晶體的原子，造成氧化腐蝕。我們可以用原子之間結合力的方式設計合金成獲得
具有優良性能的金屬材料。
5、金屬材料微觀相結構的相變理論
金屬材料在熱處理中同一個相變溫度則形成單相組織，不同相變溫度則形成多相組織。以鐵碳合金的熱處理微觀顯微組織分析，亞共析鋼緩慢冷卻得到鐵素體和珠光體組織。鐵素體是白色的塊狀組織，珠光體是黑色的片狀組織。鐵素體和珠光體的形成是金屬材料加熱、保溫、冷卻過程中，合金成分從金屬晶體的晶胞內析出在金屬晶體的晶胞表面，由于在加熱的高溫狀態緩慢冷卻因此金屬材料的冷卻轉變溫度高，原子的析出速度慢，析出的合金成分慢慢聚集形成珠光體片狀組織，合金成分含量很少的晶胞形成白色的鐵素體塊狀組織。
如果熱處理過程中金屬材料的冷卻速度快，冷卻轉變溫度低，原子的析出速度快。如果貝氏體冷卻轉變溫度偏高則金屬材料合金成分的原子在金屬晶體的晶胞表面析出形成羽毛狀的上貝氏體組織，如果貝氏體冷卻轉變溫度偏低則形成針狀或竹葉狀的下貝氏體組織。
如果金屬材料在冷卻介質中快速冷卻，原子的析出速度快，因此合金成分在很短的時間內快速析出在金屬晶體的晶胞表面形成板條狀馬氏體組織。在板條狀馬氏體組織形成的同時，出現殘余奧氏體組織，殘余奧氏體組織是金屬材料合金成分析出在金屬晶體晶胞表面以后的組織。
6、結論
（1）金屬材料的合金成分固溶在金屬晶體的晶胞內，在熱處理過程中隨著溫度的變化合金成分在金屬晶體的晶胞內溶入析出，金屬晶體的晶格結構從合金成分溶入金屬晶體晶胞心部的體心立方晶格轉變成合金成分析出在金屬晶體晶胞表面的面心立方晶格和密排六方晶格。
（2）金屬材料間隙固溶的金屬或非金屬原子由于原子核對電子軌道電子的束縛力大，電子軌道的重疊較多，如果合金成分的金屬或非金屬的原子配位數相同，則可以形成穩定的固溶體。如果可以避免金屬晶體的原子被置換，有效防止金屬材料的氧化腐蝕。
（3）微觀顯微組織的相結構是在熱處理中合金成分的原子在金屬晶體的晶胞表面析出形成的。不同的過冷轉變溫度析出具有不同形態的相結構。金屬材料在熱處理過程中金屬晶體晶格結構的轉變我們稱之為相變。
相變材料范文6
Key words： phase-change material；energy-saving building construction；application
中圖分類號：TU55+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）03-0151-02
0 引言
隨著人們生活水平的不斷提高和建筑行業的發展，以及相變材料的興起，人們越來越關注節能的效果。我國的相變材料研究仍舊處在理論方面，在實際應用上還存在一些問題。文章對相變材料的特點進行了分析，研究了相變材料在實際工程中的應用，并通過秦皇島世極城堡的實例進行了分析，旨在促進建筑行業的發展，提高人們的生活水平。
1 相變儲能材料
相變儲能材料簡稱PCMs，指的是在一定溫度下，能夠改變其物理性質的材料。當材料的溫度比相變點高時，PCMs會吸收掉一定的熱量，從而產生相變；當材料的溫度比相變點低時，PCMs會釋放掉一定的熱量，從而發生逆相變。PCMs有著其獨特性，儲能密度高，相變潛熱大，在相變的過程中材料的溫度一般不會發生改變。在調整材料所處環境溫度的同時，能對能源供求之間在時間和速度上的不同步進行調整（如圖1），從而對室溫進行精確性的控制，可以有效地對建筑進行節能保溫。
根據材料在相變過程中相態的變化方式，可以分為4個不同的類型：固氣相變材料、固液相變材料、固固相變材料、液氣相變材料。液氣相變材料與固氣相變材料在轉化時伴隨的相變潛熱比固液相變材料與固固相變材料相變時的相變潛熱要大得多。但是在進行液氣和固氣轉化的過程中，會有氣體產生，材料的體積會發生變化。因此，在實際的應用中，固液相變材料和固固相變材料的應用范圍較廣。
根據材料的性質，可以分為無機物和有機物兩種。無機物和有機物相比，在蓄熱密度、溶解熱、導熱以及成本上都有著一定的優勢。但是由于其易腐蝕性，在相變過程中，存在過冷、易相分離的特性，儲熱能力有一定的下降。絕大部分的有機物都存在導熱性差，儲能利用率低的缺陷，降低了系統的工作效率。同時也有著一定的優點，如防腐蝕性高一級固體成型較好[1]。
2 相變材料在建筑材料中的應用
隨著人們生活水平的不斷提高，在生活方面更加注重舒適感。我國在發展上，倡導與環境協調發展。為了減少建筑工程中的材料消耗，降低空調以及供暖系統的投入成本，相變材料在建筑節能工程上的應用受到了廣泛的關注。
2.1 相變儲能墻板
相變儲能墻板是在上世紀80年代出現的一種含有相變材料的建筑圍護結構材料，根據建材基體的不同，可以分為三種：第一，以石膏板為基材的相變儲能石膏板，主要用于外墻的內壁材料，可以保持室內溫度的穩定，確保建筑的舒適性；第二，以混凝土為基材的相變儲能混凝土，一般作為外墻體的材料；第三，以保溫隔熱材料為基材，可以制作高效節能型建筑保溫隔熱材料。相變儲能墻板主要用于建筑圍護結構，當室內的溫度比相變材料的溫度高時，相變材料會發生相變，將建筑中多余的熱量吸收掉；當室內的溫度比相變材料溫度低時，相變材料也會產生相變，釋放出大量的熱量，保證室內的舒適度。用相變材料制作墻板，既可以降低維護結構的傳熱量，又可以保證室內的舒適度。
2.2 相變儲能砂漿
將相變材料融入到砂漿或灰泥中，可以制備出具備蓄能能力的相變儲能砂漿。在德國的研究中，通過微膠囊技術獎石蠟封裝在20μm的能量微球中，并將其與灰泥混合，制造出一種可以用于內墻的石蠟砂漿，該砂漿中含有10%到25%的摻石蠟的能量微球。這種砂漿可以作為室內冬季保溫和夏季制冷的材料，保證室內的溫度。當室內的溫度超過22℃后，砂漿中的石蠟會融化，吸收室內的熱量，降低室內的溫度；當室內的溫度低于22℃時，砂漿中的石蠟會凝固，會釋放出大量的熱量。
在加拿大的研究中，將49%丁基硬脂酸鹽和48%丁基棕櫚酸鹽進行融合，作為相變材料，通過直接混合法和灰泥砂漿進行混合，按照工藝流程制造出相變儲能墻板。這種墻板和普通的墻板相比，儲熱能力更強，并能夠根據相變材料的吸收量和融化量對儲熱量進行精確的控制[2]。
2.3 相變材料的其他應用
在其他方面，包括相變儲能混凝土、建筑保溫隔熱材料、相變材料涂料、相變蓄熱地板等。
相變儲能混凝土和普通混凝土相比有著較大的熱熔，將其作為外墻體材料，可以保證室內溫度的穩定，提高室內舒適度；建筑保溫隔熱材料是保證建筑節能的基礎，是目前建筑節能上主要的研究課題；相變材料涂料應用在建筑上，可以提高老房屋的儲熱能力，有利于材料的普及；相變蓄熱地板一般是結合電加熱方式使用的。通過地板采暖的方式，能夠保證室內溫度平衡，符合人們“足暖頭涼”的需求，而且成本較低，應用性較好。
3 相變材料的實際應用
在秦皇島世極城堡的設計中，廣泛使用了相變材料以及相應的技術。例如外墻的保溫、地暖、中水處理等。在鋼筋混凝土外墻上增加了一層FTC自調溫相變保溫材料保證建筑內的溫度，此外，屋頂也采用了這種材料，保溫的面積達到了30萬m2。
FTC自調溫相變材料和其他的保溫材料相比，有著一定的特點，導熱系數和保溫層相對厚度比都比較低，符合相關的要求，而且在防火性能方面比較優秀，遠遠高于聚苯板和擠塑板。而且FTC自調溫相變材料的節能方面效益較高，可以達到65%。和其他的材料相比，FTC自調溫相變材料在性能、抗壓性、抗裂性、耐候性、阻燃性、環保性、施工等各個方面都有優勢。
雖然通過空調系統也可以控制建筑內的溫度，但是需要消耗大量的能量。而通過相變材料的儲熱性能，能夠有效減少空調系統的符合。經過測試得出，相變材料的潛熱值為241.44J/g，傳熱系數為0.51w/（m2?K），在溫度較低的地方，相變材料只需要36mm就能達到48mm擠塑板的效果，能夠達到近七成的能量。由此可以看出，相變材料在實際建筑工程中的應用有著各種優點。
