1、應用在空氣調節領域的相變材料建筑構件的研究閆全英北京建筑工程學院，城市建設學院本文摘要：相變材料構件中使用了相變材料。由于相變材料較強的蓄熱性能，所以它能夠節約空調冷負荷，減小室內溫度波動，提高在夏季的舒適度。因此，如果應用了相變材料，空調系統的初投資和運行費用會在很大程度上有效的縮減。與此同時，室內環境得到改善。本文所重點研究建筑中使用的合適的相變材料以及相變材料與建筑材料的結合形式。通過考慮這些材料的特性，如相變溫度，相變潛熱，傳熱系數和膨脹系數，人們就可以據此選擇和評價這些相變材料。相變材料和建筑材料的結合形式已被提出。人們分析相變材料結構對室內熱性能的影響和節能效果，并將其與傳統的無相
2、變材料的結構相比較。事實證明，相變材料結構在實際建筑工程中是可行的。以上這些研究為發展中的相變材料建筑構件提供了基礎。關鍵字：相變材料，建筑構件，節能效果簡介：隨著生活水平的提高，人們越來越要求更加舒適的生活環境。建筑能耗（包括空調和供暖等的能耗）加重和環境污染加快。因此，在建筑設計和節能領域，如何在提高舒適度，降低能耗和環境保護中找到適當的平衡已經成為一個主要課題。相變材料的應用為提高舒適度，降低能耗和減小對環境的負面影響提供了一種解決方法。通過不同方式把相變材料加入建筑構件中是一個熱點研究項目。相變材料在建筑領域的應用已被國際能源協會（IEA）視為今后主要的研究方向。美國的科學家在相變材料
3、熱蓄能的研究中處于領先地位。他們深入研究加入相變材料的建筑復合材料，如何提高相變材料作用效果，相變的熱傳遞以及蓄能系統的設計。在1978年，美國特拉華大學研究學院建造了相變材料墻，它的蓄能效果超于一般磚墻。日本的相變材料的研究遜于美國。在二十世紀七十年代，日本三林電子公司研究了應用于供暖和制冷系統的相變材料。在德國，Krichel教授研究相變溫度低于100攝氏度的相變材料。法國的研究人員建造了實驗房子來研究相變材料的作用效果。實踐證明，應用了相變材料的實驗墻體減小了室內溫度波動。Yhirayama研究了建筑構件的熱容對室內熱性能的影響。實驗證明，相變材料結構能夠減小室溫波動，提高舒適度。S.H
4、okoi研究存儲太陽能的相變材料地板。J.ohishi認為相變材料墻不僅能夠利用太陽能，也能在夜間存儲電能以供白天使用。一些研究人員還研究了應用于空調系統的相變材料的蓄熱。然而，國內很少發現有這領域的研究。雖然曾報道過有關相變傳熱和相變材料物理性質的研究，但還沒有過有關相變材料蓄熱系統和相變材料建筑構件的研究。目前，為了降低建筑能耗，建筑設計者們采用輕質結構，例如多孔磚，空心轉等。但質量輕的材料蓄熱能力弱，隔音效果差。建筑構件的蓄熱能力能夠改善室內環境。隨著建筑構件蓄熱能力的提高，室溫波動減小，室內舒適度提高，供暖能耗和空調能耗降低。由此，空調和供暖系統的初投資和運行費用減少。在傳統建筑構件中
5、加入相變材料便結合成了相變材料建筑構件。這種構件的蓄熱能力得到提高，傳熱量降低，能夠減小室內溫度波動，并且節能。本文研究相變材料以及相變材料建筑構件的結合組成和節能效果。其研究結果為相變材料的未來發展和在實際中得應用提供了基礎。2選擇和評價相變材料應用在建筑構件的相變材料應滿足以下條件：（1）適宜的相變溫度（2）更大的相變潛熱值（3）適宜的導熱性（4）在相變過程中沒有相分離和過冷（5）無毒且不可燃，價格便宜。相變材料中使用最多的有石蠟，酯酸，多元醇，結晶水合物鹽等。石蠟是多種烯烴的混合物，它可以用化學分子式表示為CnH2n+2O2。石蠟的融化溫度隨烯烴碳鏈長度的不同而不同。這些不同融化溫度的石
6、蠟是從石油的提煉產物中得到的。石蠟的優點是：廉價易得，更廣的相變溫度范圍，更高的相變潛熱值，無毒，穩定，沒有相分離和過冷。酯酸的化學分子式為CnH2nO2，其特點與石蠟相似，相變溫度溫度范圍是10至50攝氏度。多元醇是固固相變材料。它具有較高的換熱熱量，較小的體積變化，無腐蝕性，無液態生成。不同相變溫度（從幾十到幾百攝氏度）的多元醇可以通過改變混合物成分得到。無機水合物鹽是無機混合物。它的化學分子式可表示為AB.mH2O,例如NaSO4.10H2O,Na2CO2.10H2O,CaCL2.6H2O等等。根據以上相變材料特點和對建筑構件中的相變材料的喜好來說，石蠟和多元醇是應用在建筑構件的理想材料
7、。為了獲得所需的相變溫度，人們可以制造有多種組分混合成的多元醇和含不同碳鏈長度的烯烴石蠟混合物結合而成的相變材料，為我們所用。在選擇相變材料時，首先考慮的是材料的相變溫度。適宜的相變溫度范圍是復合相變材料建筑構件的關鍵因素。相變材料的相變溫度應比夏季氣溫的最低值高一些。所以，對一個城市來說，我們應知道那里夏季的室外最高氣溫和最低氣溫。相變材料的相變溫度應比室外最低溫度高2攝氏度。例如，一個城市的夏季最低氣溫是27攝氏度，那么可以采用相變溫度為29攝氏度的相變材料。在北京，夏季室外最低氣溫可認為是24.4攝氏度，所以建筑構件加入相變溫度范圍為2730攝氏度的相變材料的時就很合適。對于此種情況來說
8、，石蠟和多元醇是非常理想的相變材料。3相變材料和建筑材料的結合方式對于發展相變材料建筑構件，相變材料如何作為組元加入現有的建筑結構是眾多關鍵問題之一。實現相變材料和建筑材料的融合可以有以下幾個方法：（1）將相變材料吸入多孔建筑材料中（2）在聚合物中滲入相變材料（3）將相變材料吸入特殊的硅中，形成柔軟可以自由流動的干粉末，然后將其與其他建筑材料混合（4）將相變材料放入合適的容器中，密封好容器，然后將其置于建筑結構中，其中的容器可以是鐵質或塑料材質的。與其他兩種方法比較而言，方法一是非常合適的。其優點在于結構簡單而且性質均勻，易于制成形狀不同和大小不一的建筑構件?？梢晕{相變材料的建筑材料包括有水
9、泥構件，石灰板，水泥板，水泥-沙-石灰合成磚和多孔墻等。制作時可以將建筑構件浸在相變材料溶液中，吸收飽和后使溶液蒸發即可使用。用這種方法所顯現的優缺點和作用效果主要取決于所使用的建筑材料和相變材料的吸熱能力和穩定性。4相變材料建筑構件在熱性能和能耗方面的作用與傳統的建筑構件相比，相變材料建筑構件能夠減小室溫波動，提高舒適度，降低能耗和設備運行費用。圖1顯示了在建筑物中使用了相變材料和未使用相變材料時，室內溫度隨時間變化的不同變化規律。在圖一中，實線表示不含相變材料的建筑內室溫變化規律，虛線表示含有相變材料的建筑內的室溫變化規律。從圖中，我們可以看出含有相變材料的建筑室內溫度波動要比傳統建筑小，
10、舒適度也由于相變材料的強蓄熱性提高了。圖1 室內溫度隨時間的變化規律從另一方面說，熱流從室外到室內穿過相變材料時被延遲，并且熱流量比不含相變材料的建筑構件要少。并且，熱流波動更小，由此，降低了建筑的熱負荷和冷負荷。5總結相變材料建筑構件在空氣調節領域的發展中有著很積極的作用。相變材料建筑構件能夠減少從室內到室外流經建筑構件的傳熱量，并且由于相變材料較強的蓄熱性能使得夏天的舒適度得到提高。此外，相變材料建筑構件能夠在夜間儲存大量冷量用來負擔白天的峰值負荷，因此能夠降低空調系統中的能耗。由于使用了相變材料的建筑的冷熱負荷比現有的建筑低很多，所以能夠減小空調系統規模，降低投資和設備運行費用。相變材料建筑構件是由相變材料和建筑材料復合而成的。因此，相變材料的選擇以及相變材料和建筑材料的復合形式對于研究和發展相變材料建筑構件是十分關鍵的。石蠟和多元醇都適合應用于建筑構件。相變材料與建筑材料的結合形式應采用將相變材料吸入建筑材料這一方法。在使用了相變材料的建筑中，室溫波動小，熱流被延遲，所以提高了室內舒適度并且節能。
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