多孔纳米基复合相变材料在建筑节能中的应用进展

近年来相变材料的开发和应用受到广泛的关注,研究表明,纳米和多孔基复合相变材料可以显著提高材料热导率和热稳定性,同时可以有效防止相变材料在熔融和凝固过程中发生的泄漏问题。本文主要介绍了建筑领域的纳米和多孔基复合相变材料的选择和制备、材料的表征及热物性测量研究,简述了掺入复合相变材料的砂浆、石膏板、混凝土和砖块的热性能情况,通过实验和数值模拟分析了建筑系统中的复合相变材料的应用情况,对采用了储热相变材料的建筑系统进行成本分析和节能研究。最后说明应根据地区气候和使用需求选择不同相变点和热导率的相变材料,添加相变墙体可提高热舒适性,并有效减少能耗。同时指出如何将相变墙体更好地与主动式技术结合,以及探究降低相变墙体的可回收年限和长时间使用相变墙体后的热性能是今后的主要研究方向。     

相变储热技术用于被动式建筑节能的研究进展

相变潜热储能系统具有储热密度高、工作温度稳定和工艺流程简单等优点。相变材料可以通过多种方式与建筑物相结合，利用自身吸热/放热的特性对热能进行储存和释放，从而提高可再生能源的利用率。研究表明，相变储热单元能够有效地降低室内的温度波动，提高室内环境的热舒适性，减少建筑能耗。本文基于相变储热技术在建筑围护结构中的墙体、屋顶、地板以及窗户的研究现状，对近年来被动式储热建筑节能的研究现状进行了综述。阐述了适用于建筑物的相变材料的特点、优化相变材料热性能的方法、相变储热技术调控室内热环境的原理以及相变材料应用于建筑物的节能效果。文章指出，未来的研究应注重高性能相变材料的开发、复合工艺的简化以及室内热环境的综合评价。     

复合相变储能砂浆性能实验研究

通过将复合相变储能材料应用在建筑墙体材料中,达到调节室内热舒适度、降低建筑能耗目的.研究了普通砂浆和复合相变储能材料不同龄期的抗折强度和抗压强度,热循环对不同龄期复合相变储能砂浆抗折强度和抗压强度的影响,以及石蜡相变储能砂浆的控温性能.结果表明:复合相变储能砂浆可以满足普通砂浆的基本力学性能要求;热循环后对复合相变控温砂浆力学性能影响很小;相变储能砂浆模拟房内的温度波动小于普通砂浆,可改善居住舒适度.     

基于复合相变材料的电子芯片热管理性能研究

为了提高小功率电子器件的热管理能力,今以PEG1000为相变材料,膨胀石墨(EG)为载体基质,采用物理吸附法制备出导热系数高、热响应速度快的PEG1000/EG复合相变材料,并选择PEG1000质量含量90%的复合相变材料应用于电子温控散热系统。通过分析不同输出功率条件下模拟芯片表面及相变材料内部的温度随时间的变化规律,考查复合后的相变材料的温控能力。研究表明,散热器填充复合相变材料后的散热性能明显优于填充前的,模拟芯片表面的升温速率明显降低。此种复合相变材料的使用能有效提高电子器件的热管理能力。     

一种以棕榈油为原料的相变材料的制备方法

以棕榈油为原料经酯交换反应制得饱和脂肪酸甲酯,再与十六醇按质量比10∶1制成复合相变材料,其熔点Tm26.9℃,相变潜热212.5 J/g。该材料应用到建筑围护结构中,适用于南方地区,利用围护结构吸收和储存白天进入室内的太阳辐射热,夜间时释放能量,减少室内温度波动,提高室内热舒适性,降低采暖或制冷能耗,降低建筑能耗。     

夹芯墙相变保温层的热储存和热释放体系的探讨

综合储热技术与墙体节能技术的特点,提出了以相变材料作为热驱动源,集材料、构造、建筑为一体的夹芯复合墙体新设想,并在传热理论基础上分析了夹层相变材料冬季释热、夏季储热的过程.分析表明该复合系统具有自调温的保温隔热双重节能效果.     

石膏基相变储能构件的数值模拟分析

以石蜡为相变储能材料,石膏为基础材料,制备不同配比的石膏基-石蜡相变储能构件并利用现有热工测试方法进行了热工性能测试。将测试数据代入经验证过的相变模型模拟了北京地区被动式建筑中相变构件的应用效果,并对结果进行了优化处理。结果表明:随着石蜡含量的增大,相变构件的热导率随之减小;制备的四种配比中PCM质量分数为33%的相变构件在北京地区被动式建筑中应用效果最好,在过渡季中较传统建筑可节能10%;增大构件的热导率与提高墙体表面对流传热系数均可提高室内舒适度与节能效果,且对流传热系数的影响程度更大。     

石膏基相变储能构件的数值模拟分析

以石蜡为相变储能材料,石膏为基础材料,制备不同配比的石膏基-石蜡相变储能构件并利用现有热工测试方法进行了热工性能测试。将测试数据代入经验证过的相变模型模拟了北京地区被动式建筑中相变构件的应用效果,并对结果进行了优化处理。结果表明：随着石蜡含量的增大,相变构件的热导率随之减小;制备的四种配比中PCM质量分数为33%的相变构件在北京地区被动式建筑中应用效果最好,在过渡季中较传统建筑可节能10%;增大构件的热导率与提高墙体表面对流传热系数均可提高室内舒适度与节能效果,且对流传热系数的影响程度更大。     

石蜡基相变储能墙结构设计与控温实验研究

基于相变储能(LTES)理论筛选牌号为25℃的石蜡掺入质量分数为5％的碳纤维制备复合相变材料,利用金属波纹管封装后蛇形敷设于墙体中,在墙体与室内相邻一侧的混凝土材料中掺入质量分数为2％的钢纤维,设计制备相变储能墙.将LTES墙与普通混凝土墙分别用于2组温室模型制备LTES温室与普通温室,进行控温对比实验.提出相变维持时间、温度延迟时间、温度衰减倍数、升温速率和降温速率5个指标定量评价LTES墙综合控温性能.结果表明:牌号为25℃的石蜡,实际相变温度区间为22.2～30.0℃,与植物生长所需环境温度区段相匹配,适于温室使用;LTES墙施工便捷、成本低、封装量高、热交换速率快,结构设计方法切实可行;LTES温室环境温度波动小,相变材料的储热与放热过程对于温室环境温度起到"削峰填谷"效果,减少了辅热或制冷设备产生的附加能耗,可起到节能减排作用;LTES墙较普通墙具有很长一段相变维持时间,且外温传递的延迟时间长、衰减幅度大、升温和降温的速度慢,将其用于温室结构可以起到明显控温效果.     

复合相变材料在混凝土中的应用研究进展

复合相变材料具有较大的相变潜热,可以改善相变材料分散性差、易渗漏的缺点,选用合适的复合相变材料能有效降低大体积混凝土水化热和混凝土建筑的能耗.介绍了复合相变材料的制备方法,综述了其在大体积混凝土和混凝土建筑节能中的应用研究进展,并对当前研究中存在的问题和未来发展前景进行了分析和探讨.     

组合式相变材料最佳相变温度的热力学分析

采用组合式相变材料的蓄热系统较单一相变材料具有更为优越的传热和热力学性能,而相变温度对于蓄热系统性能具有重要的影响。为了使结果更具普适性,以热力学有效能分析为基础并忽略具体换热器形式和传热过程,推导了使用不同相变材料数时每种相变材料最佳相变温度的理论公式,并根据最佳相变温度计算了有效能利用率随着相变材料数的变化,结果表明当PCMs数增加到4种时,理论最大有效能利用率已达80%以上,比使用单一相变材料的理论最大有效能利用率高50%左右。以573.15 K热能蓄能为例,计算了使用1~4种相变材料时相应的最佳相变温度与最大有效能利用率,并以此为依据给出了实际最佳相变材料组合。     

新型建筑用二元复合定型相变材料的制备及性能评价

针对建筑节能领域，提出了一种由十二醇（LA，C₁₂H₂₆O）和硬脂酸（SA，C₁₈H₃₆O₂）组成的具有适宜相变温区且相变潜热较高的二元相变材料LA-SA，并以膨胀珍珠岩和陶粒为多孔吸附材料制备出复合定型相变材料，探究了不同吸附材料对于定型相变材料热物性的影响。二元相变材料LA-SA的最优配比为质量分数82%十二醇+18%硬脂酸，其熔融相变温度为21.3℃，相变潜热为205.9 kJ/kg，且热稳定性能良好。以膨胀珍珠岩和陶粒为吸附材料，通过真空吸附法制备出了两种建筑用定型相变材料，并对其进行了SEM、FTIR、TG及DSC性能表征，结果表明：LA-SA与两种吸附材料的复合过程仅为物理吸附且复合良好，吸附后的定型相变材料的相变潜热有一定的降低；相比于陶粒，膨胀珍珠岩对相变材料的吸附率较高，且对相变材料热性能影响较小；LA-SA/膨胀珍珠岩熔融相变温度为22.7℃，相变潜热为165.3 kJ/kg，可应用于建筑节能材料的制备。     

多熔点相变材料堆积蓄热床蓄热性能分析

对采用多种不同熔点相变材料（PCM）构成的堆积蓄热床进行了数值分析。热水作为换热流体（HTF）自上而下流经蓄热床,熔化相变材料、蓄积相变潜热。石蜡作为相变材料被注射入聚碳酸酯球壳内形成相变胶囊,根据熔点高低依次排放在蓄热床的不同位置,熔点越高距离热水进口越近。假定流场稳定,采用一维Schumann模型计算HTF温度,相变模拟采用显热容法。分别对两种排列方式下采用2种、3种以及4种相变材料的蓄热床的蓄热过程进行了基于热力学第一及第二定律的性能分析,并将结果与单相变材料蓄热床进行比较。基于热力学第一定律分析结果表明,采用多种相变材料构成的蓄热堆积床蓄热速度更快,能量效率更高。基于热力学第二定律分析表明,平均熔点更高的蓄热床能够储存更高的火用。结果表明采用多熔点相变材料构成的堆积蓄热床能够显著地缩短蓄热时间,改进蓄热性能。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术，对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象，追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上，考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响，分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明，相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置；组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象，不同相变材料可同时融化/凝固；与单一相变材料相比，组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性，提高了平均相变速率；组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量，但减小了温度变化速率，增强了系统的稳定性，并显著增加了潜热蓄热量，有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

不同气候条件下相变屋顶传热性能数值分析

相变墙体可以有效降低建筑能耗并提高热舒适性。相变屋顶多孔砖内部填充相变温度为25~33℃的石蜡，引入考虑辐射与空气温度的等效温度，本文利用高性能计算显卡（GPU）加速基于焓法的多松弛时间格子玻尔兹曼算法（MRT-LBM），分析了2020年8月典型天气下中国7个城市应用不同相变温度的石蜡对屋顶热响应特性的影响。采用相变温度为27℃的石蜡进行研究，结果表明，上海地区相变屋顶中的石蜡没有发生相变，空调运行期间由屋顶进入室内单位面积的热量高达324.3kJ/m²；成都地区相变屋顶中的石蜡液化率变化最大为30%，内表面温度在25.6~27.3℃波动，温差仅为1.7℃，由屋顶进入室内单位面积的热量仅为50.9kJ/m²；武汉和北京地区的液相率变化很接近，其相变时间达到全天的50%，对应的由屋顶进入室内单位面积的热量为上海地区的0.37倍；昆明与哈尔滨地区屋顶内表面温度波动分别达到4.5℃与4.4℃，但对应的温度均在28℃以内；广州地区相变屋顶中的石蜡几乎没有发生相变，室内温度波动幅度为成都的2.6倍。北京、成都、武汉和昆明地区适合采用相变温度为27℃的石蜡，而广州、上海和哈尔滨地区适合采用相变温度为29℃、31℃和25℃的石蜡。本文工作可为相变建筑优化设计提供参考。     

Polymeric phase change composites for thermal energy storage

This article describes a group of thermal energy storage (TES) composites that combine TES and structural functionality. The composites are encapsulations of low melt temperature phase change materials (PCM) such as paraffin waxes in polymer matrices. Room temperature cured bisphenol‐A epoxy and styrene–ethylene–butylene–styrene (SEBS) polymers are chosen as matrix materials because of their excellent chemical and mechanical properties. The polymeric network structure in the composite encapsulates the PCMs, which transform from the solid to the liquid phase. The PCMs provide the energy storage function via the solid–liquid latent heat effect. The resulting composite exhibits dry‐phase transition in the sense that fluid motion of the PCM, when in the liquid phase, is inhibited by the structure of the polymer matrix. The polymer matrix is formulated to provide structural functionality. The latent heat, thermal conductivity and contact conductance, and structural moduli of composites having various PCM‐to‐matrix volume fractions are measured. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 93: 1240–1251, 2004     

泡沫铜/石蜡复合相变储能材料的储放热过程及数值模拟

作为储热和热管理技术的重要材料之一,相变储能材料通常具有储热密度较大、相变温度变化较小的优势,但其热导率较低,热传递效率较差。本文将泡沫铜用于石蜡相变储能材料的传热强化,通过测定相变储能材料储放热过程的温度变化,考察了添加泡沫铜对相变储能材料储放热速率和温度均匀性的影响,且在实验基础上对储能材料的放热过程进行建模并求解,得到温度云图,为实际应用提供理论依据。结果表明,添加泡沫铜后,石蜡的相变储热和放热时间分别缩短了16.67%和14.71%;储放热过程复合材料中心层与外层中心点的最大温差分别降低了91.5%和87.5%;建立放热过程相变储能材料温度随时间变化的模型,对比实际值和模型预测值,得到相关系数及标准误差分别为0.99℃和0.13℃,证明该模型准确度较高,可有效预测相变储能材料的温度变化情况。     

纳米材料/十四酸混合相变蓄热材料的制备与特性

选用纳米金属Cu和碳素材料石墨烯纳米片（GnPs）为改性剂分别添加至十四酸（MA）中,制备出Cu质量分数为1%、2%、3%和4%的Cu/MA混合相变蓄热材料及GnPs质量分数为1%、2%和3%的GnPs/MA混合相变蓄热材料,并对混合相变材料性能进行表征。结果表明：Cu/MA固态和液态热导率随Cu质量分数增加呈线性提高,1%（质量）GnPs/MA固态热导率较纯MA显著提高101.51%,随GnPs质量分数增加,热导率增幅减缓;FT-IR谱图表明Cu与MA及GnPs与MA间的混合均为物理作用;DSC结果显示添加Cu或GnPs可降低MA的过冷度和相变潜热,且随质量分数增加,相变潜热逐渐降低;4%（质量）Cu/MA和3%（质量）GnPs/MA放热时间相比于纯MA分别减少了23.4%和38.7%;4%（质量）Cu/MA和3%（质量）GnPs/MA在经历300次快速热循环试验后,晶体结构和相变温度基本保持不变,相变潜热分别降至168 J·g^-1和181 J·g^-1左右,仍满足蓄放热要求,两种材料均具有良好的热循环稳定性。     

二维纳米片基复合相变储热材料研究进展

相变材料（PCMs）作为潜热储存和释放的介质,能够解决热能供需矛盾,从而缓解能源危机。纯相变材料具有能量密度高、温度范围广、能量输出稳定性强等优点,但其热导率低和在相变过程发生渗漏的缺点阻碍了其广泛的应用和发展。通过将PCMs与二维纳米片复合,PCMs热导率低和渗漏问题被有效解决。通过在导热机理方面进行详细阐述的基础上,综述了近几年来有关碳基二维纳米片、六方氮化硼（h-BN）纳米片、二硫化钼等复合储热材料的研究进展,为高性能二维纳米片基复合PCMs的设计提供一定的研究思路。