建筑相变材料的开发与数值模拟

  1.1   研究背景   1.2   研究意义

  通过向常规的建筑建材中掺入 PCM 构成建筑相变材料，这种材料具备重量轻、热容高、潜热储存力强等优点，同时可以提升人们居住环境的舒适度，提高能源的利用率，很大程度上缩减费用支出。建筑相变材料作为近年来新研制的节能环保材料类型之一，对其进行研发和制备是实现建筑节能的关键。在全球建筑领域不断进步、不断完善的时代，建筑节能是全球密切关注的热门话题，是建筑技术发展进步的重要标志。制备建筑相变材料，其一，能够有效促使大量资源的节约和能源的合理利用，舒缓当今现存能源资源与经济社会发展之间的矛盾；其二，能够大大加快国家开展循环经济的步伐，实现我国经济社会的可持续发展；其三，能够进一步确保国家的能源安全、保护社会环境、提升人们生活幸福感。与传统的墙体内外保温材料相比，建筑相变材料的应用价值主要优势在于其在发生相变的过程中，相变潜存的热量能够转移到环境中，会产生一个较宽的温度带，使得恒温的时间更长，能够更好的储存和分配热量，因而具备更广阔的应用前景。我国“十二五”期间就已明确提出要努力达成建筑节能的目标，而要实现这一目标，需要各种节能材料和节能技术的改善和发展。通过以上分析，考虑到建筑节能的诸多有益之处，对建筑相变材料的应用研究就迫在眉睫了。

  围护结构中加入相变材料可以降低室内温度波动，当白天的温度高于建筑相变材料中的温度时，相变材料液化吸热，减缓室内温度的升高；当晚上温度降低时，相变材料发生固化放热，减缓室内温度的降低。建筑相变材料能够在一定程度上保持室内温度恒定，使得室温曲线趋近于建筑材料的相变曲线。相变材料的相变曲线由相变温度决定，因此选择合适的相变材料才能使室内温度更加舒适。

  2.1    低温共晶相变材料的制备

  相变温度是相变材料在建筑中成功应用的关键。相变温度对室内舒适性及建筑能耗具有重要影响。若相变温度过高，相变材料无法融化进行热量的蓄存；若相变温度过低，环境温度降低温时热量无法释放，无法起到高吸低放的作用。受各地气候条件的影响，不同地区的建筑对相变温度的要求也不尽相同。Akeiber认为建筑相变材料的相变温度应处于 15~30℃之间。张小松指出墙体用相变材料的相变温度应在 20~30℃之间，且相变材料层在墙体中的最优位置应根据实际情况确定。张寅平等认为相变材料可以提高墙体蓄热能力，且相变温度应和室内平均温度相近。但 Peippo  通过分析认为相变温度应高于室内平均温度 1~3℃。相变温度的选择必须根据各地气候变化特点进行合理选择。但相变材料对应的相变温度往往是固定的，而自然界现有的相变材料又是有限的，不能很好的满足各气候地区的使用要求。因此，制备具有不同相变温度的相变材料才能更好的满足不同气候地区的使用。共晶相变材料可通过将两种或多种相变材料进行混合形成单一组元，该组元具有单一的相变温度，与纯物质的相变特性类似。因此，可通过共晶的方法制备不同相变温度的相变材料，扩展材料的选择范围，为工程的实际应用奠定基础。石蜡脂肪酸等相变材料虽然为非晶态结构，但却与共晶相变材料具有高度相似性。依据热力学第二定律及相平衡理论，可以得到共晶相变材料的相变温度与各组分物性的关系。

  2.2   相变微胶囊的制备

  相变材料融化后易于流动，不能直接用于建筑围护结构。通过相变微胶囊封装技术可将相变材料密封于壳材内，一方面可用于相变材料定型，另一方面可增大相变材料的比表面积增强换热。界面聚合法是最常见的相变微胶囊封装技术，具有反应速度快、封装率高、对设备要求简单等优点，本文选用界面聚合法对有机相变材料进行封装。界面聚合法是将芯材和壁材混合乳化形成油相，与水相混合后，引发剂使得壁材在芯材表面聚合形成微胶囊，取 7g 十八烷和 3g 甲基丙烯酸甲酯，充分搅拌混合形成油相。在 10 g 蒸馏水中加入 3%的 SDBS，在水浴锅中加热搅拌形成水相。随后将油相与水相混合，在 80  ℃水浴锅中搅拌 30 分钟形成水包油（O/W）乳液。最后，在制备的乳液中滴加 0.03g 过硫酸铵溶液（0.13g/m L）作为引发剂引发聚合反应。反应 2 h 后得到相变微胶囊溶液，将抽滤得到产物用蒸馏水清洗 3 次，50 ℃真空干燥  24 h。单纯的相变微胶囊无法直接作为建筑涂层材料，需要与基体材料混合使用。本文选用常见建筑涂层硅藻土作为基体材料，通过将相变微胶囊与硅藻土混合制备得到复合相变材料。相变微胶囊/硅藻土复合材料的制备过程如下：（1）把相变微胶囊放置真空干燥箱中 30℃低温真空干燥 24 小时；（2）把硅藻土放置真空干燥箱中 110℃高温真空干燥 24 小时；（3）将充分干燥的相变微胶囊和硅藻土充分按照 3:7 的配比充分混合，然后加入等质量的去离子水，机械搅拌 20min 充分混合。然后将混合均匀的相变材料移入正方形模具中，放置真空干燥箱 30℃低温真空干燥 72 小时。得到相变微胶囊/硅藻土复合材料试块。

  3.1   仿真软件介绍

  3.2   建筑模型

  3.3   建筑相变材料传热机理分析

  3.4   室内温度影响因素分析

  3.5   本章小结

  4.1   相变建筑能耗分析

  第 5 章   结论及展望

  论文通过理论分析、数值模拟和实验相结合的方法对建筑相变材料的制备、热物性及其对建筑室内温湿度的影响进行了研究，分析了相变材料对建筑能耗的影响，探究了建筑相变材料在不同气候分区下的应用。研究得到的主要结论如下：（1）本文所建立的有机共晶相变材料的相变温度预测模型具有较好的准确性，可以用于指导共晶相变材料的制备，极大的丰富了相变材料的相变温度范围，扩展了相变材料的应用。通过界面聚合法可以制备有机芯材的相变微胶囊，得到相变微胶囊的相变潜热为 156.7 J/g，相变温度为 24.18 ℃。满足室内温度舒适区间，可用于调节室内温度。按照 3:7 的配比将相变微胶囊与硅藻土混合得到材料试块具有较好的定形能力，为相变微胶囊在建筑中的应用奠定了基础。制备的相变微胶囊/硅藻土复合材料的相变焓值和温度都有所降低，分别降低为 44.17 J/g 和 22.3 ℃。通过对相变微胶囊/硅藻土复合材料湿特性测试发现该复合材料除具有调节温度的能力，还具有一定程度的调湿能力。（2）与单纯硅藻土相比，采用相变材料作为围护结构的建筑室内温度衰减和延迟更大，但由于添加了相变微胶囊，相变微胶囊/硅藻土的吸湿量有所降低，导致相变建筑室内湿度略高于单纯的硅藻土。选用相变材料作为围护结构时应选择合适的相变温度，模拟发现相变温度过低或过高都会造成室内温度波动加大。若相变温度过低，则无法充分凝固释放热量。若材料相变温度过高，则无法充分融化吸收热量。提高建筑相变材料的相变潜热、厚度、面积均可以降低室内温度波动，而提高导热系数对室内温度变化影响不大，增加换气次数反而会导致室内温度波动增加。随着窗墙比的增加，室内整体温度都有所升高。（3）对于北京地区，采用硅藻土和相变微胶囊硅藻土的建筑制热/制冷能耗分别为 999.8、2882.6 k Wh，相变微胶囊/硅藻土的节能效率为 3.9%。采用硅藻土和相变微胶囊硅藻土的建筑加湿/除湿能耗分别为 567.8、576.3 k Wh，相变微胶囊/硅藻土增加能耗 1.5%。综合考虑显热及潜热能耗，硅藻土和相变微胶囊/硅藻土对应的全年能耗分别为 3567.6、3458.8 k Wh，全年节能效率为 3.05%。对于北京地区，在冬季无供暖时应选择 25 ℃的相变材料，且相变潜热、建筑相变材料的铺设厚度及铺设面积要尽可能的大，夏季时应尽可能提高新风量，以降低室内温度。对于全年室内温湿度进行调控的建筑，相变材料适宜的相变温度 35 ℃，相变材料的相变潜热不宜过大，建筑相变材料的铺设厚度应通过计算进行优化，而铺设面积一般情况下应尽可能大，且应在满足室内最小新风量的情况下尽量降低换气次数。不同气候分区下相变材料对应的最佳相变温度不同，当考虑全年空调能耗时，严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和等五个气候分区所对应的最佳相变温度分别为 35、35、35、20、35  ℃。对于冬季无供暖的城市，昆明、上海、广州三个城市空调能耗最低时对应的相变温度分别为 20、25、35 ℃，此时的节能效率分别为 30.99%，8.96%，9.93%。由于自身科研水平及时间有限，本文研究还存在一些不足，作者将在后续的工作中进行研究：（1）本文通过将相变微胶囊与硅藻土混合制备了建筑相变材料，仅对其热湿物理特性进行了测试分析，下一步将对其力学性能等进行测试，为复合材料的应用奠定基础。（2）论文建立了相变建筑的数值模型并对建筑相变材料对室内温湿度分布的影响及建筑能耗进行了分析，下一步将对实体相变建筑开展研究。