建筑用相变储能混凝土材料的制备和力学性能_卢倩.pdf

第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology建筑用相变储能混凝土材料的制备和力学性能卢倩（郑州城市职业学院建筑工程学院，河南 郑州 450000）建筑行业涉及居民生活出行、社会生产和安全保障等方面，对国家发展的意义重大。由于建筑行业的能耗一直位于我国各行业的前列，在可持续发展战略下进行建筑行业节能减排势在必行。在建筑储能材料中，相变材料会在周边温度高于材料相变温度时，吸收热量并等待周围温度低于材料相变温度时进行能量释放，通过温度调节达到节能减排的效果。因此，相变储能混凝土的性能和制备方式成为学者们研究的重点，文章对建筑用储能混凝土的材料制备与力学性能研究进行了深入分析，通过对其性能的研究在现有基础上优化制备流程，可以进一步提高相变混凝土的储能性能。1 相变材料的选择虽然科研人员对相变材料的研究分为固体之间、固液之间、固气之间和气液之间四种，但是整体实用性最高的是固液转变的相变材料。这类相变材料主要包括结晶水合盐、石蜡和醇类。结晶水合盐会在脱水和结晶过后才能够进行能量吸收利用，材料相变温度在100以内，属于建筑物常见温度范围，且材料体积便于携带，价格适中，是建筑地暖领域的环保材料。石蜡材料在储能过程中具有潜热能力高、过冷无析出的性能，且材料整体性能稳定，无毒无害无腐蚀，价格成本较低，在固液材料中储能效果较为理想，但是仍然有与混凝土相容性较差的情况。醇类材料的相变储能在温度、潜热和过冷方面的表现都较好，且对环境的污染很低，其中的聚乙二醇在批量生产下，成本已经下降到建筑企业可以接受的程度。建筑工程量庞大，不同部分的储能和温度需求不同，单一相变材料已经不能满足建筑行业日益复杂的需求。多种材料按照不同比例进行复合，可得到满足更多范围温度要求的多元相变材料。从目前的研究成果来看，在硝酸盐型相变材料之间进行混合得到的复合材料的熔点和焓变值覆盖的温度范围更广。不同结晶水合盐复合形成的共晶水合盐其稳定性相比单一水合盐更具备优势，且复合物表现出来的物理性质更适合建筑行业。为更适应室内温度变化，石蜡、脂酸类材料在不同的比例下进行混合，可以得到热物理参数与室内环境更匹配的固液相变储能材料。在脂酸类材料中，癸酸、月桂酸和棕榈酸混合后的相变储能材料适用范围更广，材料价格更加实惠。2 相变材料封装定形早期建筑行业经常使用芒硝混凝土，但在越来越多的实践中，发现芒硝的腐蚀性更强，用于建筑中不利于后续整体的稳定。固液相变材料在液体状态下流动性更强，腐蚀性材料也与建筑材料无法融合，且各个类型中都存在一些导热效果不佳的相变材料，所以简单将相变材料与工程材料进行混合的材料制备方法是不可取的。在建筑中选择储能混凝土的基体相变材料时，需要注意满足几点要求：封装材料在保证混凝土与相变材料无法相互反应的前提下，需要具备材料相容性；封装材料的力学性能要支持相变材料在与混凝土进行由固态到液态的物理转变时进行协调变形；封装材料要具备保证相变材料液化后不构成大量泄漏的密封性；封装材料要具备保证相变材料与混凝土结合后储能控温更平稳的导热性。现实中较为常见的封装定形技术包括多孔基体吸附法、相变微胶囊、大体积及纳米复合技术封装这四类。每种方法都各有优势，适应的场景不同。但是多孔基体吸附法相较而言在制作工艺、成本和融合效果这些方面都更有优势。2.1多孔基体吸附法建筑常用的固液转变相变材料在液体状态时流动性较强，选择孔隙较多的材料作为基体，与液化相变材料充分混合后，就可以得到复合相变材料，资讯聚焦第 3 期卢倩：建筑用相变储能混凝土材料的制备和力学性能这就是多孔基体吸附法。在这种材料混合方式下，基体材料的选择十分重要。除了具有孔隙率高的特点，还需要具有较好的相容性保障相变材料与混凝土融合均匀。建筑中经常使用陶粒、膨胀石墨、硅藻土及膨胀珍珠岩这些多孔材料作为封装的基体，而基体融合吸附相变材料的方法也会根据相变材料的不同而变化。例如，液态相变材料可以选择是否使用真空抽离的方式与基体材料进行混合。没有真空抽离的方法是加热混合法，进行真空抽离的方法是浸渍抽离法。相变材料也可以借助溶剂与基体混合，材料与基体相容后可以通过蒸发的方式将溶剂排出，最终得到相变储能材料。对于硅藻土这类基体材料，高温混合烧结可以将相变材料与混凝土复合。基体材料不同，吸附方法不同，也会导致吸附效果不同。一般情况下，吸附效果和基体材料的孔隙率和大小有关，且成体呈现正相关。为了减少孔隙率和孔径大小对吸附效果的影响，不同学者对各种吸附方法进行了细致研究。研究显示：真空吸附法在同等孔隙率和孔径大小情况下对整体吸附效果有显著提升；膨胀石墨这类基体材料在吸附相变材料的过程中，呈现出过冷度高和相分离的特性。在此基础上，有学者利用真空吸附的方式，对材料进行改性处理，并混合烧结法，研制出了以硅藻土为基体，性能更稳定、吸附效果更好的相变材料。也有对珍珠岩这类基体材料的改性研究，包括溶液浸渍法、水解沉淀法这两种方法，通过对基体表面的改性可以提高基体孔隙率。陶粒基体的孔径较大，匹配真空吸附可以将吸附效率提高23倍。2.2微胶囊法在微观层面将相变颗粒进行涂装，对材料进行密封包裹，最终形成一种类似于胶囊的复合材料，这就是微胶囊封装技术。颗粒整体直径为 1.0100.0 m，涂层厚度为0.210.0 m。2.3纳米复合法纳米技术可以通过多种途径对相变材料进行封装，纳米流体、纳米胶囊和纳米复合相变材料这几种方法应用于材料封装最终形成的产品也有所不同。在固液形态转变的多相流体相变材料中，加入直径为纳米级别的金属或非金属氧化物可以形成纳米流体。在微胶囊封装法的基础上运用纳米技术制成纳米级别的包裹胶囊就是纳米胶囊法。大小为纳米级别的粒子具有一定的特殊性，利用这种性质的纳米物质作为基体，吸附相变材料，可以制成纳米复合相变材料。3 相变材料的优化配比相变储能混凝土材料的研发，目的是帮助建筑提升储能效率，降低能源消耗，所以材料制成后最终要应用于建筑中，研究材料的性能是有必要的，可以从材料的配比方面着手进行优化。相变混凝土的配置比例需要在普通混凝土的配置比例基础上作出改变，包括等质量替换、等体积替换或直接掺加这三种配比方法。研究表明，多孔基体吸附法通常用作制备相变骨料，其中陶粒基体因为孔隙较大，所以复合形成的骨料研究较多，根据行业标准，相变陶粒骨料可以直接替换等质量或等体积的普通陶粒制备混凝土。对于密度较轻的相变骨料，则更加适用等体积替换法替换普通材料制配混凝土。在替换材料密度相似的情况下，等质量替换法更加合适。4 相变材料的性能分析在配比问题解决之后，需要深入研究材料的力学性能，使材料应用于建筑中的储能效果更好。相变材料存在与其他混凝土物料相容性不高的性质，这会导致相变混凝土材料的力学性能大幅降低。研究显示，相变材料在混凝土中的整体占比逐渐增加后，混凝土的抗压强度会呈现逐渐降低的态势。与陶粒混凝土相比，使用普通材料制成的混凝土转变成相变混凝土材料后，抗压强度降低更多。因为陶粒混凝土本身的强度不高，所以下降幅度也就不明显。在使用胶囊封装法制备的相变混凝土材料中，大胶囊占比越少，抗压强度越高。伴随建筑行业的不断发展，将相变混凝土材料应用于建筑储能中将成为产业发展趋势，既提高建筑储能实用性又可以有效地节省建筑能耗，但是其制备方法和力学性能还有待进一步研究。进行相变储能混凝土的材料制备和力学性能的深入研究可以将力学性能更好、融合效果更好的相变混凝土材料运用到建筑行业中，促进建筑行业进一步地发展。999