用于建筑节能的多孔基体相变储能材料的制备及应用实验

论文摘要

随着世界经济的发展,能源的供需矛盾问题越来越突出。在大规模地开发常规能源以及寻找新型替代能源的同时,节能技术的研究是十分必要的。储能技术作为节能技术研究的一部分,在能源的合理分配与利用方面有很大的潜力。储能的方式有显热储能和潜热储能两种,利用材料相变潜热的储能技术以其储能密度大、储能温度稳定等优势备受关注,在余热利用、太阳能利用、电力、建筑空调等领域有广阔的应用空间。这次研究旨在制备适宜建筑节能用的相变储能材料,并且通过实验与模拟相结合的方法寻找解决检验相变材料应用效果的途径。文章首先介绍了国内外储能技术的发展现状和发展前景,阐述了目前相变储能技术中的缺点和不足。为了能使所制备的相变储能材料具有广泛的实用性,作者选取了易于获得的脂肪酸类物质硬脂酸、月桂酸、癸酸为原料进行实验,利用差示扫描量热仪对单种材料以及三种二元复合材料的相变温度、相变潜热、比热等进行测试,制备出四种不同熔点的低共熔复合相变材料以适应夏季温度不同的地区的需要,其中,癸酸/硬脂酸复合材料的潜热为149.3J/g,癸酸/月桂酸复合材料的潜热为126.7 J/g,月桂酸/硬脂酸潜热为161.9 J/g。为了检验相变材料相变过程的稳定性,在40℃到15℃进行蓄放热实验,结果显示稳定性较好。利用多孔介质膨胀珍珠岩作为载体,采用直接浸泡的方法与相变材料复合,电子扫描显微镜显示相变材料可以充满膨胀珍珠岩的孔隙,测试表明融入三种相变材料的膨胀珍珠岩的潜热为105.5 J/g、74.41J/g和96.2 J/g。为了检测相变材料的实用性能以及更好地推广相变材料在建筑围护结构上面的应用,对癸酸与月桂酸为原料制备的相变储能材料在模型房屋内进行应用实验。室内温度检测结果表明,相变材料的加入对减小室内温度波动的作用效果明显,与没有加入相变材料的房屋模型相比,峰值温度降低约2℃。在实验的基础上,采用FLUENT软件对加入相变材料的墙体和没有加入相变材料的墙体的内部温度场随外界环境温度变化趋势分别进行数值模拟,模拟结果与实验测试结果基本吻合,含相变材料的墙体模拟最大相对误差为2%,主要出现在相变材料发生相变的过程中。对加入相变材料的墙体物理和数学模型的建立,为以后检验相变储能材料在墙体围护结构中的应用效果提供了参考依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 相变储能材料的分类
• 1.2.1 固-固相变材料
• 1.2.2 固-液相变材料
• 1.3 相变储能技术的应用概述
• 1.3.1 蓄冷空调技术
• 1.3.2 工业余热回收与利用
• 1.3.3 相变储能技术在建筑结构上的应用
• 1.4 相变储能技术的进展与研究概况
• 1.4.1 相变储能材料的研制
• 1.4.2 相变材料的封装以及与建筑材料的结合
• 1.4.3 相变传热的数值分析
• 1.5 本课题研究工作
• 2 相变基础理论及其在相变材料制备中的应用
• 2.1 相率和相变结晶理论
• 2.1.1 系统相平衡和相律
• 2.1.2 相变结晶机理
• 2.2 凝固点降低定律与相图
• 2.2.1 凝固点降低定律
• 2.2.2 相图及相图测定方法
• 2.3 相变材料研究中存在的问题
• 2.4 本章小结
• 3 相变储能材料的性能研究
• 3.1 相变储能材料的选择
• 3.2 相变材料的性能测试方法
• 3.3 实验台介绍
• 3.3.1 实验仪器
• 3.3.2 DSC 的校正
• 3.4 相变储能材料的实验测试
• 3.4.1 实验材料的选择
• 3.4.2 实验测试方法
• 3.4.3 实验结果与分析
• 3.5 相变材料的比热测试
• 3.5.1 测试原理与方法
• 3.5.2 测试结果与分析
• 3.6 相变材料的循环测试
• 3.6.1 实验方法
• 3.6.2 实验结果分析
• 3.7 相变材料的放热特性测试实验
• 3.7.1 实验方法
• 3.7.2 实验结果与分析
• 3.7.3 误差分析
• 3.8 膨胀珍珠岩参数测试
• 3.8.1 实验原理与方法
• 3.8.2 实验结果分析
• 3.9 相变材料与膨胀珍珠岩的结合
• 3.9.1 实验原理与方法
• 3.9.2 实验结果分析
• 3.10 本章小结
• 4 相变储能材料应用性能实验研究
• 4.1 实验模型的设计
• 4.1.1 实际房间围护结构及周边环境条件
• 4.1.2 房间模型的设计
• 4.2 房屋模型的制作与实验设备布置
• 4.2.1 实验台搭建
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 实验结果与分析
• 4.4 经济性分析
• 4.5 本章小结
• 5 墙体内部传热数值分析
• 5.1 墙体升温过程模拟
• 5.1.1 物理模型
• 5.1.2 数学模型
• 5.2 模拟参数
• 5.3 GAMBIT 介绍及网格划分
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.4.1 相变房屋模型模拟结果
• 5.4.2 普通房屋模型模拟结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论及进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录