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相变材料在建筑构件中调温机理研究及应用效果评价与优化

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相变材料在建筑构件中调温机理研究及应用效果评价与优化

作者：靳晓艳深圳大学

学位级别：硕士

随着城镇化建设和国家经济发展,建筑总能耗及其在社会总能耗中的占比逐年上升。据统计,建筑能耗中约有80%左右是用于维持室内热舒适环境的采暖、制冷及通风等措施上,而围护结构是影响室内热环境的重要因素,改善围护结构的热工性能,是提... 详细信息

随着城镇化建设和国家经济发展,建筑总能耗及其在社会总能耗中的占比逐年上升。据统计,建筑能耗中约有80%左右是用于维持室内热舒适环境的采暖、制冷及通风等措施上,而围护结构是影响室内热环境的重要因素,改善围护结构的热工性能,是提升室内热舒适度、节约能耗或缓解峰值电网压力的重要方式。相变材料（PCM-Phase Change Materials）能在极小的温度变化范围内通过改变自身物质状态来吸收大量的热量,将相变材料与围护结构结合,可以增大围护结构的蓄热性,减小室内温度波动,提升热舒适性,减少建筑总能耗或缓解电网的峰值供电压力。对于相变材料在建筑中作用效果的研究由来已久,但多数是针对材料在住宅或普通办公建筑外围护结构的使用,对于相变材料在建筑内围护结构的研究相对较少,且停留在相变材料对建筑内部空气温度或围护结构表面温度、热流等表层作用结果,缺乏更深层次的机理分析,因此本文以得热较高的玻璃幕墙办公建筑为研究对象,同时从建筑尺度（借助软件DesignBuilder）和构件尺度（借助软件COMSOL Multiphysics）出发,分析相变材料在建筑内围护结构中的作用效果及作用机理。同时以实际大型办公建筑为研究对象,细化分析相变材料各项参数对其应用效果的影响规律,为材料的选取提供理论依据。主要研究内容及结果如下:（1）相变材料在楼板中的作用效果及机理分析。建筑层面,以一栋三层玻璃幕墙办公建筑为模型,在楼板中布置相变材料,分析其对建筑内房间的调温效果,研究结果表明,相变材料可以吸收传入室内的热量,减少楼板表面的温升,降低楼板对室内的二次辐射,进而降低室内温度;同时相变材料还可以减少直接受热面热流向下层的传递,对下层房间温度也起到一定调控作用。构件层面,以单位面积楼板构建作为研究对象,采用球形封装方式,在静态和动态两种边界条件下,研究不同封装材料及不同粒径大小的相变材料封装形式对楼板构件传热的影响机理。不同工况对比结果表明,采用导热系数较大的封装材料和较小粒径的封装方式,可以增强传热,提升相变材料的利用率和调温效果。（2）相变材料在内墙中的作用效果及机理分析。建筑层面,同样以三层玻璃幕墙办公建筑为模型,将相变材料布置在内墙中,采用夜间机械制冷的方式,释放相变材料吸收的热量,完成固液循环,分析在此设置的前提下,相变材料对室内温度、峰值能耗和用电总费用的调控作用。构件层面,以单位面积墙体为研究对象,分析不同朝向的墙体调温机理,研究结果表明,北墙因一侧边界温度较高,会导致相变材料二次融化,不利于相变材料快速放热凝固,调温效果劣于东墙。（3）相变材料热物属性影响规律研究。相变材料的物理属性——潜热值、比热、相变温度区间等对材料的选取和应用效果影响较大,本文以深圳大学科技楼为原型,构建大型玻璃幕墙办公建筑,在采用了传统节能方式,如遮阳、通风和节能玻璃的基础上,再在建筑楼板中布置相变材料,研究相变材料的各项物理属性对其在大型建筑中调温效果的影响,为相变材料的选取和优化提供参考。模拟研究结果表明相变材料的潜热值和密度对其调温效果影响较大,材料比热几乎无影响。

关键词：相变材料建筑构件热物属性调温机理

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相变沥青混合料的制备与调温机理研究

相变沥青混合料的制备与调温机理研究

作者：边鑫哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

沥青混凝土路面黑度大，吸热能力强，容易引发高温车辙等相关病害，据统计国内外每年80%以上的道路养护维修费用都用于高温车辙等病害的处理，浪费了大量的人力、物力和财力;国内外通常采用沥青改性、掺加纤维、优化级配等手段被动应对... 详细信息

沥青混凝土路面黑度大，吸热能力强，容易引发高温车辙等相关病害，据统计国内外每年80%以上的道路养护维修费用都用于高温车辙等病害的处理，浪费了大量的人力、物力和财力;国内外通常采用沥青改性、掺加纤维、优化级配等手段被动应对沥青混凝土路面所处光热环境变化和车辆重载的影响，但效果有限;另外沥青混凝土路面铺筑面积广，加剧了城市热岛效应。因此，本文从主动控制沥青混凝土温度场角度出发，开展了相变原理、材料耐热性、相变沥青流变性及改性机理、相变材料导入封装工艺以及相变沥青混合料调温效果和调温机理等方面的研究，为相变沥青混合料的实际工程应用奠定了基础。建立共晶系相变理论预测模型，应用该模型对二元体系热物性参数进行预测，通过步冷曲线法绘制二元相图并对模型进行了验证，发现该相变模型预测可靠。提出了路面用相变材料的技术标准并进行筛选，应用差示扫描量热法（DSC）、热重分析法（TG）和红外光谱分析法（FTIR）对所选相变材料的耐热性进行了分析，发现PEG类耐热性良好。开展了不同相变材料对沥青三大指标的影响研究，表明PEG4000掺量20%时对沥青三大指标影响较小。鉴于相变材料特定温度域的相变特性，采用动态剪切流变仪（DHR）分析了温度扫描模式下相变沥青的高温、低温及疲劳性能，表明相变材料的直接掺入对沥青的流变性均有一定影响。应用FTIR和荧光显微镜技术开展了相变沥青改性机理研究，表明相变材料与沥青之间没有发生化学变化，相变颗粒在沥青中成不均匀微米级分布。应用压汞法开展了陶粒孔隙结构特性的表征研究，筛选出C3和C5陶粒为本试验用。应用工业CT开展了相变材料导入效果的研究，表明相变材料的导入率为32～42%，导入效果良好。提出了高温抽真空导入环氧固化封装工艺，以玻璃态转变温度Tg和维氏硬度为评价指标，表明该环氧封装层性能良好，同时应用该工艺制备复合相变集料，分析了复合相变集料的热物性、相变稳定性以及耐热性，表明各项性能良好。在制备相变沥青混合料的基础上，应用瞬态平板热源法（Hot Disk）、非稳态导热法（设计试验）以及比热容间接测量法开展了热扩散系数和比热容C的测定研究，表明相变温度域的波峰增大及的波谷减小是相变调温的关键。分析了沥青混凝土路面光热环境影响因素并自行设计制造了太阳光热温控箱，开展了相变沥青混合料调温效果试验研究，室内试验测定结果表明可降温8～10℃，相变调温效果良好。开展了相变沥青混合料的路用性能验证研究，表明：直接掺入法制备的相变沥青混合料的路用性能，随相变材料掺量的增大而降低，而同比掺入复合相变集料的相变沥青混合料的路用性能良好。

关键词：相变沥青混合料相变理论模型耐热性流变性导入封装工艺调温机理

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相变材料在道路工程中的应用研究进展

功能材料 2021年第12期52卷 12013-12021页

作者：蔡昕辰刘志彬张云白梅刘锋东南大学交通学院南京211189 广西北投公路建设投资集团有限公司南宁530028

相变材料是一种在道路工程应用中潜力巨大的潜热储能材料,可有效改善高低温条件下的车辙、变形、冻裂等道路病害。讨论了相变材料用于道路工程的选择标准,归纳了复合相变材料制备方法及道路复合相变材料在热物性、微观结构方面的研究成... 详细信息

相变材料是一种在道路工程应用中潜力巨大的潜热储能材料,可有效改善高低温条件下的车辙、变形、冻裂等道路病害。讨论了相变材料用于道路工程的选择标准,归纳了复合相变材料制备方法及道路复合相变材料在热物性、微观结构方面的研究成果。总结了相变材料的掺入对沥青混合料基本性能、水稳定性,对道路高温变形性与低温抗裂性的影响。最后分析了掺加相变材料道路的调温机理与效果,讨论了相变材料在道路工程中应用的研究方向。

关键词：道路工程相变材料热物性路用性能调温机理调温效果

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充气调温服装研究进展及发展趋势

纺织高校基础科学学报 2024年第4期37卷 55-61页

作者：项舒琪卢业虎孟晶王方明苏州大学纺织与服装工程学院江苏苏州215006 苏州大学现代丝绸国家工程实验室江苏苏州215006 苏州市兴丰强纺织科技有限公司江苏苏州215227

充气调温服装利用气囊锁闭静止空气,从而替代传统隔热层的填充材料,具有绿色环保、自由调温、轻量便携等特点,在防寒服领域极具应用价值。该文介绍了国内外充气调温服装的产品与专利技术,分析了充气调温服装的调温机理,总结了目前国内... 详细信息

充气调温服装利用气囊锁闭静止空气,从而替代传统隔热层的填充材料,具有绿色环保、自由调温、轻量便携等特点,在防寒服领域极具应用价值。该文介绍了国内外充气调温服装的产品与专利技术,分析了充气调温服装的调温机理,总结了目前国内外学者对充气调温服装保暖性影响因素的研究现状,并提出充气调温服装的不足与未来发展趋势。

关键词：充气调温服装保暖性调温机理黏合技术

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调温纤维及其纺织品

印染助剂 2004年第3期21卷 1-4页

作者：宋肇棠苏州大学江苏苏州215021

介绍了调温材料的分类、性质、调温机理熏制作调温纤维与织物的方法及其应用熏展望了调温纤维及其纺织品的前景.

关键词：调温纤维纺织品调温机理性质制备

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相变材料在纺织服装中的应用

上海纺织科技 2002年第5期30卷 47-48页

作者：张萍丽刘静伟西安工程科技学院 710048

从相变材料的概念、调温机理、对人体的作用、当温度转变时的热转移效果几方面综述了相变材料的特性 ,并探讨了相变材料在纺织服装上的应用 ,期望相变材料在纺织服装上开发成功。

关键词：相变材料纺织服装应用调温机理

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智能调温纤维综述

印染助剂 2011年第1期28卷 9-13页

作者：张琳琳王跃强河北科技大学河北石家庄050018

智能调温纤维是相变材料技术与纤维制造技术相结合开发的一种新型功能性纤维,可随外界环境温度的变化通过相变、吸收或放热来调节温度.从智能调温纤维的调温机理、相变材料的选择、加工方法(中空纤维浸渍法、熔融复合纺丝法、涂层法、... 详细信息

智能调温纤维是相变材料技术与纤维制造技术相结合开发的一种新型功能性纤维,可随外界环境温度的变化通过相变、吸收或放热来调节温度.从智能调温纤维的调温机理、相变材料的选择、加工方法(中空纤维浸渍法、熔融复合纺丝法、涂层法、微胶囊复合纺丝法)、性能评价以及国内外发展现状等方面进行了综述,并指出了目前智能调温纤维存在的不足之处.

关键词：智能调温纤维调温机理相变材料加工方法性能评价

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镍钛合金相变材料对沥青混合料性能影响研究

镍钛合金相变材料对沥青混合料性能影响研究

作者：黄晓凤长安大学

学位级别：硕士

沥青路面在服役过程中容易受到高温的影响,出现拥包、推移、车辙等病害,为了提高沥青路面的高温稳定性,道路领域的学者开始探索相变材料(Phase change material,简称PCM)在沥青路面中的应用。将适温序列的相变材料应用到沥青路面中可以... 详细信息

沥青路面在服役过程中容易受到高温的影响,出现拥包、推移、车辙等病害,为了提高沥青路面的高温稳定性,道路领域的学者开始探索相变材料(Phase change material,简称PCM)在沥青路面中的应用。将适温序列的相变材料应用到沥青路面中可以降低路面的温度敏感性,缓解沥青路面的高温病害。然而,现有研究中的路用相变材料大多为有机材料,有机相变材料存在降低沥青混合料的力学性能,易挥发、泄漏、离析等问题,严重影响相变材料的调温效果和沥青混合料的路用性能。金属相变材料具备相变特性的同时不存在挥发、泄漏等问题,将其掺入沥青混合料中不会导致混合料力学性能降低,也不会污染环境。因此,本文将金属相变材料掺入沥青混合料中研究其调温作用机理以及对沥青混合料性能的影响,为金属相变材料在沥青路面中的应用奠定基础。本文选取适于调节路面高温稳定性的镍钛合金相变材料(NiTi alloy phase change material,简称NiTi-APCM)作为研究对象,研究了NiTi-APCM的热物性、力学特性和粘附性等基本性能,优化了NiTi-APCM的处理工艺,确定在600℃下保温15min的NiTiAPCM焓值最大、温度序列适宜。将优化处理后的NiTi-APCM掺入沥青混合料中制备NiTi-APCM-沥青混合料试件,对其进行了高温车辙试验、低温弯曲试验和冻融劈裂试验等路用性能试验。结果表明:NiTi-APCM的硬度较大,与沥青的粘附率为77.82%;NiTiAPCM提高了沥青混合料的高温性能,低温性能有所下降,对水稳定性的影响不大,替换率不超过6%时均能满足规范要求。对NiTi-APCM-沥青混合料试件进行了室内、室外调温试验,红外热成像试验,研究了NiTi-APCM对沥青混合料调温效果的影响,通过计算调温指标评价NiTi-APCM的调温效果。测定了NiTi-APCM-沥青混合料试件的热物性参数,分段拟合了其比热容-温度曲线。通过Wilcoxon符号秩检验法验证了NiTi-APCM的实测调控温度与理论调控温度无显著性差异。研究结果表明:NiTi-APCM可作为路面用相变材料掺入沥青混合料中降低路面日最高温,NiTi-APCM掺入量越大,调温效果越好,潜热积温越多;在本文试验条件下,从路用性能、调温性能和经济性综合考虑,推荐NiTi-APCM的替换率为6%;在NiTi-APCM相变温度区间,NiTi-APCM-沥青混合料试件的比热容-温度曲线先增大后迅速减小,NiTi-APCM掺入量越大,比热容峰值越大,混合料的导热系数也越大;在热物性参数与调温试验的基础上,揭示了NiTi-APCM的调温机理。

关键词：相变材料固溶处理热物性参数路用性能调温行为调温机理

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微胶囊相变调温剂调温指标与效果评价研究

微胶囊相变调温剂调温指标与效果评价研究

作者：刘丰玮长安大学

学位级别：硕士

沥青路面在低温环境下产生的路面开裂和路面结霜凝冰，不仅严重影响路面的使用性能与寿命，还会造成严重的交通安全问题，一直是困扰国内外道路工程界的主要问题。已有相关研究主要通过沥青路面低温抗裂性能试验方法与评价指标研究改善... 详细信息

沥青路面在低温环境下产生的路面开裂和路面结霜凝冰，不仅严重影响路面的使用性能与寿命，还会造成严重的交通安全问题，一直是困扰国内外道路工程界的主要问题。已有相关研究主要通过沥青路面低温抗裂性能试验方法与评价指标研究改善沥青混合料的低温稳定性，采用人工、机械、化学、热力等方式实现路面融冰化雪，这些被动应对技术措施虽起到了一定积极作用，但沥青路面低温病害仍普遍出现。项目组前期研究中研制了沥青混合料用微胶囊相变调温剂，提高了沥青混合料应对低温环境的自主调温能力，但对其调温指标与效果的研究尚不全面。本研究利用掺加微胶囊相变调温剂的沥青混合料制作了沥青混合料室外立方体模型，通过对模型在室外实际环境条件下进行实时温度监测与分析，研究模型内部温度场分布和特征温度界面的变化情况，得出了微胶囊相变调温沥青混合料的传热一般规律以及影响其传热性能的外界环境因素。在此基础上，提出潜热积温值和潜热调温指数作为衡量微胶囊相变调温剂潜热调温效果的评价指标，有效表征了调温剂相变潜热调温能力和效率。揭示了潜热作用时间域和温度域对评价指标的交互影响，分析了在不同外界升降温环境下，温度域和时间域的变化对潜热积温值和潜热调温指数的影响，揭示微胶囊相变调温剂在不同相变潜热阶段内的调温机理。基于微胶囊相变调温剂相变潜热过程中时间域与温度域之间的转换关系，提出了调温剂有效发挥相变潜热作用的时间域和温度域范围，建立了潜热积温值与时间域和温度域的关系式，确定了调温剂有效发挥相变潜热作用的潜热调温指数最低值要求，综合提出了微胶囊相变调温剂潜热调温效果的评价指标要求。

关键词：沥青混合料微胶囊相变调温剂潜热积温值潜热调温指数调温效果调温机理