硅气凝胶基复合相变材料的制备、蓄热特性及其在混凝土中的节能效果研究

Using the latent heat of phase change materials(PCMs)to implement building thermal insulation is considered as an efficient, environmental and advanced means for building energy conservation. For the main problems of the nano dioxide silicon based composite PCMs on preparation and service performance, a kind of nano scale silica aerogel based composite PCMs was prepared using the industrial water glass as silica precursor based on the sol-gel method. The optimized one-step preparation technology was determined as well. Thermal storage characterizations and coating mechanism of the composite PCMs were studied. The prepared composite PCMs were applied in the concrete material and the optimal material ratio, mechanical properties, durability, thermo-physical properties and thermal parameters of the phase change concrete were investigated in order to set up the relation function between the thermal properties and service performance. A building model constructed with phase change concrete was used to experiment the energy-saving effect and simulate the heat transfer process. Numerical simulation was also used to set up heat transfer process model inside the energy-saving building. The model will provide the building energy-saving effect with the evaluation basis and method. The research results provide a new way and sythesis method for the high performance building energy conservation composite PCMs and it has important theoritical and pratical meaning for promoting the development and application of energy -saving building materials in our country.

利用相变材料（PCMs）的相变潜热功能实现建筑保温、隔热是一种高效、环保、前沿的建筑节能方式。本项目针对纳米二氧化硅基复合相变材料在制备和使用性能方面存在的主要问题，采用工业水玻璃为硅源材料，以溶胶-凝胶法为基础，一步制备得到一类纳米级硅基复合PCM，并确定优化的一步制备工艺；研究复合PCM的蓄热特性及硅气凝胶对相变芯材的包覆机理；将硅气凝胶基复合PCM应用在混凝土中，进行相变混凝土的理想物料配比、力学性能、耐久性、热物性和热工指标等研究，建立相变混凝土蓄热性能与使用性能之间的关系函数；利用相变混凝土搭建相变节能建筑模型，通过实验模拟和数值模拟方法，建立相变节能建筑室内传热过程模型，为相变建筑节能效果提供评价依据和手段。本项目研究成果为建筑节能用高性能复合相变材料的开发提供了一种新思路和复合工艺，对提升我国节能建材的开发和应用具有重要的理论和实际意义。

随着建筑面积的不断增加，且人们对建筑热环境舒适性的要求越来越高，空调和采暖所产生的建筑运行能耗逐年增加。降低建筑运行能耗的有效途径是减少建筑围护结构的热损失，关键技术是提高建筑围护结构的保温隔热性能，因此高效保温隔热材料的开发及应用是实现降低建筑运行能耗的重要途径，对低能耗建筑的发展和推广具有重要的现实意义。本项目依此研究背景，针对建筑节能用硅基定形相变材料的开发和制备、相变蓄热建筑材料的制备及性能分析、相变建筑的节能效果和能源供需系统的平衡控制等研究内容进行了深入的分析研究与科学总结，形成了一系列研究成果。1.提出了优化的脂肪酸/硅气凝胶基复合相变材料的一步溶胶-凝胶复合工艺，得到一类纳米级硅气凝胶基复合定形相变材料，热性能和使用性能良好。2.明确了硅气凝胶基复合相变材料的合成原理，确定气凝胶通过物理作用实现对脂肪酸的包覆固定。3.对定形相变材料进行了拓展研究，制备了脂肪酸/改性硅藻土定形相变材料，及多元醇/环氧树脂定形相变蓄热板，测试研究了两种定形相变材料的性能。4.制备了基于砂浆和混凝土的相变建筑材料，研究建立了相变砂浆/混凝土的蓄热性能与力学性能之间的关系函数，测试了相变砂浆围护结构的传热系数、导热系数，提出利用相变蓄能率评价相变围护结构的蓄热效能。5.利用实验模拟和数值模拟相结合的方法建立了相变节能建筑的室内传热过程模型，验证了相变材料应用在建筑中能够起到保温隔热，降低能耗的作用。6.利用控制理论方法对能源分配问题进行了研究，通过建模和仿真实现了能源供需系统的供需平衡，为能源紧缺或能源富足地区的供需配给提供了理论参考。.综上所述，通过以上研究内容的完成，本课题研究基本实现了为建筑节能用相变材料的开发提供新材料和新的复合技术的基本目标，实现了相变材料建筑节能应用和能源的合理供需调配的研究目标。研究结果对相变节能建筑的推广应用具有一定的理论意义和积极的现实意义。