淺談相變材料的機(jī)理及應(yīng)用

機(jī)械工程學(xué)院 西南交通大學(xué) 四川成都 611756

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的需求量也在不斷增加。而能源的不可再生性迫使我們尋找新能源、開發(fā)新能源。相變材料是一種高效率的熱儲存介質(zhì)，在發(fā)生相變的同時，伴隨著吸熱和放熱，相變材料應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以改變建筑物室內(nèi)的熱舒適性，節(jié)約能源。而相變材料的應(yīng)用前景非常廣泛，本文針對相變材料的工作機(jī)理分析其應(yīng)用領(lǐng)域及所存在的問題。

關(guān)鍵詞：相變材料；建筑節(jié)能；紡織；制冷

一、引言

近幾年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速增長，對能源的需求量也在不斷增長。與此同時，有限的能源也成為制約著經(jīng)濟(jì)增長的主要因素。為節(jié)約資源，我們也在嘗試尋找可替代的綠色新能源、開發(fā)新能源。而相變材料逐漸走入我們的視野。相變材料具有蓄熱量大、化學(xué)穩(wěn)定性好、相變過程保持恒溫等優(yōu)點(diǎn)，成為潛在的新能源。

二、相變材料的工作機(jī)理

相變材料是指隨溫度變化而改變物理性質(zhì)并能提供潛熱的物質(zhì)。轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。若被廣泛應(yīng)用，將成為節(jié)能環(huán)保最佳載體。

其在一定條件下，可以發(fā)生相變，若發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，在融化過程中，吸收并儲存大量的潛熱，而當(dāng)其冷卻時，釋放潛熱。

三、相變材料的分類

（一）按相變溫度劃分：高溫、中溫、低溫。

（二）按組成成分劃分：有機(jī)類、無機(jī)類。

（三）按相變方式劃分：固---固相變、固---液相變、固---氣相變、液---氣相變。

四、相變材料的應(yīng)用及其存在的問題

（一）相變墻體與建筑節(jié)能：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的蓄熱性，所以墻體對室外溫度波動具有衰減延遲的作用。而現(xiàn)在的大多數(shù)墻體選用的是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，熱容量小，室內(nèi)溫度波動較大，影響人體熱舒適性。而相變墻體可以有效改善室內(nèi)熱性能。例如夏季白天，相變墻體可以阻止室內(nèi)溫度大幅度升高，減少空調(diào)的使用時間以達(dá)到節(jié)約能源的目的。夜間，采取一定的通風(fēng)可以將相變墻體中的蓄熱量有效排至室外環(huán)境中，避免熱量在室內(nèi)聚積。

然而，對于晝夜溫差不大的地區(qū)，利用相變墻體可能會引起熱量在室內(nèi)聚積的情況。因?yàn)闀円箿夭畈淮螅滋煜嘧儔w中的蓄熱量夜間不能有效排到環(huán)境中，而是將熱量散至室內(nèi)，引起反作用，不能改善人體熱舒適性，也增加了空調(diào)負(fù)荷，進(jìn)一步耗能。

（二）紡織及服裝：

在服裝領(lǐng)域，將相變材料植入纖維中，根據(jù)外界溫度變化，相應(yīng)地吸熱和放熱，降低皮膚溫度變化，增強(qiáng)人體熱舒適感，為人體提供一個舒適的微環(huán)境。例如，當(dāng)人體進(jìn)行劇烈運(yùn)動時，將產(chǎn)生大量熱量，這時，相變服裝發(fā)揮作用，吸收部分熱量，避免體溫大幅度升高，引起不舒適感。而在冬季的寒冷天氣中，相變服裝將蓄熱釋放出來，使人體維持較舒適的環(huán)境，不致過冷。

在服裝領(lǐng)域方面，相變材料依然受到一定因素的限制，例如，若使用固---液相變材料時，當(dāng)其處于液體狀態(tài)時，必須有包裝隔離，提高了加工難度。此外，過冷現(xiàn)象還需要進(jìn)一步改善。

（三）制冷設(shè)備：

普通的制冷設(shè)備都是采用傳統(tǒng)意義上的壓縮機(jī)制冷原理制成，而將相變制冷的機(jī)理運(yùn)用于制冷領(lǐng)域，將節(jié)省大量能量。相變蓄能空調(diào)利用天然冷源及其在時間上的周期變化的特點(diǎn)，通過相變蓄能裝置和室外風(fēng)冷裝置與外界進(jìn)行能量交換，通過控制器實(shí)現(xiàn)節(jié)能溫控，從而達(dá)到節(jié)能效果。

若應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域，過冷度的存在使得相變材料在蓄冷過程中出現(xiàn)延遲，中斷了正常的熱循環(huán)過程，耗能增加。

（四）其他方面：

我們所熟知的相變材料應(yīng)用領(lǐng)域還包括航天、軍事、通訊、電力、農(nóng)業(yè)等。然而，在某些寒冷的貧困地區(qū)，在冬季，由于天氣寒冷，學(xué)生們上課時，手指僵硬，寫字受到嚴(yán)重影響，若能利用相變材料制成簡易的蓄熱放熱裝置，利用太陽能等自然能源進(jìn)行儲熱，這樣，學(xué)生們在寫字時，將其抱在手中，釋放潛熱，不致手指僵硬。

五、結(jié)語

綜上，相變材料雖然應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，但是在真正的使用過程中，還存在著諸多問題，針對以上問題，隨著科學(xué)發(fā)展及進(jìn)一步研究，相信在不久的將來，相變材料會在我國取得較大發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁才航.相變材料在建筑中的應(yīng)用.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23（4）：23-26

[2]李百戰(zhàn)，莊春龍.相變墻體與夜間通風(fēng)改善輕質(zhì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境.土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（3）：109-113

[3]張萍麗，劉靜偉.相變材料在紡織服裝中的應(yīng)用.北京紡織，2002，23（4）：50-53

[4]相變材料.百度百科，2013.11.4

[5]呂知梅，于軍強(qiáng).空調(diào)蓄冷相變材料的最新研究.材料導(dǎo)報：綜述篇，2010，24（1）：133-136

上接第541頁

3.5 出土口位置加固

設(shè)計中已給出了出土口位置，并采用雙排樁的形式進(jìn)行加固。

3.6 坑底加固措施

（1）主樓底板標(biāo)高為-15.350m區(qū)域的坑底加固設(shè)置φ1100mm@2000mm鉆孔灌注樁進(jìn)行坑底加固，樁頂設(shè)置冠梁并澆筑300mm厚混凝土板。

（2）電梯井及深淺坑交界處加固采用放坡開挖的支護(hù)形式，坡面掛網(wǎng)噴漿并設(shè)置泄水孔。塔樓區(qū)域坑底加固樁、坑中坑平面布置如圖2所示。

4 基坑圍護(hù)止水帷幕封堵加固治理

（1）結(jié)合原三軸深層攪拌樁的坐標(biāo)點(diǎn)確定原三軸深層攪拌樁位置。在距原三軸深層攪拌樁外側(cè)200mm處定注漿孔位，作為第1排雙液注漿的位置，第2排距第1排500mm，第2排點(diǎn)位與第1排點(diǎn)位呈梅花狀布置。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，部分排距為300mm。

（2）在第1排孔位上進(jìn)行鉆孔作業(yè)，下鉆的立桿必須垂直，偏差≤0.5%。

（3）鉆孔孔徑為100mm，孔深為自然地面下約16.0m，進(jìn)入⑤1層粉質(zhì)黏土深約2.0m。

5 基坑監(jiān)測

5.1 基坑及周圍環(huán)境的監(jiān)測

（1）沿基坑周邊每20.0m設(shè)置垂直、水平位移觀測點(diǎn)。

（2）深層水平位移觀測共布置15根測斜管，主樓區(qū)域測斜管長42.0m，裙樓區(qū)域測斜管長30.0m。

（3）支撐軸力量測采用鋼筋測力計。

（4）在坑外布置8個潛水水位觀測點(diǎn)；在主樓區(qū)域布置3個承壓水水位觀測井。潛水水位監(jiān)測點(diǎn)孔深18.0m，承壓水位觀測井井深46.0m。

5.2 監(jiān)測頻率

基坑的監(jiān)測周期為基坑土方開挖到地下室側(cè)壁回填。

（1）基坑開挖施工前進(jìn)行第1次監(jiān)測，觀測值作為初始值。

（2）基坑開挖前期每隔1～2d監(jiān)測1次，如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象需加強(qiáng)監(jiān)測。

（3）基坑挖深超過5.0m時每隔1d監(jiān)測1次，如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象需每天監(jiān)測1次。

（4）基坑開挖接近開挖面標(biāo)高及開挖至設(shè)計標(biāo)高7d后，每天監(jiān)測1次，如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象需加強(qiáng)監(jiān)測，甚至24h連續(xù)監(jiān)測。

（5）基礎(chǔ)底板施工期間每隔1d監(jiān)測1次，如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象需每天監(jiān)測1次。

（6）基礎(chǔ)底板澆筑完成后每隔2～3d監(jiān)測1次，如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象需加強(qiáng)監(jiān)測。

（7）當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值時，需及時調(diào)整監(jiān)測時間間隔，加強(qiáng)監(jiān)測頻率，甚至跟蹤監(jiān)測。

5.3 水位監(jiān)測

在繼續(xù)基坑土方開挖、地下空間施工的整個周期內(nèi)，坑外潛水水位監(jiān)測數(shù)量8個，報警值累計值1000mm，報警值變化速率500mm/d；坑外承壓水水位監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)量3個，報警值累計值1000mm，報警值變化速率500mm/d。

5.4 道路及地下管線變形監(jiān)測

道路及地下管線變形監(jiān)測數(shù)量40個，報警值累計值30mm，報警值變化速率3mm/d。

5.5 周邊建筑物沉降監(jiān)測

周邊建筑物沉降監(jiān)測數(shù)量54個，報警值累計值30mm，報警值變化速率2mm/d。

至基坑主體地下結(jié)構(gòu)的施工空間施工完成，水位監(jiān)測、道路及地下管線變形監(jiān)測、周邊建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)報警值。表明在基坑降水、土方開挖、地下空間施工的全周期內(nèi)，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化平緩且逐漸趨于穩(wěn)定。

從第三方基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，該工程所采取的綜合滲漏治理措施有效，確保了基坑及周邊既有建筑物的安全。

6 結(jié)語

綜上所述，做好注漿止水帷幕的施工對整個深基坑工程有著非常關(guān)鍵的作用。因此，必須對止水帷幕的施工有足夠的重視，采取科學(xué)合理的施工支護(hù)方案，按照施工方案進(jìn)行施工，并要嚴(yán)格控制工程中的關(guān)鍵工序，從而確保止水帷幕的施工質(zhì)量和提高帷幕的止水有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐勇、王心聯(lián).深基坑止水帷幕失效原因分析及處理措施研究[J].地下空間與工程學(xué)報.2010（06）.

[2]陳曉飛.淺談深基坑注漿止水帷幕施工技術(shù)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā).2013（06）.