聚氨酯型固
--固相變儲能材料對瀝青調溫效果的影響研究

張雪麗，孫偉清，鄭君華

（杭州科技職業技術學院城市建設學院，浙江 杭州 311402）

隨著全球氣候變化以及能源問題的日益嚴重，可再生能源的利用和節能減排問題成為了社會各界的焦點研究內容。在交通領域中，瀝青路面作為最主要的路面材料，其在能耗與碳排放量方面占據了極大的比重。因此，如何利用先進的技術手段控制瀝青路面的能耗和碳排放水平，已經成為了當前的主流研究方向。相變儲能材料通過相變過程吸收和釋放大量熱能，其在能量調節與能源存儲方面具有廣泛的應用前景[1]。聚氨酯型固-固相變儲能材料作為一種新型的相變材料，具有良好的熱穩定性和較高的相變焓，故其被認為是一種極具潛力的瀝青路面調溫材料。

1 聚氨酯型固-固相變儲能材料的特性分析

1.1 相變材料的分類

聚氨酯型固-固相變儲能材料是一種新型的相變型材料，在相變過程中固態晶格結構發生重排，故該類型材料的熱穩定性極強且相變焓水平相對較高。根據儲能標準的不同，聚氨酯型固-固相變儲能材料可以按照相變溫度、制備方法、聚氨酯的硬度與強度三項條件進行分類，具體分類標準如表1所示。

表1 聚氨酯型固-固相變儲能材料分類標準Table 1 Classification standard of polyurethane solid-solid phase change energy storage materials

1.2 相變材料的儲能原理

聚氨酯型固-固儲能材料的相變反應伴隨著吸熱與放熱行為共同出現。單位質量儲能材料在發生相轉變時所吸收或釋放的總熱量被稱為相變儲能潛熱，單位為J/g或kcal/kg。相變潛熱是衡量聚氨酯型固-固相變材料儲能性能優劣的重要指標[2]。將發生相變反應的儲能材料視為能量存儲體系，從數值角度來看，相變潛熱總是與聚氨酯型固-固儲能材料相變反應過程中的焓值變化總量相等。以下是與聚氨酯型固-固相變材料儲能相變潛熱相關的能量運算公式。

式中，ΔH表示相變焓，T表示儲能周期，ΔW表示聚氨酯型固-固相變儲能材料的瞬時儲能量，ΔU表示能量相變熵，ΔE表示儲熱勢能變化量，χ表示潛熱參數，S表示熱能焓值，β表示熱能轉化效率。

1.3 相變儲能材料的應用

氨酯型固-固儲能材料的最主要應用方向就是對相變物質的溫度進行調控。

（1）對瀝青等建筑材料的調溫。保障建筑材料的恒溫特性，避免施工過程中出現能量浪費的問題。

（2）針對大功率電子元件的熱調控處理。利用氨酯型固-固相變儲能材料制作隔熱層，在避免發生界面傳熱的同時，避免電子元件的儲熱溫度不斷上升。

（3）儲熱節能設備。將氨酯型固-固相變儲能材料應用于儲熱節能設備中，有助于對能量信號的高效利用。

2 相變儲能材料對瀝青調溫效果的影響

2.1 周期性儲熱邊界條件

周期性儲熱邊界條件是指在相變反應傳熱過程中，邊界的溫度或熱流呈現周期性變化的情況。在這種情況下，由于熱量邊界條件的周期性變化，儲能量會在不同的時間段內以不同的方式進出物質或材料，從而影響物質或材料的溫度分布和熱量儲存能力，完整的周期性儲熱邊界模型如圖1所示。

圖1 周期性儲熱邊界模型Fig.1 Periodic heat storage boundary model

通過設置合理的周期性儲熱邊界條件，可以更準確地模擬聚氨酯型固-固相變儲能材料在瀝青調溫中的性能表現，從而為材料的優化設計和應用提供更可靠的理論依據。

2.2 瀝青調溫過程中的內聚能密度

瀝青調溫過程中的內聚能密度是一個重要的物理量，描述了1 mol 聚合體克服自身分子間作用力成為氣體時所需要的能量。利用聚氨酯型固-固相變儲能材料調節瀝青溫度的過程中，內聚能密度的高低可以反映瀝青分子間的相互作用力和分子結構的穩定性。當儲能溫度升高時，瀝青分子間的相互作用力會減弱，分子結構也會隨之發生變化，而這將導致內聚能密度的降低[3]。反之，當儲能溫度降低時，瀝青分子間的相互作用力會增強，分子結構也會變得更加穩定，此時內聚能密度升高。

對于瀝青調溫過程中內聚能密度的求解參考如下表達式：

式中，f表示調溫熱能存儲參數，K?表示內聚能作用特征，l→表示相變材料的調溫向量。

2.3 能量變化規律

瀝青調溫的能量變化規律主要涉及兩個過程：感應加熱過程和相變儲能過程。

感應加熱過程是一個能量轉化的過程。電能通過交變電流形成交變磁場，進而轉化為磁能。當這個磁場作用于瀝青時，會在瀝青中產生感應電流，這個電流再通過焦耳效應將磁能轉化為熱能，從而使瀝青溫度升高[4]。這個過程的能量轉化效率決定了瀝青的加熱速度和溫度分布。

相變儲能過程則是聚氨酯型固-固相變儲能材料在相變溫度附近吸收或釋放熱量的過程。當溫度升高時，相變材料從固相變為液相，吸收熱量；當溫度降低時，相變材料從液相變為固相，釋放熱量。這個過程的相變焓決定了材料在溫度變化時的儲能和釋能能力。

這兩個過程的能量變化規律共同決定了瀝青調溫的效果。通過調整加熱的磁場分布和相變材料的性能，可以優化瀝青的溫度分布和儲能效果，從而提高瀝青路面的性能和使用壽命。

3 結論與展望

在研究聚氨酯型固-固相變儲能材料對瀝青調溫效果的影響時，需要深入探討這種相變材料在瀝青路面溫度調節方面的作用。通過實驗和分析，得出以下結論：

（1）聚氨酯型固-固相變儲能材料在瀝青中具有良好的分散性，有效地提高了瀝青的相變儲能能力。

（2）該材料在相變過程中能有效地吸收和釋放熱量，有助于調節瀝青路面的溫度，減小溫度波動。

（3）與傳統瀝青相比，添加了相變材料的瀝青在熱穩定性和抗疲勞性能方面有顯著提升。

然而，材料的相變溫度和焓值仍需進一步優化，以滿足不同氣候條件下的溫度調節需求。此外，長期耐久性和環境友好性也是今后研究的重要方向。綜上所述，聚氨酯型固-固相變儲能材料對瀝青的調溫效果具有積極的影響。但為了更好地在實際工程中應用，仍需進行更深入的研究和優化。