吸湿相变材料在建筑围护结构中的应用

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吸湿相变材料在建筑围护结构中的应用研究,对于建筑材料的物理性能和建筑围护结构保温隔热性能的应用具有非常重要的意义。氯化钙作为吸湿相变材料、价格便宜以及具有凝固点低、吸湿性强、易潮解、低温相变等性质在工业中获得了大量的应用。但在建筑工程中过去常见的是利用氯化钙能加速混凝土的硬化、缩短固化时间并增加砂浆的耐寒能力的特性用作水泥施工的硬化剂。结合建筑物所处自然气候条件，充分利用氯化钙的吸湿性质及相变特性制造一些建筑材料应用于建筑围护结构，可以实现对室外太阳辐射的转化和控制、降低室内空气温度和湿度、改善建筑室内热环境，达到节约能源、再生能源的利用和实现可持续发展的目的。本文对氯化钙的一些性质及其在改善建筑热环境和提高建筑舒适性中的应用研究情况作一介绍，以供大家参考。
1 吸湿性质的应用
1.1 吸湿性质
氯化钙的吸湿性很强，可形成四种稳定的水合物，即CaCl2?H2O 、CaCl2?2H2O、CaCl2? 4H2O（α、β、γ型）和CaCl2?6H2O。图1是氯化钙/水系统在P=1atm时的相图。
图中的稳定平衡点是：
A点：固态水和CaCl2?6H2O的平衡点，氯化钙重量百分比含量为29.9%。
B点：CaCl2?6H2O 和CaCl2?4H2O的平衡点，氯化钙重量百分比含量为50.1%。
C点：CaCl2?4H2O 和CaCl2?2H2O的平衡点，氯化钙重量百分比含量为56.6%。
D点：CaCl2?2H2O 和CaCl2?H2O的平衡点，氯化钙重量百分比含量为74.8%。
E点：CaCl2?H2O 和无水CaCl2的平衡点，氯化钙重量百分比含量为77.6%。
图中,ABCDE线以上区域为液态区(CaCl2水溶液)，ABF区为固态水和CaCl2水溶液共存区，BCH区CaCl2?6H2O和CaCl2为水溶液共存区，FBH线以下为固态水和结晶CaCl2?6H2O的机械混合物。
1.2 吸湿机理及强化
氯化钙吸湿后形成含有盐分的水溶液，其吸湿机理在于：水溶液中由于盐类分子的存在，使水分子的浓度降低，盐水表面饱和空气层中的水蒸汽分子水也相应减少，即盐水表面的水蒸汽压力降低，因此当周围环境空气中的水蒸汽分压力高于盐水表面的水蒸汽分压力时，环境空气中的水蒸汽压力渗透进入氯化钙溶液中直至两者之间达到压力平衡，吸湿过程完毕。
吸湿率是表征氯化钙吸湿性能的指标。氯化钙的吸湿率主要取决于空气中的水蒸汽分压力、表面质交换速率以及氯化钙的表面积，吸湿能力的强化重点在于提高表面质交换速率和氯化钙与周围环境空气直接接触的质交换表面积。加大掠过质交换表面的空气流速，可以有效地提高表面质交换速率。
无水氯化钙吸湿或水后形成各种结晶水合物，并释放较多的热量。当水分含量过多时，氯化钙表面由于溶液状态的聚集阻碍了氯化钙与周围环境空气中水蒸汽之间的质交换过程，即氯化钙与周围水蒸汽的接触表面积减小，为保持其吸湿速度快、价格低廉的优点，而又防止液体出现，可以一些多孔材料如分子筛、硅酸钙、铝酸钙、膨胀珍珠岩等为基体形成复合多孔吸湿材料。
1.3 吸湿性质在建筑围护结构中的应用研究
利用氯化钙的吸湿性质作为除湿介质，在工业中有较多应用，但将其应用于建筑围护结构实现除湿功能的研究还较少。在建筑围护结构中应用，是利用夜间含氯化钙的除湿体对室内空气吸湿，降低室内空气相对湿度，提高室内舒适度；白天除湿材料接受太阳光的直接照射，水蒸汽扩散进入室外大气环境中，完成除湿体的脱湿再生过程。由于夏季昼夜之间空气相对湿度变化较大，白天气温高、空气相对湿度低，室内一般不需除湿，夜间随着室外空气温度的降低，室外空气相对湿度越来越高，由于围护结构的空气渗透，室内空气相对湿度也相应变高，此时除湿能有效地提高室内舒适度，因此被动除湿尤其适用于夏季。
实测研究表明，采用被动除湿材料的实验房间室内空气相对湿度在50~60%之间波动，室内湿环境达到一定的舒适性；而作为对比用的房间内空气相对湿度在80%上下波动。实验房间的室内空气温度较对比房间有温差，由于相对湿度的下降大大抵消了室内温度的微幅升高，致使室内热环境舒适度得到了提高。
2 低温相变特性的应用
2.1 低温相变特性的机理
氯化钙的低温相变特性是通过浸渍到母材基体空隙中的有化学活性并直接用来蓄热的氯化钙水合物中结晶水的得失来实现的。
氯化钙水合物蓄热循环中有如下脱水反应：
CaCl2?6H2O→α型CaCl2?4H2O + 2H2O（液态）+ 45.1 kJ/mol
CaCl2?6H2O→β型CaCl2?4H2O + 2H2O（液态）+ 43.5 kJ/mol
CaCl2?6H2O→γ型CaCl2?4H2O + 2H2O（液态）+ 29.3 kJ/mol
α型CaCl2?4H2O→CaCl2?2H2O + 2H2O（液态）+ 36.0 kJ/mol
CaCl2?2H2O→CaCl2?H2O + H2O（液态）+ 8.4 kJ/mol
CaCl2?H2O→CaCl2 + H2O（液态）+ 15.0 kJ/mol
CaCl2?6H2O完全脱水的总反应方程式：
CaCl2?6H2O→CaCl2 + 6H2O（液态）+ 98.6 kJ/mol
可以计算出，按照上式进行

小11

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