張雪麗，孫偉清，鄭君華

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)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(jié)能減排問題成為了社會各界的焦點研究內(nèi)容。在交通領(lǐng)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(jù)了極大的比重。因此，如何利用先進的技術(shù)手段控制瀝青路面的能耗和碳排放水平，已經(jīng)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(diào)節(jié)與能源存儲方面具有廣泛的應(yīng)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(wěn)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(diào)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(tài)晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，故該類型材料的熱穩(wěn)定性極強且相變焓水平相對較高。根據(jù)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(yīng)伴隨著吸熱與放熱行為共同出現(xiàn)。單位質(zhì)量儲能材料在發(fā)生相轉(zhuǎn)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(yōu)劣的重要指標[2]。將發(fā)生相變反應(yīng)的儲能材料視為能量存儲體系，從數(shù)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(yīng)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(guān)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(shù)，S表示熱能焓值，β表示熱能轉(zhuǎn)化效率。

1.3 相變儲能材料的應(yīng)用

氨酯型固-固儲能材料的最主要應(yīng)用方向就是對相變物質(zhì)的溫度進行調(diào)控。

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

（2）針對大功率電子元件的熱調(diào)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(fā)生界面?zhèn)鳠岬耐瑫r，避免電子元件的儲熱溫度不斷上升。

（3）儲熱節(jié)能設(shè)備。將氨酯型固-固相變儲能材料應(yīng)用于儲熱節(jié)能設(shè)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(diào)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(yīng)傳熱過程中，邊界的溫度或熱流呈現(xiàn)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(nèi)以不同的方式進出物質(zhì)或材料，從而影響物質(zhì)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(shè)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(diào)溫中的性能表現(xiàn)，從而為材料的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用提供更可靠的理論依據(jù)。

2.2 瀝青調(diào)溫過程中的內(nèi)聚能密度

瀝青調(diào)溫過程中的內(nèi)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(diào)節(jié)瀝青溫度的過程中，內(nèi)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變化，而這將導(dǎo)致內(nèi)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(jié)構(gòu)也會變得更加穩(wěn)定，此時內(nèi)聚能密度升高。

對于瀝青調(diào)溫過程中內(nèi)聚能密度的求解參考如下表達式：

式中，f表示調(diào)溫?zé)崮艽鎯?shù)，K?表示內(nèi)聚能作用特征，l→表示相變材料的調(diào)溫向量。

2.3 能量變化規(guī)律

瀝青調(diào)溫的能量變化規(guī)律主要涉及兩個過程：感應(yīng)加熱過程和相變儲能過程。

感應(yīng)加熱過程是一個能量轉(zhuǎn)化的過程。電能通過交變電流形成交變磁場，進而轉(zhuǎn)化為磁能。當這個磁場作用于瀝青時，會在瀝青中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個電流再通過焦耳效應(yīng)將磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使瀝青溫度升高[4]。這個過程的能量轉(zhuǎn)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?yōu)橐合?，吸收熱量；當溫度降低時，相變材料從液相變?yōu)楣滔?，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(guī)律共同決定了瀝青調(diào)溫的效果。通過調(diào)整加熱的磁場分布和相變材料的性能，可以優(yōu)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(jié)論與展望

在研究聚氨酯型固-固相變儲能材料對瀝青調(diào)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(diào)節(jié)方面的作用。通過實驗和分析，得出以下結(jié)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(diào)節(jié)瀝青路面的溫度，減小溫度波動。

（3）與傳統(tǒng)瀝青相比，添加了相變材料的瀝青在熱穩(wěn)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(yōu)化，以滿足不同氣候條件下的溫度調(diào)節(jié)需求。此外，長期耐久性和環(huán)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(diào)溫效果具有積極的影響。但為了更好地在實際工程中應(yīng)用，仍需進行更深入的研究和優(yōu)化。