含相變儲(chǔ)能材料石膏板的物理力學(xué)及熱工性能

李 悅，鮑振洲，謝靜超，秦憲明

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100124北京;2.廈門市宏業(yè)工程建設(shè)技術(shù)有限公司，361012福建廈門)

相對(duì)于普通保溫隔熱材料，復(fù)合相變材料(Composite Phase Change Materials，CPCM)在相變溫度區(qū)間的蓄放熱量大而溫度變化很小，復(fù)合相變材料與石膏結(jié)合制作的石膏基相變儲(chǔ)能構(gòu)件能夠在溫度較高時(shí)吸收熱量，在溫度較低時(shí)釋放熱量，從而很好地維持室內(nèi)溫度的平衡，減小其受室外溫度波動(dòng)的影響，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性［1-4］.導(dǎo)熱系數(shù)是影響含相變儲(chǔ)能材料的構(gòu)件吸放熱時(shí)間和維持室內(nèi)舒適溫度時(shí)間的重要因素.由于復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，影響了其在吸熱和放熱時(shí)的速率［5］，因此，為了提高石膏基相變儲(chǔ)能構(gòu)件的蓄放熱速度，很多研究者［6-9］采用在復(fù)合相變材料中摻加石墨纖維的方法等提高材料的導(dǎo)熱系數(shù).例如，F(xiàn).Frusteri等［8］用熱線法測(cè)試了質(zhì)量組成成分為w(NH4NO3)=37.5%和質(zhì)量組成為58%Mg(NO3)2.6H2O—41%MgCl2.6H2O的共晶混合物的PCM與直徑6.0 μm，長(zhǎng)度0.2～6.0 mm的石墨纖維的混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，建立了混合物導(dǎo)熱系數(shù)和石墨纖維摻量之間的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨纖維長(zhǎng)度為0.2 mm，體積分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，混合物的導(dǎo)熱系數(shù)最大.T.Oya等［9］用赤蘚糖醇與石墨顆粒和鎳顆粒制作了CPCM，通過激光法測(cè)試了其導(dǎo)熱系數(shù).結(jié)果表明，石墨顆粒和鎳顆粒的摻入有效地提高了CPCM的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)膨脹石墨的體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最大，達(dá)到了4.72 W/(m·K).

在CPCM研究基礎(chǔ)上，一些學(xué)者研究了摻加CPCM的石膏構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù).例如，陳則韶等［10］根據(jù)最小熱阻力法則和比等效導(dǎo)熱系數(shù)相等法則，提出了用求復(fù)合材料的等效熱阻及其限區(qū)來確定該復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)的方法，計(jì)算結(jié)果通過與已知實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，吻合良好.Y.P.ZhANG等［11］提出了數(shù)值單元法，用來計(jì)算固體復(fù)合物的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果經(jīng)試驗(yàn)證明精確度較高;肖偉等［12］制備了相變儲(chǔ)能石膏板，通過假設(shè)相變材料顆粒均勻分布在石膏板中，從相變溫度、相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相變石膏板厚度3個(gè)方面對(duì)相變蓄能石膏板的使用進(jìn)行了優(yōu)化.但是，現(xiàn)階段對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的研究集中在材料本身，對(duì)構(gòu)件所處的實(shí)際環(huán)境條件的影響考慮較少.針對(duì)影響導(dǎo)熱系數(shù)大小的因素如CPCM摻量、環(huán)境濕度和環(huán)境溫度等，本文通過正交試驗(yàn)探究了各個(gè)影響因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度以及各影響因素之間的關(guān)系，并對(duì)不同摻量CPCM的石膏板物理力學(xué)性能進(jìn)行了比較.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

石膏，福建廈門產(chǎn)特級(jí)熟石膏，其CaSO4·(H2O)0.5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.1%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為0.51，初凝時(shí)間8 min，終凝時(shí)間15 min;CPCM，石蠟復(fù)合相變材料，相變溫度區(qū)間為15～23℃，相變潛熱為109.9 J/g;減水劑:高性能聚羧酸液態(tài)減水劑，固含量33%，減水率31%;鋼纖維:上海真強(qiáng)纖維有限公司生產(chǎn)鍍銅鋼纖維，直徑0.08～0.13 mm，長(zhǎng)度10 mm.

1.2 試件的配合比及制作工藝

采用不同摻量的鋼纖維來提高導(dǎo)熱系數(shù)，摻入石膏體積分?jǐn)?shù)為0.5%的聚羧酸減水劑以保證料漿澆筑成型所需的流動(dòng)性.CPCM摻量為其在固體拌合物(石膏、CPCM及鋼纖維)中質(zhì)量比，鋼纖維摻量為其體積與試模的體積比.試件的制備采用直接摻入法，試件成型后在20℃室內(nèi)環(huán)境中(相對(duì)濕度60%)養(yǎng)護(hù)24 h后烘干，烘干溫度為70℃，然后在環(huán)境濕度分別為0%、45%、65%、85%條件下養(yǎng)護(hù)3 d后開始測(cè)試.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 拌合物及石膏板物理力學(xué)性能測(cè)試方法

石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間按照GB/T17669.4-1999《建筑石膏凈漿物理性能的測(cè)定》所提供的方法進(jìn)行測(cè)試.抗壓、抗折強(qiáng)度按GB/T 17669.3-1999《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》進(jìn)行，測(cè)試條件為試件成型7 d后的烘干強(qiáng)度.

1.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試

導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法采用《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定——防護(hù)熱板法》(GB10294-2008)，測(cè)試儀器采用沈陽紫微機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CD-DR3030型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，待測(cè)試件尺寸為300 mm(長(zhǎng))×300 mm(寬)×30 mm(厚).

測(cè)試過程為:將在不同環(huán)境濕度下養(yǎng)護(hù)3d的試件密封并冷卻，分別恒溫至相變溫度區(qū)間以下(11.5℃、)、相變溫度區(qū)間之內(nèi)(17.5、20.0、22.5℃)以及相變溫度區(qū)間以上(25、30℃)，迅速移至導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀中，該儀器的防護(hù)箱中加熱板和冷卻板的溫度差保持恒定為5℃，加熱板和冷卻板平均溫度與待測(cè)試件保持一致.如:當(dāng)試件溫度為11.5℃時(shí)，加熱板溫度為14℃，冷卻板溫度為9℃，如表1所示.待導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定值穩(wěn)定后，取4次測(cè)試數(shù)據(jù)平均值作為試件在此溫度情況下的導(dǎo)熱系數(shù).

表1 試件溫度及測(cè)試板溫度℃

正交實(shí)驗(yàn)采用L16(43)的正交實(shí)驗(yàn)表，實(shí)驗(yàn)因素水平如表2所示.

表2 因素水平表%

2 結(jié)果與分析

2.1 材料組成對(duì)物理力學(xué)性能的影響

在檢驗(yàn)人員不變、試樣質(zhì)量均勻、檢驗(yàn)儀器設(shè)備相同的情況下，石膏板強(qiáng)度的檢驗(yàn)值服從正態(tài)分布，同時(shí)組與組的方差相等，且數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，取每組試樣測(cè)試的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果.不同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖1、圖2所示.圖3、圖4表示不同CPCM摻量下，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系.

圖1 抗壓強(qiáng)度與CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系

圖2 抗折強(qiáng)度與CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系

圖3 抗壓強(qiáng)度與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系

圖4 抗折強(qiáng)度與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系

由圖1、2可知，CPCM摻量越大，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度越低，這是由于:CPCM本身強(qiáng)度很低且不能與石膏基材料發(fā)生膠凝反應(yīng)，其在試件中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則試件中起膠凝作用的石膏體積分?jǐn)?shù)就越少，故試件的強(qiáng)度也就越低.由圖3、4可知，構(gòu)件的抗壓和抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增大而增加，這是因?yàn)?鋼纖維均勻地分散于基體石膏中，能夠減小因荷載在基體石膏引起的細(xì)裂縫端部的應(yīng)力集中，從而控制石膏裂縫的擴(kuò)展，并在試件的受力破壞過程中吸收了部分能量，從而提高了試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度［13］;同時(shí)，鋼纖維對(duì)石膏基材料抗彎強(qiáng)度提高效果不如水泥基材料，其原因是石膏界面粘接強(qiáng)度大大低于水泥基材料，二者協(xié)同工作效應(yīng)不顯著.由數(shù)據(jù)可知，CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增大1%，則抗壓強(qiáng)度降低約10%，抗折強(qiáng)度降低約9.5%.

2.2 各因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在檢驗(yàn)人員不變，試樣成型均勻，檢驗(yàn)儀器設(shè)備及檢測(cè)環(huán)境相同的情況下，對(duì)各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)熱系數(shù)值取3次測(cè)試的平均值，測(cè)試、分析結(jié)果如表3，4所示．

從表4的分析結(jié)果可知，對(duì)于不同初始溫度的石膏板，影響其導(dǎo)熱系數(shù)的因素是不同的，此外考察了各單獨(dú)因素對(duì)構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律并進(jìn)行了分析．

2.3CPCM摻量對(duì)石膏基復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響分析

取一組鋼纖維體積分?jǐn)?shù)0%，養(yǎng)護(hù)濕度為45%的構(gòu)件測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)，圖5為CPCM摻量與構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系.

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 CPCM 摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖5可知，隨著CPCM摻量的增加，不同初始溫度構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)均降低.其原因分析如下:假定構(gòu)件中的固體混合均勻，CPCM在石膏構(gòu)件中是均勻分布的非連續(xù)相，多成立方體狀態(tài)，而石膏基體是連續(xù)相，由數(shù)值單元法得到的復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)λ計(jì)算方法為

式中:λ1、λ2分別為CPCM和石膏的導(dǎo)熱系數(shù);w1為CPCM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;ρ1、ρ分別為CPCM和試件的密度，ρ1=660 kg/m3.

表5列出了石膏板初始溫度為11.5℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值.可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果隨著CPCM摻量的增大而減小.比較導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)，二者相差最大值不超過8.2%，說明上述等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法適用于分析摻加相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱系數(shù).此外，其他兩個(gè)初始溫度(17.5、25.0℃)的石膏板導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果規(guī)律與表5中11.5℃的試件規(guī)律相似.

表5 石膏板初始溫度為11.5℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)值

3 鋼纖維和水體積分?jǐn)?shù)對(duì)石膏基復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響分析

圖6表示一組CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%、養(yǎng)護(hù)濕度為45%的構(gòu)件在不同鋼纖維摻量下的導(dǎo)熱系數(shù)變化;圖7表示一組為CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%的構(gòu)件在含水率不同的情況下的導(dǎo)熱系數(shù).

圖6 鋼纖維體積摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖7 含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

從圖6可知，隨著鋼纖維摻量的增加，不同初始溫度的石膏板導(dǎo)熱系數(shù)增加.由圖7可知，隨著構(gòu)件含水率的增大，不同初始溫度的石膏板導(dǎo)熱系數(shù)增大.由Torquato層狀復(fù)合材料熱傳導(dǎo)模型［14］可知，在相變儲(chǔ)能石膏板的傳熱方向，復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)為

式中:ψ1、ψ2分別為鋼纖維(或水的)、石膏的體積分?jǐn)?shù);λ1、λ2分別為鋼纖維(或水的)、石膏的導(dǎo)熱系數(shù).由于鋼纖維的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于石膏和CPCM;另外，隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大，構(gòu)件的含水率增大，水的導(dǎo)熱系數(shù)也遠(yuǎn)高于石膏和CPCM.因此根據(jù)式(1)可知，隨著鋼纖維摻量和構(gòu)件含水率的增大，構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)將增大.

3.1 溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

按照表1方案用穩(wěn)態(tài)方法測(cè)試構(gòu)件在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù).測(cè)試計(jì)算為

通過測(cè)試一組構(gòu)件的含水量0%、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)0.5%，CPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、16.7%、25.0%、33.0%的相變儲(chǔ)能石膏板，來研究各組構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)隨不同初始溫度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖8所示.首先，各構(gòu)件在相變溫度范圍以內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)要高于相變范圍以外的導(dǎo)熱系數(shù)，究其原因，根據(jù)式(2)可知該測(cè)試方法不能從加熱功率中區(qū)分潛熱與顯熱耗熱量，當(dāng)溫度處于相變溫度區(qū)間時(shí)，包含CPCM的石膏基復(fù)合相變材料的吸熱量大，為維持熱平衡，則加熱功率Q增大，當(dāng)溫差(T1-T2)、板厚度d和傳熱面積A不變時(shí)，加熱功率Q越大，導(dǎo)熱系數(shù)λ則越大.另外，存在著適宜的CPCM摻量，在測(cè)試的各組相變構(gòu)件中，相變范圍內(nèi)PCM為25%的相變構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)最大.還有，測(cè)試同一構(gòu)件時(shí)，初始溫度低于相變溫度范圍的導(dǎo)熱系數(shù)要比初始溫度高于相變溫度范圍的導(dǎo)熱系數(shù)小，這是因?yàn)楦哂谙嘧儨囟葧r(shí)，CPCM已經(jīng)轉(zhuǎn)為液態(tài)，相對(duì)于低于相變溫度區(qū)間的固態(tài)CPCM，呈熔融狀態(tài)的PCM分子運(yùn)動(dòng)激烈，吸熱量大，因此導(dǎo)熱系數(shù)比低于相變溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)大.

在建筑儲(chǔ)能構(gòu)件中潛熱的吸收與釋放過程頻繁，本研究把蓄放熱中潛熱的熱量作為導(dǎo)熱系數(shù)的參數(shù)來計(jì)算，可以更加便捷地評(píng)價(jià)相變構(gòu)件的儲(chǔ)能應(yīng)用效果.

圖8 不同溫度區(qū)間導(dǎo)熱系數(shù)的變化

4 結(jié)論

1)試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著CPCM摻量的增大而降低;隨鋼纖維摻量的增大而增加.

2)當(dāng)初始溫度在CPCM相變溫度區(qū)間以下時(shí)，鋼纖維摻量對(duì)構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，CPCM摻量的影響最小;當(dāng)初始溫度在CPCM相變溫度區(qū)間內(nèi)時(shí)，環(huán)境濕度對(duì)構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，CPCM摻量和鋼纖維摻量的影響相似且均較小;當(dāng)初始溫度在CPCM相變溫度區(qū)間以上時(shí)，環(huán)境濕度對(duì)構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，鋼纖維摻量影響次之，CPCM摻量影響較小.

3)鋼纖維摻量和養(yǎng)護(hù)濕度恒定時(shí)，隨著CPCM摻量的增加，不同初始溫度構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)均降低，數(shù)值單元法方法適用于分析摻加相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱系數(shù);CPCM摻量和養(yǎng)護(hù)濕度不變時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，不同初始溫度的石膏板導(dǎo)熱系數(shù)增加;CPCM摻量和鋼纖維摻量不變時(shí)，隨著構(gòu)件含水率的增大，不同初始溫度的石膏板導(dǎo)熱系數(shù)增大.

4)基于穩(wěn)態(tài)測(cè)試的防護(hù)熱板法，各構(gòu)件在CPCM相變溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)要比相變溫度區(qū)間以外的導(dǎo)熱系數(shù)大;對(duì)于同一構(gòu)件，石膏板初始溫度低于相變區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)比初始溫度高于相變區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)小;存在著適宜的CPCM摻量，當(dāng)構(gòu)件的初始溫度處于相變溫度區(qū)間時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最大.

［1］CHAN A L S.Energy and environmental performance of

building facades integrated with phase change material in subtropical Hong Kong［J］.Energy and Buildings，2011，43(10):2947-2955.

［2］KUZNIK F，VIRGONE J.Experimental assessment of a phase change material for wall building use［J］.Applied Energy，2009，86(10):2038-2046.

［3］NEEPER D A.Thermal dynamics of wallboard with latent heat storage［J］.Solar Energy，2000，68(5):393-403.

［4］ZHANG Chengbin，CHEN Yongping，WU Liangyu，et al.Thermal response of brick wall filled with phase change materials(PCM)under fluctuating outdoor temperatures［J］.Energy and Buildings，2011，43(12):3524-3520.

［5］MESALHY O，LAFDI K，ELGAFY A，et al.Numerical study for enhancing the thermal conductivity of phase change material(PCM)storage using high thermal conductivity porous matrix［J］.Energy Conversion and Management，2005，46(6):847-867.

［6］FUKAI J，KANOU M，KODAMA Y，et al.Thermal conductivity enhancement of energy storage media using carbon fibers［J］.Energy Conversion and Management，2000，41(14):1543-1556.

［7］FUKAI J，HAMADA Y，MOROZUMI Y，et al.Effect of carbon-fiber brushes on conductive heat transfer in phase change materials［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2002，45(24):4781-4792.

［8］FRUSTERI F，LEONARDI V，VASTA S，et al.Thermal conductivity measurement of a PCM based storage system containing carbon fibers［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25(11/12):1623-1633.

［9］OYA T，NOMURA T，TSUBOTA M，et al.Thermal conductivity enhancement of erythritol as PCM by using graphite and nickel particles［J］.Applied Thermal Engineering(2012)，doi:10.1016/j.applthermaleng.2012.05.033.

［10］陳則韶，錢軍，葉一火.復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的理論推算［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，4(22):416-424.

［11］ZHANG Yinping，LIANG Xingang.Numerical analysis of elective thermal conductivity of mixed solid materials［J］.Material and Design，1995，16(2):91-95.

［12］肖偉，王馨，張寅平，等.輕質(zhì)建筑中相變蓄能石膏板熱性能研究［J］.建設(shè)科技，2008，(10).84-88.

［13］陳愛玖，王靜，楊粉.鋼纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2012，(4);64-66.

［14］TORQUATO S.Random heterogeneous materials［M］.New York:Springer，2002:134-136.

［15］JIANG Feng，WANG Xin，ZHANG Yinping.A new method to estimate optimal phase change material characteristics in a passive solar room［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(6):2437-2441.