基于相變材料在綠色建筑墻體中溫控性能的研究

郭康 張旭 于丹丹 徐海濤 王瑜 華正曉 指導(dǎo)老師：秦 磊（副教授）

（濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，濟(jì)南 250022）

基于相變材料在綠色建筑墻體中溫控性能的研究

郭康 張旭 于丹丹 徐海濤 王瑜 華正曉 指導(dǎo)老師：秦 磊（副教授）

（濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，濟(jì)南 250022）

本項(xiàng)目主要通過研究混合石蠟的物理性質(zhì)及其比例制成一種綠色溫控墻體，既能提高墻體的安全性能又能達(dá)到調(diào)控溫度的效果，該墻體主要將石蠟進(jìn)行優(yōu)化制成囊型顆粒和網(wǎng)板等復(fù)合材料摻加在墻體中，從而促使墻體的溫度敏感性，能夠有一定的自我調(diào)節(jié)作用，達(dá)到室內(nèi)溫度冬暖夏涼的目的。這種材料一旦在人類生活被廣泛應(yīng)用，將成為節(jié)能環(huán)保的最佳綠色載體，必將成為建筑界的一顆明星。

相變材料；石蠟；綠色墻體

0 引言

國外對(duì)相變儲(chǔ)能材料（PCM）的研究工作開始于20世紀(jì) 70年代。我國對(duì)PCM的研究始于20世紀(jì)80年代，如今已將PCM不斷深入應(yīng)用。從應(yīng)用角度來講，相變儲(chǔ)能建筑材料應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：相變潛熱高；相變過程可逆性好；膨脹收縮性??；相變溫度在20℃左右；導(dǎo)熱系數(shù)大；儲(chǔ)熱密度大；無毒、無腐蝕性；成本低、制造方便；與建筑材料相容，可被吸收。

由于石蠟具有價(jià)格便宜、相變溫度 寬且易于控制、相變潛熱大、無毒、無腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定 性好、幾乎無過冷及相分離現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛 應(yīng)用于太陽能熱利用、工業(yè)余熱、服裝、建筑等儲(chǔ)能領(lǐng)域。

本文研究適合夏季使用的混合石蠟的比例，并采用活性炭作為吸附劑對(duì)混合石蠟進(jìn)行吸附精制試驗(yàn)后與膨潤土混合，確定最佳混合比例，以拓寬相變石蠟在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 相變材料的制備

（1）將固態(tài)石蠟和液態(tài)烷烴按以下比例混合，經(jīng)過多次水浴加熱70℃，充分混合并

觀測(cè)各組混合相變材料相變溫度，記錄數(shù)據(jù)。

固液混合石蠟結(jié)果分析：

表1：不同石蠟含量的相變溫度

通過多次實(shí)驗(yàn)得石蠟含量為60%的混合相變材料的相變溫度在30℃左右，適合作夏季相變材料。

（2）活性炭預(yù)處理：將活性炭放入烘箱中，在110℃下烘24h，密封于干燥塔中備用。

吸附方法：用天平稱取56#石蠟30g，放入250mL三頸燒瓶中，在一定溫度下，加入一定量的活性炭，在300r /min轉(zhuǎn)速下攪拌一段時(shí)間抽濾，所得濾液為相變石蠟。

（3）本實(shí)驗(yàn)選取了相變溫度為56度的石蠟，膨潤土（以蒙脫石為主要礦物成分主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和H2O）。并對(duì)相變石蠟混合物與膨潤土進(jìn)行攪拌，制成定形相變材料，通過研究其相變溫度、相變潛熱、均勻性和穩(wěn)定性, 驗(yàn)證其應(yīng)用于墻體中的可行性, 為相變墻體的制備和實(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)。相變材料分別和膨潤土按不同的比例混合制成10種試樣，試樣編號(hào)1 -10，試樣中相變石蠟與膨潤土的比值見下表：

表2：定形相變石蠟試樣

本研究中的相變石蠟和膨潤土的熔點(diǎn)相差較大，把二者按質(zhì)量比配好后，放人不銹鋼容器然后放入電爐中加熱到180℃，當(dāng)混合物全部熔融后，取出用玻璃棒攪拌均勻，放在空氣中降溫，反復(fù)幾次使兩種材料完全混合均勻，制成定形相變材料試樣。

把不同配比的定形相變材料在中午用強(qiáng)太陽光照射觀察定形材料的變化。實(shí)驗(yàn)將試樣分別放到40℃恒溫箱中加熱，然后拿出放在20℃環(huán)境中冷卻，進(jìn)行重復(fù)吸放熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)得5次、10次、20次、30次吸放熱后相變材料的相變潛熱和相變溫度如下圖所示，圖中顯示定形材料的相變潛熱在多次吸放熱之后變化很小，相變溫度在多次吸放熱之后也基本不變，故認(rèn)為石蠟膨潤土定形相變材料的穩(wěn)定性較好。

不同放熱次數(shù)后相變潛熱不同吸放熱次數(shù)后相變溫度

通過對(duì)上述多次吸放熱后的混合物進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：相變石蠟含量為 33%時(shí),石蠟有細(xì)微的滲出, 當(dāng)相變石蠟含量為 36%及其以下時(shí),石蠟明顯滲出, 而相變石蠟含量為 32%時(shí)沒有滲漏。綜合考慮定形相變材料的儲(chǔ)熱能力和使用安全性, 定形材料中相變石蠟含量最佳為32%，六號(hào)定形相變石蠟試樣是合適的。

（4）將定形相變材料切割成塊狀，放入篩子中，噴水至相變材料均沾有水珠，將石灰均勻撒入，來回有規(guī)律晃動(dòng)，至水泥均勻包裹住相變材料，再噴水，撒石灰，晃動(dòng)，重復(fù)進(jìn)行5-6次即可制成下圖所示封裝好的相變材料。

2.2 相變墻體的制備

1）將固體水泥小顆粒直接與混凝土攪拌，澆筑形成相變墻體。

2）在墻體中放置網(wǎng)片狀的相變材料板材，即將已做好的固體水泥顆粒用水泥包裹后按一定比例填充到部分金屬網(wǎng)孔中，并把制作好的金屬網(wǎng)片放置到待澆筑的混凝土模具中，用混凝土進(jìn)行澆筑，使混凝土填充到剩余金屬網(wǎng)孔中。

2.3 溫控性能測(cè)試

將相變墻體和普通墻體試樣立在試驗(yàn)臺(tái)上, 環(huán)境溫度為 12℃左右。用暖風(fēng)機(jī)向兩墻體試樣吹熱風(fēng)使得墻體達(dá)到相同的溫度記錄所需的時(shí)間，再將相變墻體和普通墻體自然降溫至相同的溫度，記錄所需時(shí)間。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

實(shí)驗(yàn)中升高到32℃時(shí)，相變墻體用時(shí)52min，升溫速率0.385℃/min；普通墻體用時(shí)29min，升溫速率0.69℃/min。降溫至28℃時(shí)，相變墻體用時(shí)15min，降溫速率0.267℃/min；普通墻體用時(shí)5min，降溫速率0.8℃/min。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相變墻體具有良好的溫控性能。以下為實(shí)驗(yàn)升降溫普通墻體和相變墻體對(duì)比。

普通墻體升降溫變化

相變墻體升降溫變化

3 結(jié)論

本文采用活性炭吸附后的相變石蠟含量為32%與膨潤土進(jìn)行融合，并用水泥進(jìn)行包裹，通過直接添加或金屬網(wǎng)片固定于墻體中的方式制成相變墻體。所得結(jié)論如下：

1）混合石蠟中石蠟含量為60%的混合相變材料的相變溫度在 30℃左右，適合作夏季相變材料。

2）定形相變材料中石蠟含量為32%時(shí)沒有滲漏。綜合考慮定形相變材料的儲(chǔ)熱能力和使用安全性, 定形材料中混合相變石蠟含量為32%。

3）通過普通墻體與相變墻體升降溫對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相變墻體和普通墻體同時(shí)加熱和冷卻相同時(shí)間，相變墻體溫度變化約為普通墻體的1/2，具有良好的溫控性能。

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