儲(chǔ)能墻板制備及性能實(shí)驗(yàn)研究

張愛軍，孫志高，李成浩，王 茂，李翠敏，李 娟

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

儲(chǔ)能墻板制備及性能實(shí)驗(yàn)研究

張愛軍，孫志高，李成浩，王 茂，李翠敏，李 娟

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

利用改性的膨潤土吸附由十四酸（MA）和十六醇（HD）混合而成的共熔相變材料（PCM），制取了膨潤土基復(fù)合相變材料。擴(kuò)散-滲出圈法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等質(zhì)量的相變材料與改性膨潤土混合為最佳質(zhì)量配比，無泄漏現(xiàn)象。把水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、膨潤土基復(fù)合相變材料和水按一定的比例混合制備了儲(chǔ)能墻板，儲(chǔ)能墻板能有效降低墻板表面溫度峰值。添加6%的相變材料墻板儲(chǔ)能效果最好，高溫段的平均溫度比普通墻板降低了3.0℃。

熔融插層；復(fù)合相變材料；儲(chǔ)能墻板

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源供應(yīng)日益緊張。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國建筑能耗占社會(huì)總能耗的40%以上[1]，采暖和空調(diào)占比達(dá)50%左右，建筑節(jié)能已成為建筑行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。相變儲(chǔ)能是指利用相變材料在相變過程中吸收或釋放相變潛熱來儲(chǔ)存能量，具有儲(chǔ)能密度大，相變過程近似等溫，清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)。作為一種節(jié)能技術(shù)，相變儲(chǔ)能正越來越受到人們的關(guān)注[5-7]。

國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)建筑中的儲(chǔ)能節(jié)能技術(shù)已做出了一系列的研究成果。管學(xué)茂等[8]利用熔融插層法和液相插層法，將脂肪酸插層于膨潤土層間，利用XRD、DSC等測試手段對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明，脂肪酸分子被有效包裹在膨潤土納米層間；Frederic等[9]利用高分子聚合物包裹相變材料，制備了復(fù)合相變墻體，夏季典型日的實(shí)驗(yàn)表明，房間最高溫度下降4.2℃，減小了房間內(nèi)各處溫度差；趙之貴等[10]制備了3個(gè)房間模型，分別加入不同相變材料，分析了相變儲(chǔ)能房屋模型的熱平衡過程，認(rèn)為相變房屋與夜間通風(fēng)協(xié)調(diào)，效果更好。本研究利用十四酸和十六醇作為相變材料，制備了儲(chǔ)能墻板，研究了其傳熱性能與溫度調(diào)節(jié)的能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

本實(shí)驗(yàn)將十四酸（MA）和十六醇（HD）按48∶52的質(zhì)量比進(jìn)行配比[11]，得到二元低共熔混合相變材料（PCM），實(shí)驗(yàn)用試劑與儀器見表1和表2。

表 1 主要實(shí)驗(yàn)試劑

表 2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 膨潤土改性及復(fù)合相變材料制備

在燒杯中配制固液比為6%的膨潤土懸浮液，加入0.9%的CTAB，用玻璃棒攪拌分散均勻。將燒杯置于70℃的恒溫水浴中，用攪拌機(jī)攪拌1.5 h，攪拌速度為600 r/min。用蒸餾水對(duì)懸浮液洗滌，用0.1 mol/L AgNO3溶液檢測，直到檢測不出溴離子為止。將沉淀物放在干燥箱中干燥至恒重，研磨后得到有機(jī)改性膨潤土。

將一定質(zhì)量的PCM和有機(jī)改性膨潤土置于密閉容器中混合均勻，放在70℃的干燥箱中加熱，使PCM處于熔融狀態(tài)并保持6～8 h，不斷對(duì)其進(jìn)行攪拌，使其充分融合，得到膨潤土基復(fù)合相變材料。

1.3 儲(chǔ)能墻板制備

利用硬質(zhì)聚氨酯保溫板制作100 mm×100 mm×10 mm的模具，標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿板，其中水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂和水的質(zhì)量比為1∶3∶0.5。制備儲(chǔ)能墻板時(shí)，膨潤土基復(fù)合相變材料替換同等質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砂，具體儲(chǔ)能墻板配比見表3。按照表中配比將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、水、膨潤土基復(fù)合相變材料混合并攪拌均勻，然后將相變水泥砂漿倒入預(yù)先做好的模具中，壓實(shí)制成不同含量相變材料儲(chǔ)能墻板。1天后脫模，將其放置于25℃的干燥箱中養(yǎng)護(hù)，早晚對(duì)其進(jìn)行澆水處理，持續(xù)28 d，見圖1。

表 3 相變水泥墻板配合比

1.4 儲(chǔ)能墻板溫度響應(yīng)測試

利用高低溫交變?cè)囼?yàn)箱模擬夏季室外環(huán)境溫度變化（見圖2），實(shí)驗(yàn)墻板的內(nèi)側(cè)與高低溫交變?cè)囼?yàn)箱接觸，外側(cè)與室內(nèi)環(huán)境接觸，室內(nèi)環(huán)境溫度控制為25℃，箱內(nèi)溫度變化范圍為18～58℃。試驗(yàn)箱具體溫度方案為18℃定溫30 min，再在200 min內(nèi)勻速上升至58℃，在高溫58℃定溫60 min，再在200 min內(nèi)勻速降溫至18℃，保持18℃定溫30 min，共520 min。將實(shí)驗(yàn)過程可分為低溫段、升溫段、高溫段、降溫段四個(gè)過程。通過數(shù)據(jù)采集器分別記錄箱內(nèi)溫度變化和墻板內(nèi)外溫度變化情況，溫度數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min，比較不同相變材料含量墻板的熱性能。

圖 1 相變儲(chǔ)能墻板

圖 2 相變儲(chǔ)能墻板溫度響應(yīng)測試原理圖

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合相變材料最佳配比分析

在制備膨潤土基復(fù)合相變材料過程中，確定相變材料的最佳吸附量，有利于最大程度的發(fā)揮膨潤土基復(fù)合相變材料的蓄熱優(yōu)勢。在筆者的研究中，制備了一系列不同質(zhì)量配比的復(fù)合相變材料，具體為mPCM∶m膨潤土= 7∶3、6∶4、5.5∶4.5、5∶5、4∶6。將制備的膨潤土基復(fù)合相變材料放在60℃的干燥箱中加熱1 h，觀察材料形態(tài)，結(jié)果見表4。

表 4 不同質(zhì)量配比膨潤土基復(fù)合相變材料形態(tài)

由表4可知，前兩組復(fù)合相變材料在加熱1 h后呈固-液態(tài)，表面有相變材料泄露，所以不予考慮。將表中后3組配比的試樣做擴(kuò)散-滲出圈法實(shí)驗(yàn)，檢測相變材料滲出穩(wěn)定性。取等量膨潤土基復(fù)合相變材料放置在濾紙上，再將其放置在干燥箱內(nèi)加熱，溫度設(shè)定為60℃，加熱1 h后，取出試樣并拍照。圖3中（a）和（b）周圍無油印，表明在濾紙作用下，加熱后的相變材料也未滲出，有機(jī)改性膨潤土對(duì)PCM吸附效果良好，而圖3（c）周圍有明顯的油印，表明在加熱過程中，多余的液態(tài)相變材料未被完全吸附而滲出。PCM和有機(jī)改性膨潤土的最佳質(zhì)量配比為mPCM∶m膨潤土=5∶5。

圖3 熱處理后膨潤土基復(fù)合相變材料滲出情況

2.2 相變材料含量對(duì)儲(chǔ)能墻板儲(chǔ)能效果影響分析

圖4是相變材料含量分別為0%、3%、6%和9%儲(chǔ)能墻板的溫度響應(yīng)曲線，表5則是墻板在各個(gè)階段的平均溫度。儲(chǔ)能墻板中復(fù)合相變材料選用相變材料和膨潤土質(zhì)量比為5∶5。通過圖4和表5表明，復(fù)合相變材料含量越高，其控溫效果越明顯，持續(xù)時(shí)間越長。這說明，隨著相變材料含量的增加，負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量也增加，更好的實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)移。隨著復(fù)合相變材料含量的增加，高溫段的平均溫度降低的越明顯。復(fù)合相變材料含量為3%、6%、9%的儲(chǔ)能墻板在高溫段的平均溫度比普通墻板分別降低了2.6、3.0、3.2℃，有效降低了墻板表面高溫段溫度響應(yīng)的峰值。膨潤土基復(fù)合相變材料含量為3%的儲(chǔ)能墻板，在290 min時(shí)，溫度突然升高，從38.0℃升至39.1℃，隨后開始下降，這說明，相變材料含量過低，負(fù)荷量大于相變材料的相變焓，所以相變材料的含量應(yīng)大于3%，當(dāng)相變材料含量超過6%時(shí)，其調(diào)節(jié)能力增加不明顯，所以復(fù)合相變材料的最佳含量為6%。

圖 4 不同相變材料摻量儲(chǔ)能墻板溫度響應(yīng)

表 5 不同相變材料摻量儲(chǔ)能墻板各階段平均溫度

3 結(jié)語

利用十四酸和十六醇混合而成的共熔相變材料為儲(chǔ)能材料，改性膨潤土為基材，采用熔融插層法制備了膨潤土基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。相變材料和改性膨潤土的質(zhì)量配比為5∶5時(shí)，相變過程中沒有發(fā)現(xiàn)液相滲漏的問題，膨潤土吸附性能良好，有效解決了相變材料在儲(chǔ)能過程中的泄漏問題。制備了不同膨潤土基相變材料含量的儲(chǔ)能墻板，隨著相變材料含量的增加，儲(chǔ)能墻板的溫度調(diào)節(jié)能力越明顯，但當(dāng)相變材料的含量超過6%后，其溫度調(diào)節(jié)能力增加不明顯。相變材料含量為6%的儲(chǔ)能墻板在高溫段的平均溫度比普通墻板降低了3.0℃，有效降低了墻板表面溫度響應(yīng)峰值，降低了峰值負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。

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[11]張愛軍，孫志高，蔡偉，等.二元有機(jī)復(fù)合相變材料性能實(shí)驗(yàn)研究[J].化工新型材料，2016，44（7）：127-129.

Preparation and performance of the energy storage wallboard

ZHANG Aijun,SUN Zhigao,LI Chenghao,WANG Mao,LI Cuimin,LI Juan

（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

Composite phase change materials of Myristic acid（MA）and Hexadecanol（HD）combined with the modified bentonite are prepared.The diffusion-seeping circle test results show that the mixture of the equal phase change material（PCM）and modified bentonite is the best quality ratio,and no leakage of PCM is found. Energy storage wallboards are prepared with different contents of cement,normal sand,phase change materials and water.The experimental results show that the composite phase change materials can reduce the peak temperature of wallboard.When the content of the phase change material in wallboard is 6%,the regulating ability of the phase change wallboard is the best,and the average temperature of energy storage wallboard reduces 3.0℃, compared with the ordinary wallboard.

melting intercalation;composite phase change material;energy storage wallboard

TB332

A

2096-3270（2017）01-0047-04

（責(zé)任編輯：經(jīng)朝明）

2016-09-08

江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目資助項(xiàng)目 （16KJA480001）；江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016ZD134）；江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015ZD83）；江蘇省智慧節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2015-06）；蘇州科技大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（SKCX15-029）

張愛軍（1992-），男，江蘇蘇州人，碩士研究生。

孫志高（1966-），男，教授，博士，主要從事節(jié)能與儲(chǔ)能技術(shù)研究，Email：szg.yzu@163.com。