被動式太陽能相變墻體蓄熱特性影響因素研究

王磊

（鄭州大學 西亞斯國際學院，河南 鄭州 451100）

可再生能源的開發(fā)利用對于節(jié)約能源以及可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。太陽能建筑越來越受到關(guān)注，但由于傳統(tǒng)的太陽能建筑受氣候因素的影響較大，極易造成室溫的波動，開發(fā)一種新型的太陽能建筑已成為研究的重點[2]。國內(nèi)外學者對被動式太陽能建筑做了大量研究，閆全英等[3]設計了一種被動式太陽能建筑Trombe墻，通過改變空氣的流動方式從而達到控制溫度的效果；凌浩恕等[4]利用有限差分法對Trombe墻的換熱方式進行了研究；陳紫光等[5]通過對玻璃蓋板以及吸熱器溫度的預測，得到了太陽能穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)絡模型，利用該模型可有效減少太陽能輻射熱在室內(nèi)的傳播；陳超等[6]通過對墻體材料熱物性以及系統(tǒng)的集熱面熱輻射等因素的動態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)墻體夾層加裝吸熱板對墻體的整體吸熱性能影響較小。

隨著太陽能建筑的興起，相變材料在理論創(chuàng)新方面也有了很大的進步。趙金玲等[7]采用聚合法，以石蠟為相變材料，以聚甲基丙烯酸甲酯作為墻體材料，研發(fā)了一種基于季戊四醇四丙烯酸酯的相變微膠囊型定形相變材料，探究了墻體的熱性能及透氣性的變化；陳濱等[8]以SBS等為基體材料，以石蠟為相變材料研發(fā)了一種能夠應用到加熱板中的新型復合定形相變材料，試驗證明該材料能明顯減小室內(nèi)溫度的波動情況。

本研究以膨脹珍珠巖為載體，以石蠟為相變材料，利用多孔無機載體復合法通過調(diào)節(jié)石墨摻量來制備定形相變材料，將定形相變材料與被動式太陽能相結(jié)合，研發(fā)出一種新型相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)。通過試驗論證了該系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)作用，為今后新型太陽能建筑系統(tǒng)的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1 相變材料及儲能砂漿的制備與性能研究

1.1 原材料及主要儀器

由于石蠟化學性質(zhì)穩(wěn)定，相變溫度容易調(diào)節(jié)，在發(fā)生相變時不會出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，所以選定石蠟作為定形相變儲能砂漿的相變材料。膨脹珍珠巖具有無毒、隔熱以及成本低等特點，并且與石蠟有良好的相容性，故選取膨脹珍珠巖作為基體材料。

石蠟：15#，針入度26 mm，工業(yè)級，濟南春祥化工廠。

膨脹珍珠巖：粒徑3～5 mm，信陽鑫富精細膨潤土有限公司。

石墨：粒徑3～6 μm，天津市大茂化學試劑廠。

環(huán)氧樹脂：鳳凰牌，無色透明粘稠液體，揮發(fā)份≤0.5%，環(huán)氧當量 180～200 g/mol，黏度 15～25 Pa·s，無錫藍星樹脂廠。

水泥：P·O42.5，大連小野田水泥廠。

砂：ISO標準砂，廈門艾思歐標準砂有限公司。

擠塑板：斯科特XPS擠塑板，導熱系數(shù)0.035 W/（m·K），天津市擠塑板廠。

混凝土砌塊：抗壓強度4.6 MPa，體積質(zhì)量975 kg/m3，鄭州宇豐全自動砌塊磚機廠。

水泥砌筑砂漿：DPM10粘結(jié)砂漿，28 d抗壓強度10 MPa，28 d收縮率小于0.2%，鄭州春暉建材科技有限公司。

T型粘貼式熱電偶：精度±0.5℃；華誼（HYELEC）MS6252A數(shù)字風速儀：分辨率0.005 m/s，精度±1%；智能型多路溫度巡檢儀：測量范圍大于5℃，精度±0.1℃。

1.2 定形相變材料的制備與性能研究

將膨脹珍珠巖浸泡在熔融態(tài)石蠟中不同時間，恒溫水浴70℃，得到石蠟的吸附量見表1。

表1 石蠟吸附量與浸泡時間的關(guān)系

由表1可見，隨著浸泡時間的延長，定形相變材料質(zhì)量與石蠟吸附量并未發(fā)生太大波動，當浸泡時間超過6 h后，定形相變材料質(zhì)量基本穩(wěn)定在36 g左右，從經(jīng)濟、環(huán)境等方面考慮，選定6 h作為膨脹珍珠巖在石蠟中的最佳浸泡時間。

預先將膨脹珍珠巖進行烘干處理，利用水浴鍋將石墨與石蠟按 m（石墨）∶m（石蠟）=0∶1、0.02∶0.98、0.05∶0.95、0.1∶0.9 的比例混合熔融，然后將烘干的膨脹珍珠巖與熔融態(tài)的石墨石蠟混合物混合，由于摻加石墨有利于石蠟的吸附，故放置1～2 h即可制成定形相變材料。

以未摻石墨的定形相變材料為基準，利用瞬態(tài)熱線法對定形相變材料的導熱系數(shù)進行測試，不同石墨摻量的定形相變材料瞬態(tài)導熱分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同石墨摻量的定形相變材料瞬態(tài)導熱分析結(jié)果

根據(jù)圖1計算可得，石墨摻量為0、2%、5%、10%的定性相變材料的導熱系數(shù)分別為0.252、0.321、0.433、0.454 W/（m·K），即隨著石墨摻量的增加，定形相變材料的導熱系數(shù)也隨之變大，當石墨摻量達到10%時，導熱系數(shù)最大，較未摻石墨的提高了80%。而根據(jù)相關(guān)文獻[9]論述，當石墨摻量到達一定數(shù)值后，會造成定形相變材料潛熱能力的下降。綜合考慮，石墨摻量確定為5%，此時定形相變材料的導熱性能較佳。后續(xù)試驗定形相變材料中均摻5%石墨。

1.3 相變儲能砂漿的制備與性能研究

水泥砂漿的配比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶5.27∶1.16，按 m（定形相變材料）∶m（水泥砂漿）=5∶95、10∶90、15∶85、20∶80、30∶70的比例混合即可制得相變儲能砂漿試件，試件制作后放置在室內(nèi)環(huán)境24 h，待試件成型后放入養(yǎng)護室（溫度20℃，相對濕度90%，下同）分別養(yǎng)護3 d、28 d。相變儲能砂漿強度隨定形相變材料摻量的變化見圖2。

圖2 定形相變材料摻量對相變儲能砂漿強度的影響

由圖2可知，相變儲能砂漿的抗折與抗壓強度隨著定形相變材料摻量的增加而降低。對于抗折強度，當定形相變材料摻量小于20%時，相變儲能砂漿的抗折強度下降較為明顯；摻量超過20%后，相變儲能砂漿的抗折強度趨于穩(wěn)定，基本不再變化。對于抗壓強度，當定形相變材料摻量為30%時，相變儲能砂漿的28 d抗壓強度為11.8 MPa。但在試驗過程中發(fā)現(xiàn)其流動性較差，而定形相變材料摻量越多，相變儲能砂漿的抗壓強度就越低。定形相變材料摻量小于30%的相變儲能砂漿均能滿足要求（一般認為28 d抗壓強度大于9 MPa即可）。

環(huán)氧樹脂具有強度高、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，將其與定形相變材料混合后加入到水泥砂漿中，能夠很好的解決定形相變材料在使用過程中出現(xiàn)的石蠟泄露等問題。將摻5%石墨的定形相變材料與環(huán)氧樹脂、水泥砂漿按m（定形相變材料）∶m（環(huán)氧樹脂）∶m（水泥砂漿）=5∶33∶62、10∶33∶57、15∶33∶52、20∶33∶47、30∶33∶37 的比例混合即可制得環(huán)氧樹脂相變儲能砂漿試件，試件制作后放置在室內(nèi)環(huán)境24 h，待試件成型后放入養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d。摻或未摻環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿抗折及抗壓強度隨定形相變材料摻量的變化見圖3。

圖3 摻與未摻環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿強度隨定形相變材料摻量的變化

由圖3可見，定形相變材料摻量為0～30%時，摻加環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿強度均較未摻環(huán)氧樹脂的有所提高。對于抗折強度，未摻環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿抗折強度隨定形相變材料摻量的變化較??；當定形相變材料摻量為5%時，摻33%環(huán)氧樹脂的抗折強度達到峰值，隨著定形相變材料摻量的增加，抗折強度先降低再提高，在摻量為15%時又出現(xiàn)1個小峰值，其后不斷下降。對于抗壓強度，隨著定形相變材料摻量的增加均呈下降趨勢，且摻或未摻環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿抗壓強度變化趨勢基本保持一致。

2 新型被動式太陽能相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)研究

2.1 試驗房材料

室外搭建一個試驗房，尺寸為6000 mm×1500 mm×2000 mm，2扇門尺寸為850 mm×1650 mm，試驗房中間用擠塑板分隔成普通房和被動式太陽能相變房，墻體有4個200 mm×200 mm的通風口，被動式太陽能相變房南側(cè)安裝陽光板。試驗所用原材料及其性質(zhì)見表2及表3。相變房內(nèi)表面采用相變儲能砂漿，其配比為m（5%石墨摻量的定形相變材料）∶m（環(huán)氧樹脂）∶m（水泥砂漿）=30∶33∶37；相變房外表面采用普通抹面砂漿，其配比為 m（石灰）∶m（砂）=1∶3。

表2 建筑圍護結(jié)構(gòu)材料主要性質(zhì)

表3 透明陽光板的物性參數(shù)

2.2 試驗方法

試驗分夏季通風降溫與冬季采暖2部分。冬季采暖：在普通房與被動式太陽能相變房的相同位置設置測試點，通過記錄測試點溫度的變化，比較相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)對室內(nèi)溫度的影響。夏季通風降溫：相變房南墻橫向與縱向各設置3個測試點，通過對比橫縱向測點溫度的變化規(guī)律，說明相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)對室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)作用。

2.3 冬季測試結(jié)果分析

圖4為冬季普通房與相變房降溫曲線與室內(nèi)溫度的變化曲線。

由圖4（a）可知，被動式太陽能相變房間溫度下降趨勢明顯小于普通房間，說明在室內(nèi)溫度下降過程中，相變房內(nèi)墻表面儲能砂漿層中的定形相變材料將儲存的熱量釋放出來，減緩了溫度下降的速率，提高了室內(nèi)溫度。

圖4 冬季普通房與相變房降溫曲線與室內(nèi)溫度的變化

由圖4（b）可知，普通房間室內(nèi)溫度變化較為平緩，溫度波動范圍不大，說明普通房間的墻體阻斷了太陽輻射熱與室內(nèi)空氣的接觸，使得室溫變化不大；被動式太陽能相變房間室內(nèi)溫度變化較為明顯，溫度波動范圍較大，13：00時左右達到最大值，說明由于相變房間內(nèi)儲能砂漿的作用，促進了熱空氣與室內(nèi)空氣的熱循環(huán)，減少了熱量的流失。

綜上所述，被動式太陽能相變房在冬季能夠明顯減少室內(nèi)熱量的流失，對室內(nèi)溫度起到了很好的調(diào)節(jié)作用。

2.4 夏季測試結(jié)果分析

夏季被動式太陽能相變房室內(nèi)溫度分布見圖5。

由圖5（a）可知，3個測試點橫向溫度隨著時間的推移先升高后降低，在15：00時達到最大值，且距南墻內(nèi)表面越近，溫度變化越明顯，說明在上午時，太陽光直接照射在南墻，熱量在南墻上傳播，距南墻最近的測試點溫度上升速率最大。下午太陽光直接照射在北墻，輻射熱在北墻上傳播，此時距北墻最近的測點溫度上升速度加快，隨著輻射熱的減小，3個測試點溫度都開始下降，距南墻最近的測試點下降速度最快。

圖5 夏季被動式太陽能相變房室內(nèi)溫度分布

由圖5（b）可知，相變房內(nèi)的測試點距地面越高，其縱向溫度就越高，距地面最近的測點由于受到地面冷空氣的影響，使得溫度變化不明顯。

綜上所述，夏季室內(nèi)溫度較高時，由于被動式太陽能集熱蓄熱墻體系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)作用，使得室內(nèi)溫度并未出現(xiàn)較大的波動，避免了室內(nèi)溫度過高現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)語

（1）將石蠟、石墨以及膨脹珍珠巖通過無機載體復合法混合在一起，當石墨摻量為5%時，定形相變材料具有較佳的導熱性能，且石蠟、膨脹珍珠巖以及石墨之間屬于物理作用，不會發(fā)生化學反應，化學穩(wěn)定性較好。

（2）將定形相變材料與水泥砂漿、環(huán)氧樹脂按一定比例混合，制得具有控溫、調(diào)溫功能的相變儲能砂漿。通過對相變儲能砂漿抗折、抗壓強度的研究發(fā)現(xiàn)，隨著定形相變材料摻量的增加，相變儲能砂漿的熱性能也越來越好，最終選定摻量為20%。而摻環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿的強度要明顯高于未摻環(huán)氧樹脂的相變儲能砂漿。

（3）通過試驗驗證了夏、冬兩季被動式太陽能集熱蓄熱墻系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)作用。冬季相變房的夾層空氣與室內(nèi)空氣發(fā)生熱循環(huán)作用，并利用相變儲能砂漿的儲熱功能，通過釋放熱量來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度變化，減少熱量的散失；夏季通過相變儲能砂漿層對室內(nèi)熱量的存儲作用，降低了室內(nèi)溫度，避免了室內(nèi)溫度過高現(xiàn)象的發(fā)生。

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