改性膨潤土復(fù)合相變儲能墻板制備及特性研究

王磊

（鄭州大學(xué) 西亞斯國際學(xué)院建筑學(xué)院，河南 鄭州 451100）

0 引言

相變儲能技術(shù)具有清潔無污染、相變過程近似等溫、儲能密度大等優(yōu)點(diǎn)[1]，有效提高了能源的利用率，已越來越受到社會的關(guān)注[2]。針對建筑中的儲能節(jié)能技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，張建武等[3]將PEG600摻入到水泥砂漿中，對水泥砂漿的導(dǎo)熱性和強(qiáng)度進(jìn)行研究，表明相變材料摻量較少時，對導(dǎo)熱性影響較小，相變材料對水泥砂漿強(qiáng)度影響較大。董超穎等[4]制備了定型相變板和相變石膏板，并對傳熱過程進(jìn)行數(shù)值求解，結(jié)果表明，相變材料對墻板熱響應(yīng)延遲有明顯作用，定型相變板和相變石膏板波動幅度衰減分別為58%和48%。閆全英等[5]結(jié)合北京地區(qū)某建筑物實例，建立了焓法模型，對相變混凝土復(fù)合墻體的傳熱進(jìn)行研究，結(jié)果表明墻體相變層厚度和材料相變溫度對室內(nèi)舒適性影響較大。

通過CTAB對膨潤土進(jìn)行改性并與相變材料PCM相結(jié)合，制備改改性膨潤土吸附相變材料，利用摻混法制備了改性復(fù)合相變材料含量分別為0、2%、5%、8%的儲能墻板，通過模擬實驗探究4種墻板的溫度響應(yīng)，并利用Matlab軟件模擬墻板內(nèi)部傳熱過程[6]，分析不同時刻墻板內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度分布，進(jìn)而探究相變儲能墻板的優(yōu)越性，本研究可為復(fù)合相變儲能墻板的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，有著重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗

1.1 原材料

十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）：分析純，天津市江天技術(shù)有限公司；二元低共熔混合相變材料（PCM）：分析純，上海山浦化工有限公司；硝酸銀溶液：0.1 mol/L；膨潤土：化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；普通硅酸鹽水泥：天津永存水泥有限公司；去離子水：上海展云化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

實驗裝置主要由高低溫交變試驗箱、熱電偶溫度傳感器、計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀等組成。干燥箱：控溫10～250℃，DHG-9070A型；循環(huán)水式真空泵：真空度0.098 MPa，BSA224S型；數(shù)顯電動攪拌機(jī)：0～3000 r/min，D8FOCUS型；電子天平：量程0～220 g，SHZ-D（Ⅲ）型；高低溫交變試驗箱：工作溫度范圍100℃（+150℃）～－70℃，STH/SHL-2P-A型；熱電偶溫度傳感器：溫度采集范圍-200～850℃，DDZ-Ⅱ型；數(shù)據(jù)采集儀：工作溫度范圍200～－80℃，DT82E型。

1.3 膨潤土改性及復(fù)合相變材料制備

在燒杯中加入250 mL去離子水、15 g膨潤土，攪拌均勻，得到6%的懸浮液，加入2.25 g十六烷基三甲基溴化銨，70℃下攪拌反應(yīng)60 min，抽濾、洗滌沉淀物，將沉淀物70℃下干燥6 h，研磨得到有機(jī)改性膨潤土。

將有機(jī)改性膨潤土、PCM置于燒杯中混合均勻，加熱使PCM處于熔融狀態(tài)，不斷攪拌，使其充分融合，制得膨潤土基復(fù)合相變材料。

1.4 復(fù)合相變材料最佳配比確定

在制備改性膨潤土基復(fù)合相變材料過程中，相變材料的含量越高，儲能墻板的蓄熱效果越好，但相變材料含量較高時易發(fā)生滲漏。為最大程度發(fā)揮其蓄熱優(yōu)勢，本文通過制備不同質(zhì)量配比的相變材料，對改性復(fù)合相變材料最佳配比進(jìn)行研究，質(zhì)量配比分別為：m（有機(jī)改性膨潤土）∶m（PCM）=3∶2、1∶1、0.9∶1.1、2∶3、3∶7，將不同質(zhì)量配比的相變材料置于干燥箱 65℃下加熱70 min。不同質(zhì)量配比改性復(fù)合相變材料形態(tài)如表1 所示。其中，m（有機(jī)改性膨潤土）∶m（PCM）=0.9∶1.1、2∶3、3∶7，部分PCM呈液體狀態(tài)，發(fā)生液體滲漏，有機(jī)改性膨潤土和PCM 最佳質(zhì)量配比為 m（有機(jī)改性膨潤土）∶m（PCM）=1∶1。

表1 不同質(zhì)量配比改性復(fù)合相變材料形態(tài)

1.5 儲能板材制備

利用模具制作標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿板，水灰比為0.5，下同，模具尺寸為80 mm×80 mm×20 mm，制備儲能板時，加入不同質(zhì)量的膨潤土基復(fù)合相變材料[m（有機(jī)改性膨潤土）∶m（PCM）=1∶1，下同]，板材配比如表2所示。

表2 復(fù)合相變儲能板配比

將不同配比的膨潤土基復(fù)合相變材料、水、標(biāo)準(zhǔn)砂和水泥混合均勻，倒入模具，24 h后脫模，30℃干燥箱養(yǎng)護(hù)，持續(xù)28 d，制成不同含量膨潤土基復(fù)合相變材料儲能板。復(fù)合相變儲能板的熱工性能參數(shù)如表3所示。

表3 復(fù)合相變儲能板的熱工參數(shù)

1.6 試驗方法

為模擬夏季室外環(huán)境溫度變化規(guī)律，通過高低溫交變試驗箱進(jìn)行試驗[7]，室內(nèi)環(huán)境溫度控制在（25±1.5）℃，高低溫交變試驗箱箱內(nèi)溫度變化范圍為17～59℃，墻板的內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境接觸，外表面與試驗箱直接接觸。試驗箱溫度變化時間550 min，溫度變化過程包括低溫段：17℃定溫40 min；升溫段：210 min內(nèi)勻速上升至59℃；高溫段59℃定溫50 min；降溫段：210 min內(nèi)勻速降溫至17℃，并定溫40 min。為比較不同相變材料含量墻板的熱性能，分別記錄墻板內(nèi)外和箱內(nèi)溫度變化情況，并對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合相變材料含量對儲能板儲能效果影響分析

相變材料含量過高易出現(xiàn)儲能板抗壓強(qiáng)度較低等問題；含量過低不利于實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移和良好的控溫效果。因此，本文分別對4種配比的儲能墻板進(jìn)行測試，探究改性復(fù)合相變材料含量對墻板儲熱性能的影響，不同摻量復(fù)合相變材料的儲能墻板在各個階段的平均溫度如表4所示。

表4 4種墻板各階段平均溫度

由表4可知，隨著復(fù)合相變材料含量的增加，高溫段平均溫度降低的越明顯。

4種不同復(fù)合相變材料含量儲能板的內(nèi)表面溫度響應(yīng)如圖1所示。

圖1 4種不同復(fù)合相變材料含量儲能板的內(nèi)表面溫度

由圖1可以看出，改性復(fù)合相變材料含量越高，控溫持續(xù)時間越長，控溫效果也越明顯。同時負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量隨著改性復(fù)合相變材料含量的增加也在不斷增加，能量的轉(zhuǎn)移效果較好。在高溫段，改性復(fù)合相變材料有效降低了墻板表面高溫段溫度響應(yīng)的峰值，8%、5%、2%改性復(fù)合相變材料含量的儲能板平均溫度比普通板分別降低了3.17、2.97、2.58℃，改性復(fù)合相變材料含量為2%的儲能板，由于改性復(fù)合相變材料含量過低，負(fù)荷量大于相變材料的相變焓，290 min時，溫度突然升高隨后開始下降；改性復(fù)合相變材料含量為8%時，儲能墻板的抗壓強(qiáng)度較弱，不能滿足工程需要。因此，改性復(fù)合相變材料的最佳含量為5%。

2.2 改性膨潤土復(fù)合相變儲能板儲能效果分析

對儲能板表面溫度變化進(jìn)行分析，高低溫箱溫度設(shè)定為17～59℃，取靠近室內(nèi)側(cè)為內(nèi)表面，靠近高低溫箱側(cè)為外表面，在相同工況下，分別繪制4種改性復(fù)合相變材料含量儲能板的內(nèi)表面和外表面的溫度變化曲線，如圖2所示，不同相變材料摻量儲能板內(nèi)外表面溫度響應(yīng)如表5所示。

由圖2可知，在升溫階段、高溫階段和降溫階段，儲能墻板內(nèi)外表面的溫差較大，儲能墻板的內(nèi)表面溫度隨著改性復(fù)合相變材料含量的增加逐漸降低，主要由于改性復(fù)合相變材料起到了調(diào)節(jié)溫度的作用，提高了墻板的儲熱能力。對比分析儲能墻板在升溫階段和降溫階段的內(nèi)表面溫度變化情況可以看出，增加改性復(fù)合相變材料的含量，溫度變化范圍較小，曲線斜率愈加平緩，主要由于儲能墻板的導(dǎo)熱率隨著改性復(fù)合相變材料的加入而逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致通過儲能墻板的熱流減小，降低了儲能墻板的導(dǎo)熱性能。因此，改性復(fù)合相變材料的最佳含量為5%。

圖2 不同改性復(fù)合相變材料含量儲能墻板的內(nèi)外表面溫度變化曲線

表5 4種儲能板內(nèi)外表面溫度響應(yīng)

2.3 相變儲能墻板傳熱數(shù)值分析

2.3.1 模型建立

外部熱流通過墻板時，建筑墻體內(nèi)部相變儲能材料同時進(jìn)行蓄熱和傳熱2個過程，將墻板的傳熱模型簡化為一維傳熱，其控制方程為：

式中：H——相變焓，kJ/kg；T——儲能板溫度，K；λ——儲能板導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Cp——儲能墻板熱容，kJ/（kg·℃）；ρ——儲能墻板密度，kg/m3。

焓法是將焓和溫度作為一個變量，適用相變區(qū)、液相和固相，將相變導(dǎo)熱看作一維、非線性導(dǎo)熱過程，控制方程為：

式中：s表示固態(tài)；m表示熔化過程；l表示液態(tài)。

2.3.2 計算條件

普通墻板摻入改性復(fù)合相變材料后，熱工參數(shù)有所改變，對墻板傳熱數(shù)值計算時，時間長度10 s，墻板厚度為8 mm，對不同墻板取不同的熱工參數(shù)，相變墻板的初始溫度為25℃。

2.3.3 計算結(jié)果

在相同工況下，將改性復(fù)合相變材料含量分別為0、2%、5%、8%的儲能板傳熱數(shù)據(jù)輸入Matlab，模擬板內(nèi)部不同時刻的溫度分布，儲能板厚度均為0.08 m，不同摻量儲能板節(jié)點(diǎn)溫度變化模擬圖，如圖3所示。

由圖3可知，在外界環(huán)境溫度變化時，摻量為0的普通墻板外表面溫度、內(nèi)表面溫度及節(jié)點(diǎn)響應(yīng)溫度均隨時間呈周期性變化。隨著改性復(fù)合相變材料含量的增加，溫度響應(yīng)變慢，主要由于改性復(fù)合相變材料含量的增加導(dǎo)致儲能墻板自身導(dǎo)熱系數(shù)降低，相變初期不同節(jié)點(diǎn)溫度上升遲滯。對比不同相變材料含量的儲能板可知，在整個升溫/降溫的過程中，加入改性復(fù)合相變材料后，對儲能板的節(jié)點(diǎn)降溫/升溫產(chǎn)生了明顯的遲滯作用，升溫階段相變材料含量越高，相變過程持續(xù)時間較長；相變過程結(jié)束后，板內(nèi)表面溫度和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度緩慢升溫，在高溫階段達(dá)到穩(wěn)定，由于改性復(fù)合相變材料的熱容較大；降溫階段相變材料含量越多，降溫速率越平緩，節(jié)點(diǎn)溫度隨墻板外表面溫度降低而不斷降低；當(dāng)表面溫度降低到一定程度時，基本保持不變。

通過模擬可以看出，隨改性復(fù)合相變材料含量的增加，在相變溫度附近控溫效果更加明顯。高溫段墻板響應(yīng)溫度的下降趨勢愈加明顯，改性復(fù)合相變材料含量越多，儲能效果越明顯。將實驗值與模擬值對比，改性復(fù)合相變材料的加入有明顯的轉(zhuǎn)移能量、調(diào)溫的作用，能對墻板內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)溫度的變化起調(diào)節(jié)作用，同時驗證了模擬分析的合理性。

圖3 不同摻量儲能板節(jié)點(diǎn)溫度變化模擬圖

3 結(jié)論

通過CTAB對膨潤土進(jìn)行改性并與相變材料PCM相結(jié)合，制備改性膨潤土吸附相變材料，利用摻混法制備了改性復(fù)合相變材料含量分別為0、2%、5%、8%的儲能板，通過模擬試驗探究4種儲能板的溫度響應(yīng)，并利用Matlab軟件模擬墻板內(nèi)部傳熱過程，分析不同時刻墻板內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度分布，主要得出以下結(jié)論：

（1）改性膨潤土和相變材料的最佳復(fù)配比例為1∶1，具有良好的熱穩(wěn)定性，有效避免了相變材料液相滲漏的問題。

（2）改性復(fù)合相變材料含量越高，墻板的溫度調(diào)節(jié)能力越明顯；在高溫段，相變材料含量為8%、5%、2%的儲能板平均

溫度比普通墻板分別降低了3.3、3.2、2.7℃，綜合應(yīng)用效果，改性復(fù)合相變材料的最佳含量為5%。

（3）將試驗值與模擬值對比，改性復(fù)合相變材料的加入有明顯的轉(zhuǎn)移能量、調(diào)溫的作用，能對墻板內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)溫度的變化起調(diào)節(jié)作用，同時驗證了模擬分析的合理性。

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