復(fù)合相變蓄熱材料太陽能通風(fēng)井性能

丁云飛 王元明 吳會軍

摘 要：針對太陽能通風(fēng)井道蓄熱單元的技術(shù)需求，制備了復(fù)合相變蓄熱材料，并將其應(yīng)用于通風(fēng)井壁，建立了基于復(fù)合相變蓄熱材料的太陽能通風(fēng)井測試系統(tǒng)，并測試了其運(yùn)行性能。結(jié)果表明：添加5%碳納米管制備的復(fù)合相變材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.65 W/m·K，是添加前的2.03倍，相變潛熱為107 J/g，是添加前的0.718倍。應(yīng)用上述材料的太陽能通風(fēng)井測試系統(tǒng)在10：00—21：00時段通風(fēng)量為55.0～103.9 m3/h，其中在17：00風(fēng)速和風(fēng)量達(dá)到最大，為良好的自然通風(fēng)提供了保障。

關(guān)鍵詞：相變材料；熱物性；自然通風(fēng)；熱壓

中圖分類號：TK511.2 TU834.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1674-4764（2018）04-0007-06

Abstract：According to the technical requirements of thermal storage unit of solar ventilation shaft， A composite phase change materials were prepared and applied to the ventilation shaft， and a solar ventilation shaft experimental system using composite phase change material was established， and its operation performance was tested. The results showed that the thermal conductivity and the latent heat of the composite phase change material prepared by adding 5wt% carbon nanotubes were 0.65 W/m.K and 107 J/g respectively， and 2.03 times and 0.718 times of that before adding. And outlet air flow of the solar ventilation shaft experimental system using above material were 55 ～ 103.9 m3/h beteewn 10：00 to 21：00， and the time was in 17：00 to the both of maximum value. This provides a guarantee for the natural ventilation.

Keywords：phase change materials； thermophysical property； natural ventilation； thermal pressure

在夏熱冬暖和夏熱冬冷地區(qū)，自然通風(fēng)是改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)能的重要手段，是廣泛應(yīng)用的被動式建筑技術(shù)，然而，風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)不穩(wěn)定，熱壓作用下的自然通風(fēng)依賴室內(nèi)外空氣溫差。通過設(shè)計一種透明結(jié)構(gòu)通風(fēng)井，利用太陽輻射熱加熱井道中的空氣，增加熱壓實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化自然通風(fēng)的效果[1-5]。將相變蓄熱材料粘附在通風(fēng)井壁，蓄存白天的太陽能，晚上則釋放相變潛熱加熱井道中的空氣，實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)的自然通風(fēng)，其中，高性能相變蓄熱材料是應(yīng)用的關(guān)鍵。固固相變材料相變過程中體積變化小，不出現(xiàn)液態(tài)，并且容易與其他材料復(fù)合，因而在中、低溫蓄熱中得到了廣泛的應(yīng)用[6-9]。但是其導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致其蓄/放熱速率受到限制[10-12]。通過制備復(fù)合材料，如在相變材料中添加微米級或者毫米級的金屬填料、碳纖維顆粒、石墨等，可以改善其導(dǎo)熱性能。但這些顆粒大多與相變材料之間存在較大的密度差，在復(fù)合相變材料的制備過程中容易產(chǎn)生沉降，從而降低其穩(wěn)定性[13-16]。根據(jù)太陽能通風(fēng)井壁面蓄熱單元的技術(shù)需求，制備復(fù)合相變材料，對其性能進(jìn)行表征，并應(yīng)用于太陽能通風(fēng)井實(shí)驗裝置，評價自然通風(fēng)效果。

1 蓄熱型太陽能通風(fēng)井

圖1是蓄熱型太陽能通風(fēng)井結(jié)構(gòu)，主要由玻璃蓋板、相變集熱墻和通風(fēng)井道組成，其中，相變材料的性能是其能否正常工作的關(guān)鍵。對相變材料的性能要求包括較高的相變潛熱、較大的熱導(dǎo)率，同時性能穩(wěn)定不分解。

以高分子聚乙二醇（PEG）為基底，添加異氰酸酯（MDI）、十八醇（ODO）及1，4丁二醇（BDO），制備相變材料，為改善其熱導(dǎo)率，添加碳納米管（CNT），制備復(fù)合相變材料。

2 復(fù)合相變材料制備及性能

2.1 材料制備

制備過程：1）預(yù)處理：ODO、PEG在110 ℃條件下真空干燥，除去殘留水份，BDO蒸餾脫水；2）CNT分散：將CNT（多壁，直徑10～20 nm，長度10～30 μm）按不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入到預(yù)處理后的熔融PEG中，如表1所示，以十二苯磺酸鈉作為分散劑，添加0.02 g，超聲震蕩，使CNT均勻分散在熔融PEG中；3）復(fù)合相變材料合成：將MDI滴入上述熔融PEG中，N2保護(hù)，水浴加熱至65 ℃，反應(yīng)1～2 h，再加入預(yù)處理后的BDO和ODO進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)1.5～3 h，將樣品在80 ℃烘箱中干燥固化24 h，得到復(fù)合相變材料，其在相變過程中CNT不沉降，穩(wěn)定性好[17]。

2.2 性能表征

熱導(dǎo)率測試：采用熱常數(shù)分析儀（Hot-Disk，TPS1500，瑞典）；相變溫度及相變潛熱測試：采用差示掃描量熱儀（NETZSCH，STA409PC/PG，德國）。熱重分析：采用熱重分析儀（TGA4000，美國）；紅外光譜分析：采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，NEXUS-670，美國PE公司）。

2.2.1 熱分析 圖2是6個樣品的DSC曲線，由圖可見，1#～6#樣品DSC曲線均出現(xiàn)了一個明顯的相變峰，相變峰值溫度相近，約在60 ℃左右，其中，3#樣品最高為62.8 ℃，6#樣品最低為57.2 ℃。1#～6#樣品中，融化過程溫度最大變化為4%，可見，CNT的添加對相變溫度影響較小。

此外，樣品的相變潛熱隨著CNT含量增加而下降，且趨勢逐漸趨于平緩。6#樣品相變潛熱為107 J/g，比1#樣品降低了28%。

2.2.2 熱導(dǎo)率 表2是各樣品的熱導(dǎo)率值，從表中可以看出，添加CNT后復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率有了顯著的提高。6#樣品熱導(dǎo)率為0.65 W/m·K，比1#樣品提高了103%。進(jìn)一步添加時，熱導(dǎo)率的增加趨勢逐漸減緩，這主要是由于當(dāng)CNT含量增加時，CNT之間會發(fā)生局部團(tuán)聚。

從上述測試結(jié)果可見，6#樣品相變溫度適宜，添加CNT后相變潛熱變化不大，而且熱導(dǎo)率明顯提高，以下對其進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.2.3 熱重 圖3是6#樣品的TG-DTG曲線，從圖中可以看出，6#樣品的熱分解溫度為395.4 ℃，終止溫度為439.3 ℃，最大熱分解速率對應(yīng)的溫度為421.3 ℃，比純PEG提高了12.8 ℃，比1#樣品的最大熱分解速率所對應(yīng)的分解溫度提高了7.9 ℃，且在溫度395 ℃以下范圍內(nèi)樣品的熱穩(wěn)定性能較好，不易揮發(fā)分解，TG曲線和DTG曲線變化一致都保持水平直線，說明在升溫過程中相變材料沒有失重現(xiàn)象，顯示制備的復(fù)合相變材料熱性能很好。

2.2.4 傅里葉紅外變化 圖4為1#和6#樣品的傅里葉變化紅外光譜圖。圖中1#和6#樣品的紅外光譜相似，沒有發(fā)生顯著的變化，即表明CNT的添加沒有影響相變材料的分子結(jié)構(gòu)，二者發(fā)生的僅為物理變化，并沒有新的物質(zhì)生成。

2.2.5 循環(huán)穩(wěn)定性 圖5為6#樣品經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的DSC曲線。經(jīng)過50、100、150、200次循環(huán)后，樣品的峰型未發(fā)生變化，峰位置變化不大。樣品的相變峰值溫度最大變化值為3.1%，相變潛熱的最大變化值為3.4%，顯示添加CNT后樣品在相變過程中熱穩(wěn)定性較好。

3 通風(fēng)井通風(fēng)效果分析

用制備的6#樣品制作相變集熱墻，安裝在太陽能通風(fēng)井壁進(jìn)行實(shí)驗測試。通風(fēng)井道的尺寸為300 mm（L）×130 mm（W）×1 300 mm（H），相變集熱墻下部空氣入口尺寸為300 mm（L）×130 mm（H），玻璃蓋板為4 mm的普通玻璃。集熱墻尺寸為300 mm（L）×50 mm（W）×1 200 mm（H），集熱板外表面涂有吸收率較好的黑色油漆，兩側(cè)和背面貼附35 mm保溫板，防止熱量向室內(nèi)散失。

井道內(nèi)溫度測試系統(tǒng)由熱電偶（T型）和數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34972A）組成；井道出口風(fēng)速采用熱敏風(fēng)速儀（testo 425）測試，井道通風(fēng)量由風(fēng)速及井道截面積計算。實(shí)驗裝置位于廣州，測試日期為2016年8月17—19日，以18日00：00到24：00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 壁面溫度分析

圖6是太陽能通風(fēng)井壁面溫度實(shí)測值，從中可知，隨著室外大氣環(huán)境的溫度上升，通風(fēng)井各壁面的溫度也隨之上升，并在16：00時室外大氣、玻璃表面、集熱面、相變蓄熱材料溫度均達(dá)到最大值，分別為36.6、49.4、59.7、57.1 ℃。集熱面和相變蓄熱材料在14：30—19：30時段溫度均在50 ℃以上，其中最大值出現(xiàn)在16：00，比太陽輻射強(qiáng)度最大值延遲約1 h。

3.2 通道中垂直方向溫度分析

圖7為井道中垂直方向上、中、下3個不同高度下的溫度實(shí)測值，3個測點(diǎn)分別距底面1 200、800、400 mm處。在10：00—21：00時段，井道內(nèi)空氣平均溫度比室外大氣溫度高5～13.7 ℃，最大溫差出現(xiàn)在16：30，并且當(dāng)太陽輻射逐漸減弱甚至消失后的一段時間，相變蓄熱材料繼續(xù)釋放熱量加熱井道中的空氣，為自然通風(fēng)提供了較大的熱壓差。井道垂直方向上3個測點(diǎn)的溫度在整個測試過程中都比集熱面的溫度低。在21：00之后，由于相變蓄熱材料放熱量的減少，井道內(nèi)外溫差逐漸減小，并在凌晨4：00—6：00時，達(dá)到最低，此時井道內(nèi)的平均溫度與室外溫差約為3.0 ℃左右。

在垂直方向上的溫度變化依次為：通道上部>通道中部>通道下部。這說明在通風(fēng)井工作時，井道中的空氣溫度主要受集熱面的影響，接近集熱面的空氣被加熱后向上運(yùn)動，在井道垂直方向形成溫度差，上部和中部的溫度比下部的溫度高。在10：00—21：00時段，通道上部與通道下部溫差約為1.0～3.0 ℃。

3.3 通風(fēng)井的通風(fēng)量

圖8是太陽能通風(fēng)井風(fēng)量值，在10：00—21：00時段，井道出風(fēng)口處的風(fēng)速為0.4～0.74 m/s，風(fēng)量為55.0～103.9 m3/h，其中在17：00風(fēng)速和風(fēng)量達(dá)到最大值。21：00之后，風(fēng)速逐漸降低至0.25～035 m/s之間（風(fēng)量約為35～50 m3/h），并且通風(fēng)量的變化趨勢與集熱面溫度的變化趨于一致。當(dāng)白天太陽輻射增強(qiáng)時，集熱面得熱量隨之增大，吸收的熱量增加，用來加熱通道內(nèi)空氣的熱量增大，通風(fēng)井道中空氣的溫度升高，井道內(nèi)外熱壓差也逐漸增大，從而在井道中形成了較強(qiáng)的“煙囪效應(yīng)”。

4 結(jié)論

根據(jù)太陽能通風(fēng)井蓄熱單元的技術(shù)需求，制備了含5%的CNT復(fù)合相變蓄熱材料，其樣品的熱導(dǎo)率為0.65 W/m·K，相變潛熱為107 J/g，樣品經(jīng)多次循環(huán)后相變溫度和相變潛熱衰減較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性；將制備的復(fù)合相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽能通風(fēng)井實(shí)驗系統(tǒng)，在10：00—21：00時段，自然通風(fēng)量為55.0～103.9 m3/h，具有良好的自然通風(fēng)效果。

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（編輯 胡玲）