定形相變墻板的制備及其調(diào)溫性能研究

王 賽，孫志高，李 娟

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，建筑空調(diào)系統(tǒng)的能耗越來越高。據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)能耗占據(jù)著全國總能耗的比例高達20%[1]，而且在逐年遞升。相變材料（PCM）在相變時吸收或釋放大量的熱量，是一種綠色環(huán)?？裳h(huán)使用的儲能材料，促進節(jié)能和可再生能源利用技術的發(fā)展[2-4]。近年來，研究人員將相變材料與石膏板、混凝土和保溫材料等建筑墻體材料結合，減少室內(nèi)溫度波動，提高熱舒適性，降低冷熱負荷的峰值，是實現(xiàn)建筑節(jié)能的一種行之有效的解決方案[5-9]。目前相變材料與建筑墻體材料的結合可分為多孔浸漬、宏觀封裝、微膠囊封裝和定形相變材料封裝四種方式[10-11]。

馮國會等[12]通過直接浸漬法制備了脂肪酸相變石膏板并應用于相變墻房間，研究了其熱特性，發(fā)現(xiàn)相變墻房間的室內(nèi)空氣與墻體內(nèi)表面溫差、墻板熱流和室內(nèi)溫度波動均低于普通墻房間。Castell等[13]將石蠟類相變材料板放置于墻體中的多孔磚與保溫材料之間，并進行實驗測試，結果表明，墻體內(nèi)安裝有相變材料的房間內(nèi)最高溫度可降低1℃，而且溫度波動較小，夏季房間電能消耗可減少15%。Ana等[14]將相變溫度為23～25℃的石蠟相變微膠囊以1∶4的比例與水泥砂漿混合后用于墻體內(nèi)壁面并進行了墻體熱性能測試，結果表明相變砂漿墻體最高可使室內(nèi)溫度降低2.6℃。閆全英等[15]通過直接混合法把高密度聚乙烯定形相變材料加入水泥砂漿制備了定形相變墻體，并研究了相變墻體和普通墻體的傳熱性能和力學性能，結果表明定形相變墻體表面溫度和熱流均低于普通墻體，熱流減小量最高可達96%。

選擇月桂酸（LA）/十四醇（TD）復合相變材料為基體，SiO2為載體制備了LA-TD/SiO2定形相變材料，相變溫度為24.81℃，相變潛熱為47.96 J/g。通過直接混合法將定形相變材料與水泥砂漿混合制備了LA-TD/SiO2定形相變墻板，對其熱工性能進行實驗研究。目前國內(nèi)外關于定形相變墻板的文獻多集中于研究相變材料對相變墻板的溫度和熱流的影響，本文將在此基礎上研究相變材料對相變墻板導熱系數(shù)的影響，并分析其影響機理。

1 實驗材料及儀器

實驗所使用的材料及儀器參數(shù)詳見表1。

表1 實驗材料及儀器參數(shù)

2 實驗部分

2.1 定形相變材料制備

采用溶膠-凝膠法，以SiO2為載體材料，LA/TD復合相變材料為基體材料制備了LA-TD/SiO2定形相變材料。具體步驟為：以TEOS為前驅體，ETOH為溶劑，按摩爾比1∶5∶10稱取適量TEOS、ETOH及去離子水置于燒杯，在70℃下超聲分散，同時利用電動攪拌器進行機械攪拌，轉速設定為300 r/min，20 min后滴加少量稀鹽酸調(diào)節(jié)pH到3左右，繼續(xù)分散40 min后得到SiO2溶膠。稱取適量LA-TD（LA-TD與TEOS質量比為1∶2），融化后倒入制備的SiO2溶膠中超聲分散，機械攪拌速率設定為1 500 r/min，20 min后滴加少量NaOH稀溶液調(diào)節(jié)pH為7，繼續(xù)分散40 min后將燒杯置于70℃的恒溫水槽中陳化12 h，用乙醇和蒸餾水反復洗滌后放入70℃的干燥箱中干燥至恒重，得到LA-TD/SiO2定形相變材料。

2.2 相變墻板制備

按質量比1∶3稱取適量水泥與標準砂，加入適量水攪拌均勻后，將水泥砂漿倒入制作好的大小為10 cm×10 cm×1 cm的模具中壓實，24 h后取出，室溫下早晚對其澆水養(yǎng)護，持續(xù)7 d，記為1#（普通墻板）。在墻板制備過程中向水泥與標準砂中添加一定質量的LA-TD/SiO2定形相變材料，即可制備相變墻板，其具體制作過程與普通墻板一樣，制備相變材料含量分別為5%、10%和15%的相變墻板三塊，記為2#、3#和4#，各墻板的質量配比見表2。

2.3 熱響應測試

利用高低溫交變箱模擬夏季室外溫度變化，如圖1所示，箱內(nèi)溫度即室外環(huán)境溫度，控制在18～58℃，具體過程為：（1）降溫至18℃并保持30 min；（2）在3 h內(nèi)升溫至58℃；（3）在58℃保持1 h；（4）在 3 h內(nèi)降溫至 18 ℃；（5）18 ℃保持 30 min，整個實驗過程持續(xù)8 h，室內(nèi)（箱外）溫度約為27℃。利用熱電偶測量實驗過程中各墻板內(nèi)外表面及箱內(nèi)溫度，并用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀記錄下溫度變化，每10 s記錄一組數(shù)據(jù)。利用多通道溫度熱流測試儀測量實驗過程中墻板內(nèi)表面熱流，使熱流板貼緊墻板表面，每5 min記錄一組數(shù)據(jù)。

2.4 導熱系數(shù)測試

制作4組餅狀墻板樣品，水泥、標準砂和相變材料的比例分別對應于1#、2#、3#和4#墻板。利用DRE-Ⅲ導熱系數(shù)測定儀測定各墻板樣品及LA-TD/SiO2定形相變材料的導熱系數(shù)，每組樣品測試5次，選擇方差小于0.05的三組數(shù)據(jù)取平均值。

表2 墻板質量配比

圖1 實驗示意圖

3 結果與討論

3.1 相變材料對墻板熱流的影響

圖2為實驗過程中各墻板內(nèi)表面的熱流響應情況。實驗過程可分為低溫保持段（18℃）、升溫段、高溫保持段（58℃）、降溫段和低溫保持段（18℃）。各墻板在升溫段和降溫段過程中，出現(xiàn)兩次室內(nèi)溫度與墻板內(nèi)部溫度接近的情況，故內(nèi)表面幾乎無熱流通過，圖中表現(xiàn)為熱流接近于0。在第一個零點前和第二個零點后，熱流方向由室內(nèi)到室外，定義為負；在兩個零點之間，熱流方向由室外到室內(nèi)，定義為正。在降溫段和低溫保持段，相變墻板中的相變材料發(fā)生液-固相變，凝固放熱導致相變墻板內(nèi)部溫度下降幅度和速率均低于普通墻板。在升溫段，相變墻板中的相變材料發(fā)生固-液相變，融化吸熱導致相變墻板內(nèi)部溫度上升幅度和速率均低于普通墻板。表現(xiàn)為以下3個方面：（1）相變墻板在低溫保持段由于發(fā)生相變，熱流未出現(xiàn)普通墻板一樣穩(wěn)定的平臺期；（2）在低溫和高溫保持段，通過相變墻板內(nèi)表面的熱流均低于普通墻板，且相變材料的含量越多，通過內(nèi)表面的熱流越低，2#、3#和4#墻板高溫段的平均峰值熱流分別為120.4、103.3 和 90.3 W/m2，相較于 1# 墻板（155.2 W/m2）分別下降了 22.41%、33.44%和 41.80%。 （3）通過相變墻板內(nèi)表面的熱流上升和下降速率均比普通墻板要低，熱流變化且呈現(xiàn)一定的滯后性，且相變材料含量越多，這種現(xiàn)象越明顯。

圖2 墻板內(nèi)表面熱流

3.2 相變材料對墻板調(diào)溫性能的影響

3.2.1 相變墻板內(nèi)表面溫度

圖3為各墻板內(nèi)表面溫度變化曲線。1#墻板在高溫段的平均峰值溫度為45.8℃，2#、3#和4#墻板在高溫段的平均峰值溫度分別為43.2、41.8和40.9℃，分別下降了2.6、4.0和4.9℃。此外，相變墻板較之普通墻板，升降溫速率顯著降低，溫度變化呈現(xiàn)一定的滯后性，且隨著相變材料含量的增加，這種趨勢更加明顯。表明添加相變材料能夠顯著降低墻板內(nèi)表面溫度，從而減小室內(nèi)的溫度波動，提高室內(nèi)的舒適性，相變墻板具有顯著的調(diào)溫性能。

3.2.2相變墻板內(nèi)外表面溫差

比較墻板內(nèi)外表面的溫差可以直觀地體現(xiàn)出相變墻板的調(diào)溫性能。圖4-圖6分別為2#、3#和4#墻板的內(nèi)外表面溫度逐時值，表3列出了各墻板內(nèi)外表面高溫段的平均溫度。從高溫段峰值平均溫度來看，1#墻板的內(nèi)外表面溫差為6.1℃，2#、3#和4#墻板的內(nèi)外表面溫差分別為9.4、11.3和12.5℃，分別提高了54.10%、85.25%和104.92%，表明在室外溫度較高時，由于相變材料的蓄熱能力，相變墻板能有效降低室外通過墻體向室內(nèi)傳遞的熱量，起到隔熱調(diào)溫的作用。

圖3 墻板內(nèi)表面溫度

圖4 2#墻板內(nèi)外表面溫度

圖5 3#墻板內(nèi)外表面溫度

圖6 4#墻板內(nèi)外表面溫度

表3 高溫段墻板內(nèi)外表面溫度 ℃

3.3 相變墻板導熱系數(shù)

圖7為各墻板的導熱系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表4。1#墻板的導熱系數(shù)為 1.098 5 W·m-1·K-1，2#、3# 和 4# 墻板的導熱系數(shù)分別為 0.753 4、0.517 7 和 0.324 6 W·m-1·K-1， 相較于 1# 墻板分別降低了31.42%、52.87%和70.45%，隨著相變材料含量的增加，墻板的導熱系數(shù)呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，導致這一現(xiàn)象的主要原因為：（1）水泥墻板的導熱系數(shù)為1.098 5 W·m-1·K-1，而LA-TD/SiO2定形相變材料的導熱系數(shù)較低，僅為0.261 2 W·m-1·K-1；（2）熱量在墻板中的傳遞主要靠彈性波作用，墻板導熱系數(shù)與其自身密度及孔隙密切相關，墻板內(nèi)部越致密彈性波越容易傳遞，導熱系數(shù)就越大，然而低密度的定形相變材料的加入使得墻板內(nèi)部存在較多的孔隙，大大降低了墻板的密度，從而導致導熱系數(shù)減?。唬?）相變材料本身具有蓄熱能力，在相變過程中吸收熱量而溫度近似保持不變，等效于增大了熱容，降低了墻板的導熱系數(shù)。

圖7 墻板導熱系數(shù)

表4 墻板導熱系數(shù)測量結果

4 結論

通過向水泥砂漿中添加LA-TD/SiO2定形相變材料，制備了具有蓄放熱能力的定形相變墻板，實驗研究了其熱工性能。隨著相變材料含量的增加，定形相變墻板的內(nèi)表面峰值溫度和峰值熱流逐漸降低，導熱系數(shù)不斷減小。相較于普通墻板，15%相變材料含量的定形相變墻板內(nèi)表面峰值溫度最高可降低4.9℃，峰值熱流最高可降低41.80%，墻板的導熱系數(shù)為0.324 6 W·m-1·K-1，下降了70.45%。實驗制備的LA-TD/SiO2定形相變墻板具有一定的蓄放熱能力，可顯著降低墻板的內(nèi)表面溫度，有效減緩墻板的內(nèi)表面升降溫速率，從而減小室內(nèi)溫度波動，提高室內(nèi)舒適性，具有顯著的調(diào)溫性能，在建筑節(jié)能減排領域擁有廣闊的前景。