發(fā)泡陶瓷裝配式輕質(zhì)結(jié)構(gòu)相變房的搭建及內(nèi)環(huán)境研究

彭羅文，次恩達(dá)，陳威威，雷強(qiáng)，艾明星，李曉卿，王會(huì)，李建強(qiáng)

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京，100013；2.建研科技股份有限公司，北京 100013；3.中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190）

0 引 言

相變材料是一種能伴隨溫度變化改變自身物質(zhì)狀態(tài)而提供潛熱的物質(zhì)，將相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅可以增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫節(jié)能效率，還可以利用其相態(tài)變化進(jìn)行吸熱或放熱而對(duì)熱能進(jìn)行儲(chǔ)存或釋放，調(diào)控建筑內(nèi)部溫度，提高內(nèi)部環(huán)境的熱舒適性和穩(wěn)定性，從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的[1-4]。

我國從2015年以來陸續(xù)出臺(tái)裝配式建筑規(guī)劃，并從2016年起全面推廣裝配式建筑。整體廚房、整體衛(wèi)浴等集成化程度較高的模塊化部品和裝配式墻體、裝配式吊頂?shù)葮?biāo)準(zhǔn)化程度較高的集成化部品作為裝配式建筑的重要組成部分，得到

越來越廣泛的關(guān)注[5]。發(fā)泡陶瓷板是以工業(yè)固體廢棄物或其他礦物原料為主要原料，摻加少量外加劑和發(fā)泡劑，經(jīng)高溫焙燒發(fā)泡而制成的具有保溫隔熱性能的輕質(zhì)板狀陶瓷制品。發(fā)泡陶瓷材料采用工業(yè)廢渣，符合國家節(jié)能減排政策；而且發(fā)泡陶瓷板綜合性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)較明顯，具有較好的保溫隔熱、防火防水及隔聲效果，具備易于組裝，可以隨意切割等特點(diǎn)，非常適合裝配式建筑。本文以一體化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)干作業(yè)方式搭建了發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房，并從提升建筑材料功能、降低建筑能耗和調(diào)整建筑內(nèi)部環(huán)境舒適度的角度出發(fā)，針對(duì)相變蓄能建筑材料目前普遍存在的滲漏問題、利用率問題、耐久性及適用性問題等，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上將相變材料、鋁蜂窩芯與面板通過粘接材料逐層復(fù)合成相變儲(chǔ)能蜂窩板[6]，然后集成到發(fā)泡陶瓷板上。研究在不同環(huán)境溫度的影響下輕質(zhì)結(jié)構(gòu)相變房的內(nèi)環(huán)境情況，以評(píng)價(jià)其建筑節(jié)能效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水合無機(jī)鹽：無水氯化鈣，氯化鈣含量>96.0%，分析純，中國科學(xué)院過程工程研究所提供；片狀膨脹石墨：50目，青島天和達(dá)石墨有限公司；表面活性劑：OP-10，化學(xué)純，成核劑：SrCl2·6H2O，分析純，西隴化工股份有限公司。

1.2 性能測(cè)試

材料的熱物性參照J(rèn)C/T 2111—2012《建筑材料相變調(diào)溫性能測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，相變儲(chǔ)能板材性能參照J(rèn)C/T 2339—2015《地暖用相變儲(chǔ)能材料及構(gòu)件》進(jìn)行測(cè)試。

1.3 金屬蜂窩調(diào)溫裝飾板的制備

1.3.1 復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備

針對(duì)水合無機(jī)鹽揮發(fā)或分解導(dǎo)致相變材料減少、儲(chǔ)熱能力降低等問題，設(shè)計(jì)利用無機(jī)多孔材料獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的天然吸附性能，結(jié)合水合無機(jī)鹽相變材料制備新型的復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，研究了同體積條件下柱狀活性炭、片狀膨脹石墨、活性氧化鋁球、活性白土、13X分子篩等不同類別的無機(jī)多孔顆粒對(duì)水合無機(jī)鹽相變儲(chǔ)能材料的吸附性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吸附效率由大到小依次為：活性氧化鋁球>片狀膨脹石墨>柱狀活性炭>活性白土>13X分子篩。

經(jīng)過多次儲(chǔ)/放熱循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，活性氧化鋁球、柱狀活性炭等載體在水合無機(jī)鹽相變過程中體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力作用下易發(fā)生破碎，而且儲(chǔ)/放熱循環(huán)越多、時(shí)間越長，破壞現(xiàn)象越明顯。故選用既有較好的吸附效率、又有優(yōu)異的體積穩(wěn)定性的片狀膨脹石墨材料作為無機(jī)吸附材料，制備石墨基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。為提高吸附材料的吸附率和熱穩(wěn)定性，在參考現(xiàn)有制備復(fù)合相變材料方法[1，7-8]的基礎(chǔ)上，利用真空浸漬法制備了具有高導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性的復(fù)合相變材料。這樣在使用過程中復(fù)合相變儲(chǔ)能材料能夠保持形狀相對(duì)固定，無液態(tài)流體生成，可以增強(qiáng)體系的穩(wěn)定性，來緩解水合無機(jī)鹽的揮發(fā)，并降低其對(duì)封閉底材的腐蝕性。其制備過程如下：

（1）將片狀膨脹石墨與制備好的水合無機(jī)鹽混合均勻，在真空烘箱中將其加熱到40℃，保持真空狀態(tài)2 h，使水合無機(jī)鹽充分吸附到膨脹石墨的空隙中，之后將其取出放置于室溫環(huán)境下。

（2）由于XRD顯示水合無機(jī)鹽與膨脹石墨吸附基質(zhì)之間只是簡單的物理吸附，步冷曲線測(cè)試顯示復(fù)合材料的過冷度仍較大。故而向上述步驟（1）制備的復(fù)合定形相變材料中加入一定量的表面活性劑和成核劑，制得過冷度在1.4℃以內(nèi)、導(dǎo)熱系數(shù)為3.523 W/（m·K）的復(fù)合定形相變材料，其相變溫度為26.8~27.7℃，相變潛熱為180.9 kJ/kg。

1.3.2 相變儲(chǔ)能板材的制備

為防止相變材料在使用過程中出現(xiàn)泄漏、揮發(fā)等問題，通過專用設(shè)備將無機(jī)水合鹽形變材料注入鋁蜂窩復(fù)合板的分倉構(gòu)造孔隙中，與面層鋁板、裝飾面板通過逐層復(fù)合技術(shù)最終壓制成型為金屬蜂窩調(diào)溫板。無機(jī)水合鹽相變材料的屬性決定了其對(duì)金屬蜂窩調(diào)溫裝飾板的耐久性具有潛在的危害。為了研究無機(jī)水合鹽對(duì)鋁合金腐蝕的影響，設(shè)計(jì)以3003鋁蜂窩芯為基材，在北京6～8月室外自然條件下以相變溫度分別為52、30、27℃的無機(jī)水合鹽包覆鋁蜂窩芯2個(gè)月后觀察外觀顯微形貌（見圖1）。

圖1 鋁蜂窩芯腐蝕一定時(shí)間后的表面顯微形貌

從圖1可見，由于無機(jī)水合鹽中含有大量的腐蝕性離子，包覆在無機(jī)水合鹽相變材料中2個(gè)月后，鋁蜂窩芯表面都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，而且隨著相變溫度的降低，腐蝕逐漸嚴(yán)重。這種現(xiàn)象說明鋁蜂窩芯的耐蝕性能不僅與無機(jī)水合鹽相變材料中腐蝕性離子的種類和多少有關(guān)，還與無機(jī)水合鹽相變材料的相變溫度有關(guān)，相變溫度越低，相變發(fā)生越頻繁，腐蝕越快。

而常用的相變材料相變溫度都在30℃以下，為了提高金屬蜂窩調(diào)溫裝飾板的使用性能和耐久性，對(duì)鋁蜂窩芯和鋁板表面采取了噴涂防腐涂層的防腐處理方式。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鋁蜂窩芯表面先噴涂1道防腐底漆和1道氟碳樹脂，置于自然條件下相變溫度為27℃左右的無機(jī)水合鹽相變材料24個(gè)月后，掃描電鏡觀察微觀形貌可以看到鋁蜂窩芯表面幾乎未受腐蝕[見圖1（d）]。

綜上，通過選用具有高導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)異熱穩(wěn)定性的石墨基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，并對(duì)鋁蜂窩芯和鋁板表面防腐處理，本實(shí)驗(yàn)制備的金屬蜂窩調(diào)溫裝飾板測(cè)得相變潛熱為1573.8 kJ/m2，經(jīng)過120次耐冷熱循環(huán)，未出現(xiàn)變形、開裂和泄漏現(xiàn)象。

1.4 發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房

本實(shí)驗(yàn)按照制備整體衛(wèi)生間的構(gòu)造形式，采用干法施工、零部件工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組裝的施工工藝搭建了發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房（見圖2），其中發(fā)泡陶瓷板密度為400 kg/m3。

圖2 發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房建筑構(gòu)造

防水底盤構(gòu)造：采用支撐器作為下部支撐，便于內(nèi)部安裝地漏、排水管等。支撐器上部鋪設(shè)發(fā)泡陶瓷板周圈進(jìn)行磨槽處理，用于固定安裝L型翻邊金屬框，該金屬框起到固定地板作用的同時(shí)將地板做成翻邊構(gòu)造，防止房間內(nèi)部水外溢。L型金屬框安裝就位后鋪設(shè)自粘防水層形成結(jié)構(gòu)防水底盤。

墻板間連接構(gòu)造：墻板水平連接采用在板中、下部位各預(yù)埋1根表面與板面平齊無外露的中空套筒，并用緊固膠填充的預(yù)埋連接方案，板上部預(yù)埋螺紋套筒用于組裝過程與頂部連接件的固定及整體結(jié)構(gòu)的加固。

墻板間的裝配方式：墻板間連接采用連接銷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配，裝配過程中套筒內(nèi)孔填充緊固膠用于加固處理，墻板上部采用安裝專用連接件，并通過螺栓進(jìn)行連接裝配。

墻板與防水底盤裝配方式：墻板下部外側(cè)開槽加工，開槽寬度及高度大于防水底盤L型金屬邊框的高度及厚度，當(dāng)整個(gè)墻體安裝就位后形成一個(gè)倒扣的盒體結(jié)構(gòu)安裝在防水底盤中。

墻板安裝就位后在防水層上再鋪設(shè)1層發(fā)泡陶瓷板作為增強(qiáng)層，增強(qiáng)層生產(chǎn)時(shí)可直接復(fù)合瓷磚、大理石等飾面層，地面裝配合格后安裝門窗和其他部品、部件。建成后的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房適用于商場(chǎng)、酒店、學(xué)校、工業(yè)廠房、過渡性設(shè)施、高端別墅以及旅游景區(qū)用房等建筑體系。

1.5 實(shí)驗(yàn)布置

本實(shí)驗(yàn)以北京地區(qū)為例，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房（對(duì)照房）由90 mm厚發(fā)泡陶瓷板搭建，相變房由復(fù)合有金屬蜂窩調(diào)溫裝飾板的同規(guī)格發(fā)泡陶瓷板搭建，實(shí)驗(yàn)房外尺寸均為1200 mm×1400 mm×2200 mm，在南面墻體上分別開有尺寸為1800 mm×530 mm可向外開啟的鋁合金玻璃門（如圖3）。

圖3 相變房和對(duì)照房

發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)結(jié)構(gòu)房搭建完畢后，對(duì)照房在底板、墻板上再復(fù)合一層無相變材料的薄型陶瓷飾面金屬蜂窩復(fù)合板，相變房在底板、墻板上再復(fù)合一層內(nèi)置相變材料的薄型陶瓷飾面金屬蜂窩調(diào)溫裝飾板。此外，對(duì)照房屋頂粘貼8 mmPVC板后抹灰，相變房屋頂粘貼8 mm厚填充有復(fù)合相變材料的PVC板后抹灰。相變房和對(duì)照房內(nèi)部空間、墻體壁面、屋頂面抹灰層及室外都布置有測(cè)溫探頭，便于在試驗(yàn)過程中對(duì)所有房間內(nèi)外部溫度、屋頂溫度等參數(shù)同步進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中測(cè)試房間內(nèi)部溫度的測(cè)溫探頭距離底板約20 cm，測(cè)試室外溫度的測(cè)溫探頭距離水泥地面約20 cm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間從2019年8月下旬至2019年11月下旬，屬于夏末至冬初，晝夜溫差較大，會(huì)出現(xiàn)中午溫度較高、夜間溫度驟降的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中，房間門呈密閉狀態(tài)。

1.6 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了對(duì)房間的熱性能進(jìn)行評(píng)估，選取了時(shí)間延遲（φ）、溫度衰減因子（f）以及熱舒適率（FTC）作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。時(shí)間延遲越大，溫度衰減因子越小，熱舒適率越高，房間的熱性能越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)部外溫度對(duì)比分析

本實(shí)驗(yàn)選取了北京地區(qū)白天氣溫高于27℃的夏末秋初、白天平均氣溫低于27℃但部分時(shí)段在27℃以上的深秋以及白天氣溫在15℃以下的秋末冬初3個(gè)時(shí)間段，記錄相變房和對(duì)照房內(nèi)部環(huán)境溫度以及室外地面溫度。實(shí)驗(yàn)過程溫度對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4 不同時(shí)間段相變房與對(duì)照房內(nèi)環(huán)境溫度以及室外地面溫度對(duì)比

由圖4可知，在氣溫較高的8～10月，白天時(shí)段相變房內(nèi)部溫度明顯低于對(duì)照房內(nèi)部溫度，相變房內(nèi)部最高溫度比對(duì)照房內(nèi)部最高溫度低3~10℃；夜間相變房內(nèi)部溫度高于對(duì)照房內(nèi)部溫度，相變房最低溫度比對(duì)照房最低溫度高2~6℃。這主要是由于相變材料在白天熔化時(shí)可以吸收大量的熱能，而在夜間凝固時(shí)可以釋放出儲(chǔ)存的熱量，這樣可以降低房屋內(nèi)部溫度的波動(dòng)。

由圖4（a）可知，在白天氣溫高于27℃的2019年8月30日至9月5日，室外地面溫度白天時(shí)段明顯高于對(duì)照房和相變房內(nèi)部溫度，夜間明顯低于對(duì)照房和相變房內(nèi)部溫度。

由圖4（b）可知，在白天平均氣溫低于27℃但部分時(shí)段在27℃以上的2019年10月19日至10月23日，室外地面溫度白天時(shí)段明顯高于相變房內(nèi)部溫度卻低于對(duì)照房內(nèi)部溫度，夜間明顯低于對(duì)照房和相變房內(nèi)部溫度。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因在于相變房與對(duì)照房墻體構(gòu)造組成不同。由于保溫性能主要取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，發(fā)泡陶瓷板是一種多孔輕質(zhì)保溫材料，其傳熱系數(shù)為1.12 W/（m2·K），傳熱阻較大，因而其保溫性能較好，屋內(nèi)熱量難以散去。但因?yàn)閺?fù)合薄型陶瓷飾面金屬蜂窩復(fù)合板的發(fā)泡陶瓷對(duì)照房屬于輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，熱穩(wěn)定性較差，隔熱性能較差，易受太陽輻射的影響，內(nèi)表面溫度容易上升，內(nèi)置鋁蜂窩導(dǎo)熱性很好，熱量往對(duì)照房內(nèi)部聚集，所以對(duì)照房內(nèi)部溫度比室外地面溫度高。相變房由于內(nèi)置相變材料而熱容量比較大，使內(nèi)部溫度變化減緩，室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定。

由圖4（c）可知，在氣溫較低的11月，由于所用的相變材料相變溫度高于內(nèi)部溫度，沒有相變焓產(chǎn)生，晚間相變房內(nèi)部溫度與對(duì)照房內(nèi)部溫度沒有明顯的差異，但白天對(duì)照房受太陽輻射的影響更大，發(fā)泡陶瓷板內(nèi)表面溫度容易升得較高，導(dǎo)致對(duì)照房內(nèi)部溫度高于相變房。

2.2 屋頂內(nèi)壁溫度對(duì)比分析

相變房與對(duì)照房內(nèi)部熱環(huán)境的差異不僅體現(xiàn)在房間內(nèi)部溫度的變化，還體現(xiàn)在圍護(hù)板材內(nèi)表面溫度的變化。圖5為2019年8月下旬至9月上旬相變房和對(duì)照房屋頂內(nèi)壁溫度對(duì)比。

從圖5可以看到，溫度低于27℃時(shí)，相變房屋頂內(nèi)壁溫度曲線與對(duì)照房屋頂內(nèi)壁溫度曲線幾乎重合；溫度高于27℃時(shí)，采用了相變材料的相變房屋頂內(nèi)壁峰值溫度低于對(duì)照房屋頂內(nèi)壁溫度?？梢哉J(rèn)為，采用無機(jī)水和鹽相變材料可以增大建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容量，可以有效阻隔和延緩太陽輻射產(chǎn)生的熱量流入建筑內(nèi)部，其機(jī)理是當(dāng)室外熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，不斷被相變物質(zhì)的相變過程（熔化）所吸收。

圖5 相變房和對(duì)照房屋頂內(nèi)表面溫度對(duì)比

2.3 房間熱性能對(duì)比分析

參照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》將舒適溫度范圍定為22~28℃，則圖4（a）對(duì)應(yīng)的對(duì)照房、相變房的FTC分別為34.4%、26.3%，圖4（b）對(duì)應(yīng)的對(duì)照房、相變房的FTC分別為12.1%、21.5%。發(fā)生這一現(xiàn)象的

原因在于所用的相變材料相變點(diǎn)溫度已接近舒適溫度范圍上限，當(dāng)相變房內(nèi)部空氣溫度升高到相變溫度以上時(shí)，相變材料發(fā)揮了蓄熱調(diào)溫效果，使相變房內(nèi)部溫度升高受到一定的抑制；在相變溫度以下時(shí)，相變材料發(fā)揮了釋放熱量的效果，而鋁蜂窩的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于發(fā)泡陶瓷板，故此時(shí)對(duì)相變房熱量往房間內(nèi)傳遞，使相變房內(nèi)部溫度高于對(duì)照房。這實(shí)際上構(gòu)成了一種單向調(diào)溫體系。同時(shí)也說明，要提高建筑的熱舒適率，應(yīng)根據(jù)不同的氣候條件選擇合適的相變溫度的相變材料，并在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中集成具有不同相變溫度的復(fù)合相變材料。

表1為對(duì)照房、對(duì)照房峰值溫度相對(duì)室外地面峰值溫度的時(shí)間延遲和溫度衰減因子。

表1 對(duì)照房、對(duì)照房峰值溫度相對(duì)室外地面峰值溫度的時(shí)間延遲和溫度衰減因子

由表1可知，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱慣性，建筑房間溫度的波動(dòng)幅度與外部溫度波動(dòng)幅度之間存在明顯延遲；另外，相變房溫度波峰時(shí)刻相對(duì)對(duì)照房出現(xiàn)了一定的滯后，可以說相變房內(nèi)部溫度與對(duì)照房相比具有明顯的衰減性和滯后性，所用相變材料起到了良好的調(diào)溫作用。

3 結(jié)論

（1）石墨基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料具有良好的熱穩(wěn)定性和調(diào)溫作用，用發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與之相結(jié)合可以提高建筑物的儲(chǔ)熱能力，調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境。

（2）發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的保溫性能，但熱穩(wěn)定性較差，內(nèi)置鋁蜂窩板后熱量易于往室內(nèi)聚集，構(gòu)成單向傳熱，在鋁蜂窩板中填充石墨基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料后形成單向調(diào)溫建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

（3）發(fā)泡陶瓷輕質(zhì)結(jié)構(gòu)相變房與對(duì)照房相比，具有明顯的衰減性和滯后性，應(yīng)根據(jù)不同的氣候條件選擇相變溫度合適的相變材料，或者在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中集成具有不同相變溫度的相變材料。