相變材料在建筑墻體中的應(yīng)用分析

胡孝彭,常允艷,郭建軍

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 402160; 2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)

近年來,人們對(duì)美好舒適建筑空間的追求不斷深入,加大了空調(diào)、地暖等設(shè)備的能耗,有超過30%的能耗來自于建筑空間能耗。相變材料(PCM)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢日益凸顯。根據(jù)相變狀態(tài)的不同,PCM可劃分為氣-液、氣-固、固-液和固-固相變材料[1]。以固-液相變材料為例,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),PCM從固相變?yōu)橐合?吸收并貯存能量,隨著環(huán)境溫度的下降,從液相變?yōu)楣滔?前一階段吸收的能量會(huì)釋放出來,實(shí)現(xiàn)了能量供給的“削峰填谷”。將PCM應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu),可以達(dá)到改善居住空間舒適度,減少建筑空間能耗的目的[2],對(duì)我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”和“碳達(dá)峰”的工作目標(biāo)大有裨益。

墻體作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的主體部分,它與相變材料結(jié)合后的熱工性能一直是研究熱點(diǎn)。目前PCM與墻體的結(jié)合方式主要有兩種[3-4],一是以“相變層”的形式布置于墻體內(nèi)部或外側(cè)(夾層法),作為墻體構(gòu)造的一部分,二是將封裝的PCM顆粒(多孔吸附法、微膠囊法等)與傳統(tǒng)建筑材料混合,制備相變建材搭建墻體。涂航等[5]研究了不同太陽輻射強(qiáng)度下PCM層位置對(duì)相變混凝土組合墻體溫度和熱流波動(dòng)的影響,發(fā)現(xiàn)相變材料宜布置于靠近墻體外表面一側(cè),以更好發(fā)揮其熱工性能。樊智軒等[6]研究了PCM層在墻體中的布置方式,提出PCM層的位置對(duì)隔熱效果影響很大,PCM層的位置布局與相變溫度、相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)和蓄放熱持續(xù)時(shí)間等諸多因素相關(guān)。常釗[7]對(duì)比研究了普通墻體與相變墻體的傳熱特性,發(fā)現(xiàn)PCM層越厚,儲(chǔ)熱保溫效果越明顯,PCM層厚度30 mm時(shí),相變墻體的綜合熱工性能最好。Marani等[8]通過研究位于伊朗3個(gè)地區(qū)的相變混凝土墻體的熱工性能,發(fā)現(xiàn)墻體內(nèi)表面溫度下降明顯,降溫幅度超過5℃。Ren等[9]使用三元脂肪酸,制作了陶?；透∈南嘧兓炷?發(fā)現(xiàn)其對(duì)室內(nèi)模型的溫度波動(dòng)調(diào)峰作用顯著,平均降低了6.7℃。丁芳林[10]搭建了相變混凝土試驗(yàn)房,研究發(fā)現(xiàn)相變混凝土可以推遲房間墻體中心內(nèi)側(cè)溫度峰值的出現(xiàn),而對(duì)墻體中心外側(cè)溫度的影響不明顯。Djamai等[11]向混凝土中加入玻璃纖維和PCM制作改性混凝土板,發(fā)現(xiàn)加入PCM提高了混凝土的蓄熱性能,降低了相變混凝土墻體溫差變化速率,不僅可以減少建筑能耗,而且能盡可能削弱大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生。可見,無論以哪種方式在墻體中加入PCM,都可以有效降低房屋能耗,但同時(shí)帶來了墻體材料物理力學(xué)性能降低的問題。研究表明[12-14],PCM摻量的增加,幾乎造成相變混凝土抗壓強(qiáng)度的線性降低。冉真真[15]采用正交試驗(yàn)對(duì)膨脹珍珠巖-碳棒粉末相變混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)相變混凝土的抗壓和抗拉性能都有所降低,最大比例均超過40%。Yang等[16]使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合相變材料制作了相變混凝土,發(fā)現(xiàn)既能滿足承載力要求,又滿足熱工性能要求時(shí),PCM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

為更好地實(shí)現(xiàn)建筑墻體的節(jié)能減排功效,同時(shí)考慮相變材料的成本和相變墻體的熱工性能和力學(xué)性能,通過試驗(yàn)研究微膠囊法和夾層法制備而成的不同形式相變混凝土墻體,對(duì)比分析其傳熱性能和力學(xué)性能,以期為PCM在建筑墻體實(shí)用中提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

作為有機(jī)相變材料,石蠟憑其安全無毒、相變潛熱大、可循環(huán)使用、價(jià)格適宜等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。本次試驗(yàn)選用的石蠟相變溫度為27℃,相變潛熱202 J/g,對(duì)應(yīng)熱性能參數(shù)如表1所示。從工業(yè)廢料中篩選出的粉煤灰漂珠,化學(xué)性能較為穩(wěn)定,不僅表面具有大量微孔隙,而且內(nèi)部包含真空腔體。試驗(yàn)采用真空吸附法[10],在壓差的作用下將液態(tài)石蠟經(jīng)表面微孔進(jìn)入漂珠載體的內(nèi)腔,從而制備出石蠟漂珠基相變微膠囊,此方法既在一定程度上解決了相變材料泄露的問題,又減弱了粉煤灰導(dǎo)致的環(huán)境污染。

表1 試驗(yàn)用石蠟熱性能參數(shù)

本次試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20,依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)確定基準(zhǔn)混凝土配合比為水泥∶砂子∶石子(mc∶ms∶mg)=1∶2.06∶3.08,水灰比w/c=0.54。按照0%、5%、10%、20%的比例,使用制備的相變微膠囊等體積替代普通混凝土中的細(xì)骨料砂子(密度為1 563 kg/m3)。相變混凝土材料配合比如表2所示,相變混凝土墻體構(gòu)造及熱性能測試方案如圖1所示。對(duì)應(yīng)表2中的原材料配合比和圖1尺寸大小,使用定制的模具500 mm×300 mm×100 mm,制作O型、O-Ⅰ型、O-Ⅱ、O-Ⅱ-O型、Ⅲ型5種不同類型的相變混凝土墻體,如圖2所示。

圖1 相變混凝土墻體構(gòu)造及熱性能測試方案

圖2 相變墻體試件

表2 相變混凝土材料配合比設(shè)計(jì) 單位:kg/m3

采用防護(hù)熱板裝置[17]測量相變墻體熱物性,為盡可能減少環(huán)境溫度變化的影響,進(jìn)行熱工性能測試時(shí),將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的相變混凝土墻體模型放入室溫為23℃的恒溫間,再在試驗(yàn)墻體周圍包裹3 cm～5 cm厚的保溫棉。參考本地氣象站獲得的氣候條件歷史數(shù)據(jù),考慮晴好天氣(2022年7月28日0時(shí)—2022年7月30日0時(shí),共計(jì)72 h)的太陽輻射強(qiáng)度,在溫控箱上通過控制器設(shè)定不同時(shí)段的加熱溫度,對(duì)相變墻體(A面)進(jìn)行加熱,在墻體另外一側(cè)(B面)均勻布置6個(gè)T型熱電偶,記錄B面6個(gè)測點(diǎn)的溫度變化,得出不同時(shí)段的測點(diǎn)平均溫度值,具體布置如圖1所示。

為測定相變混凝土的抗壓強(qiáng)度,按照圖1所示的相變混凝土墻體的截面構(gòu)造形式,分層裝入模具振搗密實(shí),制作壓縮試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊,成型24 h后拆模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d,使用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)測定其抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 相變墻體熱工性能對(duì)比分析

結(jié)合表2的相變混凝土材料配合比和圖1墻體構(gòu)造方案可知,理論上,除O型外,其他四種類型的試件中含有相等質(zhì)量的原材料,僅相變層厚度存在差異。圖3為相同摻量下不同相變層厚度墻體的傳熱變化情況,從圖中可以看出,7 h～14 h區(qū)間電熱板加熱溫度不斷升高,11 h前,墻體B面溫度變化不大,之后測點(diǎn)溫度開始攀升,O型墻溫度攀升速率和溫度峰值要高于其他墻體,從材料組成上看,其他墻體中使用相變微膠囊替代了部分細(xì)骨料,相變材料吸收了大量熱,發(fā)生固-液相變現(xiàn)象,降低了其溫度峰值,延緩了熱量向墻體另外一側(cè)的傳遞,證明相變墻體的熱惰性勝于普通混凝土墻體。對(duì)比O-Ⅰ型墻、O-Ⅱ型墻和Ⅲ型墻,三種類型墻體中相變微膠囊摻加量相等,O-Ⅰ型墻相變夾層厚度最小,測點(diǎn)溫升速率0.255℃/h和溫度峰值28.1℃均較大,18 h之前Ⅲ型和O-Ⅱ型墻的溫升速率差別不大,18 h之后O-Ⅱ型墻的溫升速率0.126℃/h,溫度峰值27.4℃,均最小,這很可能是因?yàn)樵诩訜嵘郎剡^程中Ⅲ型墻體中PCM更快達(dá)到相變溫度,石蠟液化,部分孔隙被石蠟填充,熱量傳導(dǎo)從空氣導(dǎo)熱變?yōu)橐簯B(tài)石蠟導(dǎo)熱,而空氣導(dǎo)熱系數(shù)小于石蠟,導(dǎo)致Ⅲ型墻體導(dǎo)熱系數(shù)大于O-Ⅱ型墻。

圖3 不同相變層厚度下墻體的傳熱變化

與O型墻相比,升降溫階段三種不同類型相變墻體的溫升/溫降速率、溫度峰值/谷值以及其延遲時(shí)間如表3所示,O-Ⅰ型墻、O-Ⅱ型墻和Ⅲ型墻B面溫度峰值降幅分別為0.2℃、0.8℃和0.7℃,溫度谷值升幅分別為0.1℃、0.3℃和0.2℃,其溫降速率均低于O型墻,內(nèi)部PCM將吸收的熱量緩慢釋放出來,溫度峰值/谷值出現(xiàn)的延遲時(shí)間基本是0.4 h、2.9 h和1.8 h,O-Ⅱ型墻總體熱工性能表現(xiàn)最為優(yōu)異?？梢?在相同墻體厚度和等量相變材料的情況下,相變層位置分布和厚度的不同,相變材料儲(chǔ)熱性能會(huì)直接表現(xiàn)出時(shí)空差異。本次試驗(yàn)墻體的厚度為100 mm,不同厚度墻體的表現(xiàn)可能存在一定的差異。

表3 不同類型墻體測點(diǎn)平均溫度變化

O-Ⅱ型墻與O-Ⅱ-O型墻的根本區(qū)別在于相變夾層所處位置的不同,O-Ⅱ型墻相變夾層處于墻體內(nèi)側(cè),O-Ⅱ-O型墻相變夾層位于墻體中間。相變夾層置于墻體外側(cè)及中間時(shí),加熱時(shí)將熱量傳遞給相變夾層,一旦達(dá)到相變溫度,PCM開始液化,待夾層相變材料全部液化,熱量繼續(xù)向墻體B面?zhèn)鬟f。圖4為兩類墻體傳熱變化曲線,從圖中可以明顯看出,18 h之前兩者差異不大,18 h之后O-Ⅱ-O型墻升溫速率明顯大于O-Ⅱ型墻,溫度峰值差值0.5℃左右,說明相同摻量和夾層厚度情況下,相變夾層位于墻體內(nèi)側(cè)時(shí)的熱工性能要優(yōu)于墻體中間。

圖4 相變夾層位置對(duì)墻體傳熱變化的影響

2.2 相變混凝土抗壓強(qiáng)度分析

依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)的規(guī)定,對(duì)所有類型的相變混凝土墻體留置的試塊,在相應(yīng)齡期內(nèi)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)過換算得到的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度值如圖5所示,可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大,抗壓強(qiáng)度值均有所提高,但O型混凝土強(qiáng)度值明顯高于其他類型的混凝土強(qiáng)度,3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的最大差值分別為4.4 MPa、6.5 MPa和12.3 MPa,說明無論是混凝土硬化的早期還是后期,PCM的摻入都在一定程度上削弱了其抗壓強(qiáng)度,主要原因是,與被替代的細(xì)骨料相比,摻入的相變微膠囊強(qiáng)度和彈性模量都較低,且在混凝土配制過程中的振搗攪拌等,使得相變微膠囊存在破碎和結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象,其較大的比表面積又要求較高的用水量。

圖5 相變混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度

與O型混凝土相比,28 d齡期時(shí)其他四類相變混凝土抗壓強(qiáng)度分別下降了14.2%、29.8%、41.4%和44.7%,此時(shí)僅有O-Ⅱ型混凝土滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20的要求。可見,探尋出一種能普遍保證混凝土強(qiáng)度要求的新型相變材料至關(guān)重要。若單獨(dú)隔離出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類混凝土,其PCM的摻量依次減小,分別為20%、10%和5%,在相同齡期下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)依次增大。所以,與O類混凝土組合后,同一齡期下O-Ⅱ型混凝土的抗壓強(qiáng)度高于O-Ⅰ型。3 d齡期時(shí)O-Ⅱ型與Ⅲ型混凝土強(qiáng)度僅相差0.5 MPa,7 d齡期時(shí)兩者相差1.5 MPa,28 d齡期時(shí)O類混凝土的強(qiáng)度優(yōu)勢得以發(fā)揮,強(qiáng)度差值接近5 MPa。

3 結(jié) 論

(1) 相同PCM摻量,O-Ⅰ型墻溫升速率和溫度峰值均較大,Ⅲ型墻體導(dǎo)熱系數(shù)大于O-Ⅱ型墻。

(2) 相同PCM摻量和夾層厚度情況下,O-Ⅱ-O型墻升溫速率明顯大于O-Ⅱ型墻,相變夾層位于墻體中間位置時(shí),熱工性能要稍遜一籌,O-Ⅱ型墻熱工性能表現(xiàn)最為優(yōu)異。

(3) 與O型混凝土相比,同一齡期下其他四類相變混凝土抗壓強(qiáng)度均有所降低,同一齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度大小順序?yàn)?O型>O-Ⅱ型>Ⅲ型>O-Ⅱ-O型>O-Ⅰ型,28 d齡期時(shí)僅有O-Ⅱ型混凝土滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求。