一種雙碳節(jié)能相變儲(chǔ)熱材料制備及在高層建筑中的應(yīng)用

摘 要：以十二水磷酸氫二鈉（DHPD）為主要原料制備了相變儲(chǔ)熱材料（DCAPM），并制作相變儲(chǔ)熱墻板，用于高層建筑。對(duì)相變儲(chǔ)熱材料的基礎(chǔ)性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)相變儲(chǔ)熱墻板在高層建筑的應(yīng)用效果進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，多壁碳納米管用量為1%制備的相變儲(chǔ)熱材料性能最佳，此時(shí)相變溫度和相變潛熱分別為35.27 ℃和218.52 J/g，過(guò)冷度約為0.8 ℃，儲(chǔ)熱時(shí)間和放熱時(shí)間分別為1 975 s和1 284 s，完全熱分解后，質(zhì)量損失率為61.47%，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，DCAPM相變材料的儲(chǔ)熱性能并未受到影響，表現(xiàn)出良好的綜合性能。將相變儲(chǔ)熱墻板用于高層建筑，使得室內(nèi)溫度保持在相對(duì)舒適的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：相變材料；節(jié)能環(huán)保；相變墻板；相變儲(chǔ)熱

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）11-0065-04

Preparation and application of dual-carbon energy-savingphase change heat storage material in high-rise buildings

JIA Kun

（Northwest Comprehensive Survey，Design and Research Institute，Xi’an 710003，China）

Abstract：A phase change thermal storage material（DCAPM）was prepared using disodium hydrogen phosphatedodecahydrate（DHPD）as the main raw material，and phase change thermal storage wall panels were made for usein high-rise buildings. The basic properties of phase change heat storage materials were tested，and the applicationeffect of phase change heat storage wall panels in high-rise buildings was studied. The experimental results showedthat the phase change heat storage material prepared with a 1% usage of multi walled carbon nanotubes had the bestperformance. At this time，the phase change temperature and latent heat of the phase change heat storage materialwere 35.27 ℃ and 218.52 J/g，respectively，the undercooling was about 0.8 ℃，the heat storage time and heat re?lease time were 1 975 s and 1 284 s，respectively. After complete thermal decomposition，the mass loss rate was61.47%. After 50 cycles，the heat storage performance of the DCAPW phase change material was not affected，show?ing good overall performance. The use of phase change heat storage wall panels in high-rise buildings has the abilityto store solar energy and regulate room temperature.

Key words：phase change materials；energy conservation and environmental protection；phase change wall panel；phase change heat storage

節(jié)能建筑材料因其可降低能源成本，提升居住舒適度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了世界性的趨勢(shì)，受到了很多人的關(guān)注。目前關(guān)于節(jié)能建筑材料的研究有很多，如制備了一種新型氧化石墨烯/二氧化硅雜化氣凝膠相變材料 [1] 。制備出一種相變潛熱性能和熱穩(wěn)定性良好的新型微膠囊相變復(fù)合節(jié)能材料 [2] 。通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)加工成為保溫建筑材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的最大化利用，為相關(guān)專業(yè)的科研和建筑應(yīng)用提供借鑒 [3] 。總結(jié)了橡塑隔熱節(jié)能材料的種類(lèi)和作用，分析其導(dǎo)熱機(jī)理，給出了材料設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)制，對(duì)未來(lái)重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望 [4] 。以上學(xué)者的研究為節(jié)能材料性能的優(yōu)化提供了一些參考，但目前關(guān)于節(jié)能材料的實(shí)際應(yīng)用還有很多問(wèn)題。基于此，本試驗(yàn)以文獻(xiàn) [5] 論文中的方法為參考，制備了一種新型相變儲(chǔ)熱材料，并將其用于相變儲(chǔ)熱墻板的制作。

1 試驗(yàn)部分

1. 1 材料與設(shè)備

主要材料：十二水磷酸氫二鈉（DHPD），（AR，卓述環(huán)?？萍迹?；羧甲基纖維素鈉（AR，翁江化學(xué)試劑）；三氧化二鋁（AR，捷貴礦產(chǎn)品）；聚乙烯吡咯烷酮（AR，豪坤化工）；多碳納米管（AR，茂果納米科技）。

主要設(shè)備：SU5000型掃描電鏡（譜賽斯科技）；Nexus 670型紅外光譜儀（中科瑞捷）；WRT-124型熱重分析儀（北光宏遠(yuǎn)）；GDSZ-30型恒溫加熱槽（艾瑞德儀器設(shè)備）；DFY-5型低溫恒溫槽（艾瑞德儀器設(shè)備）；HH-1恒溫水浴鍋（元茂儀器）。

1. 2 試驗(yàn)方法相變儲(chǔ)熱材料的制備

（1）按照95.8∶2∶2∶0.2的質(zhì)量比將十二水磷酸氫二鈉（DHPD）、羧甲基纖維素鈉、三氧化二鋁和聚乙烯吡咯烷酮混合，然后在水浴條件下熔化并保溫，水浴溫度和時(shí)間分別為55 ℃和30 min，自然冷卻后得到混合物（DCAP）；

（2）按照一定比例在混合物中添加一定質(zhì)量的多壁碳納米管（MWCNTs），充分?jǐn)嚢? min后恒溫水浴30 min，冷卻至室溫后得到相變儲(chǔ)熱材料（DCAPM），根據(jù)多碳納米管用量的不同，相變儲(chǔ)熱材料分別記為 0.25%DCAPM、0.5%DCAPM、0.75%DCAPM、1%DCAPM和1.25%DCAPM。

1. 3 性能測(cè)試

微觀形貌：通過(guò)掃描電鏡觀察。

紅外光譜：通過(guò)紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試。

相變性能分析：通過(guò)對(duì)相變溫度和相變潛熱的測(cè)定，表征材料的相變性能 [6-7] 。

過(guò)冷度測(cè)試：通過(guò)步冷曲線進(jìn)行表征 [8-9] 。

傳熱性能：通過(guò)恒溫加熱槽和低溫恒溫槽進(jìn)行熔化-冷卻循環(huán)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而表征材料的傳熱性能 [10-11] 。

熱穩(wěn)定性：通過(guò)熱重分析法進(jìn)行表征。

循環(huán)穩(wěn)定性：通過(guò)反復(fù)熔化-冷卻循環(huán)實(shí)驗(yàn)表征材料的循環(huán)穩(wěn)定性 [12-13] 。

2 結(jié)果與討論

2. 1 相變儲(chǔ)熱材料形貌及結(jié)構(gòu)表征

圖1為相變儲(chǔ)熱材料微觀形貌測(cè)試結(jié)果。

由圖1可觀察到，多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)為毛發(fā)狀，細(xì)微的毛發(fā)相互的纏結(jié)，使其容易的發(fā)生團(tuán)聚，但這種特殊的結(jié)構(gòu)可以有效吸附水合鹽，促進(jìn)水合鹽的結(jié)晶。因此，DCAPM的結(jié)構(gòu)為分布均勻的多壁碳納米管上緊密吸附著水合鹽，即水合鹽的有效載體為多壁碳納米管 [14] 。

圖2為相變儲(chǔ)熱材料的紅外光譜測(cè)試結(jié)果。

由圖2可知，在DCAPM材料中包含了其余3種物質(zhì)所有的特征吸收峰，但并沒(méi)有新的特征吸收峰出現(xiàn)，這說(shuō)明原料間不發(fā)生化學(xué)作用，不產(chǎn)生新物質(zhì) [15-16] 。

2. 2 相變性能分析

表1為相變溫度和相變潛熱分析結(jié)果。

由表1可觀察到，DCAP和DCAPM的相變潛熱明顯高于DHPD。這是因?yàn)轸燃谆w維素鈉可明顯增加溶液的粘性，使固體顆?？梢栽谝后w中均勻分散，對(duì)純DHPD的相分離由很好的改善作用，增加了相變有效成分，進(jìn)而增加了材料的相變潛熱[17-18] 。而DCAPM體系內(nèi)存在較大比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管，對(duì)固體顆粒有吸附作用，這就削弱了重力對(duì)固體顆粒的影響。同時(shí)，還可從表1中觀察到，適量的多碳納米管可以很好的抑制體系內(nèi)的相分離現(xiàn)象，但多碳納米管自身不提供潛熱，過(guò)量的多壁碳納米管會(huì)對(duì)體系相變潛熱產(chǎn)生影響 [19-20] 。當(dāng)多壁碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，其相變溫度和相變潛熱分別為35.27 ℃和218.52 J/g。在后續(xù)試驗(yàn)中，均以該摻量的相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行試驗(yàn)。

2. 3 過(guò)冷度測(cè)試

圖3為相變儲(chǔ)熱材料過(guò)冷度測(cè)試結(jié)果。

由圖3可觀察到，DCAPM的過(guò)冷度最低，約為0.8 ℃，其次為DCAP材料，最高為DHPD材料。這是因?yàn)樾魏藙┤趸X進(jìn)入體系后，可在DHPD材料的生長(zhǎng)過(guò)程中提供優(yōu)先沉積的位置，誘發(fā)非均勻成核，降低了DHPD均勻成核的結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力和相變阻力，使得DCAP材料過(guò)冷度有所下降，但在材料熔化過(guò)程中，三氧化二鋁受重力的影響發(fā)生沉淀，無(wú)法完全抑制DHPD的相分離，因此過(guò)冷度雖然有所下降，但下降程度較小。而DCAPM材料中的多壁碳納米管可使三氧化二鋁均勻分布在相變材料內(nèi)，完全抑制材料中的相分離現(xiàn)象，促進(jìn)材料的非均勻成核，使得液、固相間的界面表面能和相變阻力減小，進(jìn)一步降低相變材料的過(guò)冷度，抑制了DHPD的過(guò)冷現(xiàn)象。

2. 4 傳熱性能測(cè)試

圖4為傳熱性能測(cè)試結(jié)果。

由圖4可知，在升溫和降溫過(guò)程中，DCAPM材料的升溫速率和降溫速率明顯高于DHPD材料，且相變平臺(tái)明顯短于DHPD材料。對(duì)材料的儲(chǔ)熱時(shí)間和放熱時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，DCAPM的儲(chǔ)熱時(shí)間和放熱時(shí)間分別為1 975 s和1 284 s，DHPD的儲(chǔ)熱時(shí)間和放熱時(shí)間分別為1 624 s和1 005 s。DCAPM的儲(chǔ)熱時(shí)間和放熱時(shí)間明顯高于DHPD，這說(shuō)明DCAPM材料具備更好的傳熱性能。

2. 5 熱穩(wěn)定性分析

圖5為相變儲(chǔ)熱材料的熱重曲線。

由圖5可知，當(dāng)溫度達(dá)到116 ℃時(shí)，材料質(zhì)量開(kāi)始急劇下降，這是體系內(nèi)結(jié)晶水被蒸發(fā)引起的質(zhì)量變化。當(dāng)溫度達(dá)到350 ℃時(shí)，3種材料的質(zhì)量不再發(fā)生變化，此時(shí)DHPD、DCAP和DCAPM的質(zhì)量損失分別為72.54%、68.58%和61.47%。

2. 6 循環(huán)穩(wěn)定性

圖6為相變儲(chǔ)熱材料循環(huán)曲線。

由圖6可觀察到，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，材料的步冷曲線與第1次循環(huán)的步冷曲線基本重合，升溫過(guò)程和降溫過(guò)程的拐點(diǎn)與相變平臺(tái)也基本保持一致。

2. 7 實(shí)際應(yīng)用效果

2. 7. 1 相變儲(chǔ)熱墻板設(shè)計(jì)

在雙層復(fù)合型水帶中裝入相變材料，然后放入鋁質(zhì)圓管中，相互堆積形成儲(chǔ)熱層，保溫層材料為聚苯乙烯泡沫塑料板，前后通風(fēng)層材料為空心方鋼，上下通風(fēng)口材料為硬質(zhì)木板，玻璃層材料為鋼化玻璃。

按照保溫層、后通風(fēng)層、相變儲(chǔ)熱層、前通風(fēng)層、玻璃層的順序組裝相變層板。

2. 7. 2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

在相變墻板的相應(yīng)位置放置傳感器，然后將墻板用于高層建筑。通過(guò)對(duì)不同天氣條件下室內(nèi)外溫度進(jìn)行測(cè)試，表征相變儲(chǔ)熱墻板的實(shí)際應(yīng)用效果。使 用相變墻板后室內(nèi)外溫度變化見(jiàn)表2。

由表2可知，本試驗(yàn)制備的相變墻板具有較好的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱能力和室溫調(diào)控能力，可以起到很好的溫度調(diào)節(jié)作用，在白天進(jìn)行了集熱和儲(chǔ)熱，在夜間進(jìn)行了散熱，使得室內(nèi)溫度保持在相對(duì)舒適的狀態(tài)，可以在高層建筑中發(fā)揮好的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）DCAPM儲(chǔ)熱相變材料結(jié)構(gòu)為水合鹽吸附在均勻吸附在多壁碳納米管上，多壁碳納米管對(duì)水合鹽的結(jié)晶有促進(jìn)作用；

（2）XRD圖譜表明，DCAPM儲(chǔ)熱相變材料具備所有原料的特征峰，但是并沒(méi)有新的特征峰出現(xiàn)，證明儲(chǔ)熱相變材料間只發(fā)生物理作用；

（3）多壁碳納米管可使三氧化二鋁均勻分布在相變材料內(nèi)，對(duì)相分離現(xiàn)象產(chǎn)生抑制，促進(jìn)材料的非均勻成核，減小液、固相間的界面表面能和相變阻力減小，進(jìn)一步降低相變材料的過(guò)冷度；

（4）DCAPM材料的升溫速率和降溫速率明顯高于DHPD材料，且相變平臺(tái)明顯短于DHPD材料，表現(xiàn)出良好的傳熱性能；

（5）適量的多碳納米管可以很好的抑制體系內(nèi)的相分離現(xiàn)象，增加了相變儲(chǔ)熱材料的相變潛熱，降低了相變溫度，增強(qiáng)其相變性能；

（6）DCAPM中多孔結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管可緊密固定相變材料，增加了加熱過(guò)程材料的脫水難度，增加了材料的熱穩(wěn)定性；

（7）經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，DCAPM相變材料保持著較穩(wěn)定的儲(chǔ)熱效果，循環(huán)穩(wěn)定性良好；

（8）將相變材料用于相變墻板的制作，用于高層建筑時(shí)，可有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，表現(xiàn)出良好的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱能力和室溫調(diào)控能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 謝誠(chéng)，張立. 新型的氣凝膠建筑節(jié)能材料制備及性能[J].粘接，2023，50（1）：66-69.

[2] 姜曉妍，王東，秦冬生. 微膠囊相變節(jié)能材料的制備及性能研究[J]. 化學(xué)工程師，2022，36（12）：21-25.

[3] 張琳. 秸稈節(jié)能材料在保溫建材方面的應(yīng)用研究[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)，2022（6）：43-47.

[4] 楊旭林，雷文武，何建忠，等. 橡塑隔熱節(jié)能材料的應(yīng)用展望[J]. 成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（3）：303-309.

[5] 丁聰. 相變墻板復(fù)合儲(chǔ)能材料的制備與性能研究[D]. 濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2022.

[6] 張新影，王雪，崔彥，等. 建筑節(jié)能用玻纖復(fù)合材料的制備及其性能研究[J]. 功能材料，2023，54（6）：6155-6160.

[7] 王波. 建筑節(jié)能材料在室內(nèi)裝飾工程中的應(yīng)用[J]. 陶瓷，2023（6）：152-155.

[8] 李飛，靳鵬，王旭峰，等. 高發(fā)射率紅外輻射節(jié)能材料的制備及性能研究[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展，2023，42（6）：521-524.

[9] 顧宗保. 建筑與裝飾工程中環(huán)保節(jié)能材料應(yīng)用的幾點(diǎn)思考[J]. 科技資訊，2023，21（5）：86-89.

[10] 張建文. 新型節(jié)能材料在建筑工程施工中的應(yīng)用[J]. 居舍，2023（4）：68-71.

[11] 張亞杰，曾嘉軒，鄭康，等. 表面絕緣兼具高導(dǎo)熱和電磁屏蔽的復(fù)合多層膜的制備與性能研究[J]. 現(xiàn)代化工，2022，42（12）：85-90.

[12] 蘇開(kāi)拓，朱勇，葉超. 絕熱節(jié)能環(huán)保材料在建筑工程中的應(yīng)用[J]. 粘接，2022，49（2）：60-64.

[13] 何欣，楊峰俊. 超高層建筑墻體保溫節(jié)能裝飾材料的應(yīng)用研究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2021，50（5）：84-86.

[14] 劉方寧. 新型節(jié)能材料在裝配式建筑中的研究與應(yīng)用

[J]. 混凝土世界，2021（2）：82-85.

[15] 李立群，張啟志. 房屋建筑材料對(duì)建筑節(jié)能的影響分析

[J]. 粘接，2022，49（5）：174-176.

[16] 沙飛翔，程國(guó)君，唐忠鋒，等. 相變材料微膠囊化封裝技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)世界，2023，64（3）：141-148.

[17] 曾軍，李翔晟，歐陽(yáng)立芳，等. 石蠟/膨脹石墨/碳化硅復(fù)合相變材料的制備及熱性能研究[J]. 化工新型材料，2023，51（4）：115-118.

[18] 蔣達(dá)華，楊昊天，劉景滔，等. 正癸酸/十八醇二元相變材料的熱性能研究[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展，2023，42（2）：168-173.

[19] 馮一帆，蔣思炯，付鑫，等. 儲(chǔ)熱技術(shù)現(xiàn)狀及相變儲(chǔ)熱材料的研究進(jìn)展[J]. 信息記錄材料，2023，24（2）：32-36.

[20] 胡琳娜，徐曉，郝文秀.納米石墨改性二元石蠟/陶粒復(fù)合相變材料制備與熱性能研究[J]. 建筑科學(xué)，2023，39（4）：139-145.