相變儲(chǔ)能材料在建筑外墻中的應(yīng)用技術(shù)研究

摘 要：針對(duì)當(dāng)前建筑領(lǐng)域能耗高、外墻隔熱性能不足等問(wèn)題，系統(tǒng)研究相變儲(chǔ)能材料在建筑外墻中的應(yīng)用技術(shù)。研究分析相變儲(chǔ)能材料的特性、分類及其性能要求，重點(diǎn)探討微膠囊化、浸漬復(fù)合和直接摻入等制備工藝。開(kāi)發(fā)相變儲(chǔ)能保溫板、蓄能砂漿等建筑外墻應(yīng)用產(chǎn)品，并詳細(xì)闡述其在外保溫、內(nèi)保溫、涂層、幕墻和通風(fēng)系統(tǒng)這五種外墻形式中的應(yīng)用技術(shù)。研究表明，相變儲(chǔ)能材料可有效提升建筑外墻的儲(chǔ)能調(diào)溫性能，顯著改善建筑熱工性能。

關(guān)鍵詞：相變儲(chǔ)能材料；建筑外墻；微膠囊化；儲(chǔ)能特性；應(yīng)用技術(shù)

1 前言

隨著建筑節(jié)能要求的不斷提高，傳統(tǒng)建筑外墻材料已難以滿足建筑熱工性能的需求。相變儲(chǔ)能材料憑借其優(yōu)異的儲(chǔ)能特性和溫度調(diào)節(jié)能力，在建筑節(jié)能領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變儲(chǔ)能材料的制備工藝及其在建筑中的應(yīng)用進(jìn)行大量研究，但在工程實(shí)踐中仍面臨諸多技術(shù)難題。深入研究相變儲(chǔ)能材料在建筑外墻中的應(yīng)用技術(shù)，對(duì)提高建筑節(jié)能效果、改善室內(nèi)熱環(huán)境具有重要意義。

2相變儲(chǔ)能材料的特性分析

2.1相變儲(chǔ)能材料的分類及選擇

相變儲(chǔ)能材料根據(jù)相變類型可分為固-固、固-液和液-氣三類。在建筑外墻應(yīng)用中，主要采用固-液相變材料，包括無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類。無(wú)機(jī)相變材料主要是水合鹽類，如水合氯化鈣（CaCl2·6H2O）和水合硫酸鈉（Na2SO4·10H2O），具有較高的相變潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，但存在過(guò)冷和相分離問(wèn)題 [1]。有機(jī)相變材料包括烷烴類、脂肪酸類和醇類，其中正十六烷、正十八烷等直鏈烷烴因熔點(diǎn)適中（18℃～28℃）、相變潛熱大（200～250 kJ/kg）、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用于建筑外墻。此外，共晶型相變材料通過(guò)調(diào)節(jié)組分配比可實(shí)現(xiàn)相變溫度的精確控制，為建筑節(jié)能提供新的選擇。

2.2相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能機(jī)理

相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能過(guò)程基于材料在相變過(guò)程中吸收或釋放潛熱的原理。當(dāng)環(huán)境溫度升高到材料的相變溫度時(shí)，材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收大量熱量；當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放儲(chǔ)存的熱量。以正十八烷為例，其在相變過(guò)程中的潛熱高達(dá)244 kJ/kg，遠(yuǎn)大于普通建筑材料的顯熱容量。在分子層面，相變過(guò)程涉及分子間作用力的變化，固態(tài)時(shí)分子排列規(guī)則，分子間作用力強(qiáng)；液態(tài)時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間距增大。這種可逆的相變過(guò)程使材料能夠不斷吸收和釋放熱量，從而調(diào)節(jié)建筑外墻溫度。

2.3相變儲(chǔ)能材料的性能要求

相變儲(chǔ)能材料在建筑外墻中的應(yīng)用需滿足嚴(yán)格的性能要求。相變溫度應(yīng)與建筑所在地區(qū)的氣候特征相匹配，一般選擇與室內(nèi)舒適溫度相近的材料；相變潛熱應(yīng)不低于120 kJ/kg，以確保足夠的儲(chǔ)能效果；導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)適中（0.2～0.5 W/m·K），過(guò)高會(huì)降低保溫效果，過(guò)低會(huì)影響儲(chǔ)能速率。材料還需具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在經(jīng)過(guò)反復(fù)相變循環(huán)后，性能衰減應(yīng)小于5%；體積變化率應(yīng)控制在10%以內(nèi)，以避免對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成損害。此外，材料應(yīng)無(wú)毒、防火、耐候，滿足建筑安全性要求，燃燒性能應(yīng)達(dá)到B1級(jí)及以上。

3相變儲(chǔ)能材料的制備工藝研究

3.1微膠囊化技術(shù)

采用原位聚合法制備相變微膠囊，將正十八烷作為芯材，三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂作為殼材。制備過(guò)程中，通過(guò)控制乳化速率2000 r/min、乳化時(shí)間30 min、核殼比3：1，獲得粒徑均一的乳液。pH值調(diào)節(jié)為8.5～9.0，升溫至85℃，加入三聚氰胺-甲醛預(yù)聚物進(jìn)行縮聚反應(yīng)。通過(guò)調(diào)控縮聚時(shí)間120 min、固化溫度75℃，制得粒徑在5 μm～8 μm之間的相變微膠囊，包覆率達(dá)到92%。經(jīng)掃描電鏡觀察，微膠囊呈規(guī)則球形，殼層完整致密[2]。通過(guò)改進(jìn)乳化工藝，添加十二烷基硫酸鈉作為乳化劑，可提高微膠囊的機(jī)械強(qiáng)度，使其承受水泥漿體攪拌而不破損，保證在建筑材料中的應(yīng)用效果。

3.2浸漬復(fù)合技術(shù)

設(shè)計(jì)真空壓力浸漬裝置，包括真空泵、壓力室和溫控系統(tǒng)。將輕質(zhì)骨料在105℃下干燥24 h后，置于壓力室中抽真空至-0.09 MPa，保持30 min，使骨料內(nèi)部氣體排出。將溫度調(diào)節(jié)至60℃的液態(tài)相變材料（正十六烷）注入壓力室，施加0.8 MPa壓力持續(xù)2 h，使相變材料充分滲入骨料孔隙。通過(guò)優(yōu)化浸漬工藝參數(shù)，輕質(zhì)骨料的相變材料負(fù)載率達(dá)到32%。為防止相變材料泄漏，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)浸漬后的骨料進(jìn)行表面改性處理，在骨料表面形成疏水保護(hù)層。改性后的相變儲(chǔ)能骨料摻入砂漿中，表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)能效果和穩(wěn)定性。

3.3直接摻入技術(shù)

針對(duì)直接摻入法中相變材料易泄漏的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)相變材料改性技術(shù)。將十八烷基三乙氧基硅烷作為改性劑，按質(zhì)量比2%與相變材料混合，在70℃下攪拌反應(yīng)4 h，使相變材料表面形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。改性后的相變材料與水泥基材料的相容性顯著提高，滲漏率降低至0.5%及以下。在混合攪拌過(guò)程中，通過(guò)分步加入法控制攪拌速度為60 r/min，并采用減水劑調(diào)節(jié)材料流動(dòng)性，確保相變材料均勻分散。試驗(yàn)表明，改性相變材料的摻量以6%為宜，此時(shí)建筑外墻材料導(dǎo)熱系數(shù)降低25%，儲(chǔ)能效果最佳。

4相變儲(chǔ)能材料在建筑外墻中的應(yīng)用技術(shù)

4.1相變儲(chǔ)能保溫板制備技術(shù)

采用擠出成型工藝制備相變儲(chǔ)能保溫板，選用高密度聚乙烯作為基體材料，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的微膠囊化正十八烷。在雙螺桿擠出機(jī)中，將料筒溫度設(shè)定為165℃、螺桿轉(zhuǎn)速為80 r/min，通過(guò)調(diào)控螺桿組合形式優(yōu)化剪切分散效果。為提高保溫板的導(dǎo)熱性能，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的碳納米管，并通過(guò)超聲分散技術(shù)實(shí)現(xiàn)其均勻分布[3]。擠出成型后的保溫板規(guī)格為600 mm×1200 mm×50 mm，表觀密度為42 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.032 W/（m·K）。通過(guò)在保溫板表面覆蓋2 mm厚的玻纖網(wǎng)格布，并噴涂改性硅樹(shù)脂乳液，顯著提升保溫板的抗壓強(qiáng)度和耐候性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，相變儲(chǔ)能保溫板安裝24個(gè)月后，儲(chǔ)能效果衰減不超過(guò)8%，外墻系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)提升控制在5%以內(nèi)，展現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

4.2相變儲(chǔ)能砂漿開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

當(dāng)前，開(kāi)發(fā)了一種雙組份相變儲(chǔ)能砂漿系統(tǒng)，由干粉料和液體料組成。干粉料中包含普通硅酸鹽水泥、粒徑為0.15 mm～0.6 mm的沸石顆粒、粒徑級(jí)配優(yōu)化的輕質(zhì)骨料；液體料由丙烯酸乳液、相變?nèi)橐汉吞砑觿┙M成。在施工現(xiàn)場(chǎng)按質(zhì)量比4：1混合，攪拌時(shí)間控制在3 min～5 min。為確保施工質(zhì)量，砂漿的稠度控制在70±5 mm，初凝時(shí)間不少于5 h。如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)施工采用分層噴涂法，每層厚度控制在8 mm～12 mm，兩層之間間隔4 h，最終形成20 mm～25 mm厚的儲(chǔ)能層。在外墻應(yīng)用中，采用專用固定錨栓，錨固深度不小于25 mm，間距控制在400 mm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，相變儲(chǔ)能砂漿層使外墻表面最高溫度降低8.2℃，內(nèi)表面溫度波動(dòng)減小62%，室內(nèi)空調(diào)能耗降低21.3%。

5相變儲(chǔ)能材料在建筑外墻中的應(yīng)用形式

5.1外墻外保溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

外墻外保溫系統(tǒng)采用30 mm～80 mm厚的相變儲(chǔ)能保溫板，與墻體通過(guò)專用粘結(jié)劑連接。施工工序包括：基層表面清理處理，采用專用界面劑進(jìn)行基層處理；保溫板粘貼采用“點(diǎn)框法”，四周涂抹粘結(jié)砂漿，中間為“W”形布點(diǎn)，粘結(jié)面積≥70%；板材錯(cuò)縫拼接，接縫寬度控制在2 mm內(nèi)。門窗洞口、陽(yáng)角等特殊部位使用“L”形切割[4]。每平方米設(shè)置4～6個(gè)塑料膨脹錨栓，錨固深度≥40 mm；面層抹灰采用耐堿玻纖網(wǎng)格布，壓入1：2.5水泥砂漿，網(wǎng)格布搭接寬度≥100 mm；飾面層選用彈性涂料，提供防水和裝飾效果。

由此，系統(tǒng)構(gòu)造從內(nèi)到外依次為：基層墻體、界面層、粘結(jié)層、相變儲(chǔ)能保溫板、抹面層（含網(wǎng)格布）、飾面層。

5.2外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

相變儲(chǔ)能石膏板內(nèi)保溫系統(tǒng)主要應(yīng)用于既有建筑節(jié)能改造工程。施工時(shí)，先對(duì)原有墻面進(jìn)行找平處理，確?；鶎悠秸绕钚∮? mm/2 m。采用12 mm厚的相變儲(chǔ)能石膏板，使用專用龍骨固定安裝。龍骨間距控制在400 mm，與基層墻面之間留設(shè)20 mm厚的空氣層。石膏板接縫處采用V型槽口，填充專用嵌縫膏并覆蓋自粘性玻纖帶。板面螺釘間距300 mm，釘頭壓入板面1 mm以內(nèi)。為防止冷凝水損壞內(nèi)保溫系統(tǒng)，在石膏板外側(cè)加貼0.12 mm厚的聚乙烯膜作為防潮層。施工完成后，采用凈味內(nèi)墻涂料作為飾面層。

5.3外墻涂層系統(tǒng)中的應(yīng)用

相變儲(chǔ)能功能涂料系統(tǒng)采用多道工序施工工藝。對(duì)基層進(jìn)行處理，鏟除浮漿和起殼部分，對(duì)裂縫進(jìn)行V形開(kāi)槽并嵌填彈性密封膠。隨后涂刷丙烯酸酯乳液作為底漆，提高基層與功能涂料的粘結(jié)強(qiáng)度。相變儲(chǔ)能功能涂料采用無(wú)氣噴涂設(shè)備施工，噴涂壓力控制在0.4 MPa～0.5 MPa，噴嘴與墻面距離保持30 cm。第一道噴涂厚度0.4 mm，養(yǎng)護(hù)2 h后進(jìn)行第二道噴涂，總厚度控制在0.8 mm～1.0 mm。最后噴涂具有自清潔功能的納米二氧化鈦面漆。

5.4外墻幕墻系統(tǒng)中的應(yīng)用

相變儲(chǔ)能玻璃幕墻系統(tǒng)主要應(yīng)用于高層辦公建筑。采用雙層中空玻璃結(jié)構(gòu)，外層為6 mm厚的低輻射鍍膜鋼化玻璃，內(nèi)層為6mm厚的普通鋼化玻璃，中間設(shè)置12 mm厚的相變材料層[5]。幕墻豎向主龍骨采用鋁合金型材，斷面為100 mm×50 mm，橫向次龍骨采用80 mm×50 mm規(guī)格。玻璃與框架之間采用EPDM橡膠條密封，四周邊框采用斷熱鋁合金型材。為防止相變材料泄漏，在復(fù)合玻璃四周采用雙道硅酮密封膠封邊。

5.5外墻通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

相變儲(chǔ)能通風(fēng)墻系統(tǒng)采用雙層墻體設(shè)計(jì)，內(nèi)外墻之間形成50 mm～80 mm寬的通風(fēng)層。外層采用20 mm厚的相變儲(chǔ)能板，由微膠囊化相變材料與水泥基材料復(fù)合制成。板材通過(guò)不銹鋼掛件固定在L型角鋼骨架上，板縫采用10 mm寬的明縫設(shè)計(jì)。通風(fēng)層底部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，頂部設(shè)置排風(fēng)口，可根據(jù)季節(jié)需求調(diào)節(jié)開(kāi)啟面積。夏季夜間利用自然通風(fēng)帶走儲(chǔ)存的熱量，冬季白天則可關(guān)閉通風(fēng)層形成溫室效應(yīng)。

6結(jié)論

研究通過(guò)系統(tǒng)分析相變儲(chǔ)能材料的特性和制備工藝，開(kāi)發(fā)一系列適用于建筑外墻的相變儲(chǔ)能產(chǎn)品。研究確定微膠囊化相變材料與建筑材料的最優(yōu)復(fù)合工藝參數(shù)，創(chuàng)新性地提出五種外墻應(yīng)用形式，包括外保溫系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、涂層系統(tǒng)、幕墻系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。研究成果為相變儲(chǔ)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。未來(lái)研究應(yīng)著重優(yōu)化相變材料的制備工藝，進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性和耐久性，為大規(guī)模工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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