相变储能保温建筑材料的制备及性能评价_王智宇

相变储能保温建筑材料的制备及性能评价

王智宇１，林旭添１，陈锋１，王小山２，阮华２，樊先平１，钱国栋１

（１．浙江大学材料科学与工程学系，浙江杭州３１００２７；２．宁波荣山新型材料有限公司，浙江宁波３１５８００）

以石蜡为相变储能物质，以水泥、粉煤灰、增塑剂、减水剂、聚丙烯纤维、膨胀聚苯颗粒和膨胀珍珠岩为原摘要：

料制备了纤维增强相变储能保温建筑材料。并通过自行设计的检测设备检测该相变储能材料的调温性能、稳定性和节能效果。检测结果表明，含石蜡相变储能材料相对于普通材料具有优越的调温效果、节能效果，稳定性良好。

相变材料；节能；调温效果；稳定性关键词：

中图分类号：ＴＵ５５＋１．３文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－７０２Ｘ（２００６）１１－００３５－０３

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｂｕｉｌｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｔａｋｉｎｇｏｌｅｆｉｎａｓｐｈａｓｅ

ｃｈａｎｇｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｔａｋｉｎｇｃｅｍｅｎｔ，ｆｌｙａｓｈ，ｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ，ｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔ，ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒ，ｅｘｐａｎｄｅｄｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｇｒａｉｎａｎｄｅｘｐａｎｄｅｄｐｅｒｌｉｔｅａｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｎｄｔｈｅｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｔｅｓｔｅｄｏｎｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｗｉｔｈｓｅｌｆ－ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｅｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｏｒｍａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｔｈｅｏｌｅｆｉｎｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｍｏｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ；ｔｈｅｒｍｏｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌ；

０前言

耗而起到节能的作用［１］。因而许多研究人员致力于寻找和研究具有高相变潜热、性能稳定的相变储能材料［２－４］。目前常用的相变储能材料主要有无机物和有机物２大类。无机物相变储能材料普遍具有腐蚀性且相变过程具有过冷和相分离的缺点，影响了其储能能力［５－６］；有机物相变储能材料则大部分存在传热性能差、储能利用率低的缺点，从而降低了系统的效能。因此，研制储能密度大、性能稳定的相变储能墙板是该领域研究的难点［７］。本文采用石蜡作为相变储能物质，采用多次真空吸附工相变储能材料应用于建筑墙板中可以减少环境温度对室内引起的温度波动，提高室内的舒适度，同时可以减少建筑能基金项目：浙江省重点科研工业项目（２００６Ｃ２１１０２）收稿日期：２００６－０５－３１

作者简介：王智宇，男，１９６７年生，上海人，博士，副教授。

\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"\"能耗建筑的快速发展。的转变刻不容缓。根据ＶＩＰ保温板隔热性能优异而且所需保温层厚度极薄的特点，如果在我国北方寒冷地区的建筑保温系统中应用，将会显示巨大的优势。可以设想，如果在冬季平均气温－２０℃的北方严寒地区，如哈尔滨，采用ＶＩＰ保温板的建筑将告别传统的４９墙建筑或普通的厚保温墙建筑，轻松达到高保温值，而且建筑的采光质量和观景视野亦可籍此得以改善，同时薄墙节省的建筑面积还会让房屋开发商有更多的获利，所有这些积极因素无疑都将会大大地推进我国北方低［２］

参考文献：

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ＮＥＷＢＵＩＬＤＩＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＳ・３５・

王智宇，等：相变储能保温建筑材料的制备及性能评价

艺将石蜡完全吸附进入膨胀珍珠岩孔隙中，研制了一种纤维加强的相变储能保温板材，并通过自行设计的检测设备对相变储能保温建筑材料的调温效果、节能效果以及稳定性等性能进行评价。如此变温循环并由计算机自动记录２个箱体内温度的变化。１实验

图１

检测装置示意

表１

主要实验原料的配比（质量比）

相变储能保温建筑材料

４００１００５．６６．２４．１１１．５５４．３１５．７

普通保温材料

４００１００５．６６．２４．１１１．５０１５．７

１—普通保温箱体；２—相变储能保温箱体；３—人工智能温度控４—接触调压器；５—计算机；６—多路温度测试仪；７—加热器；制器；

８—均温风扇；９—热电偶（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）；１０—均温隔热板；１１—外箱体８０ｃｍ×８０ｃｍ）（１２０ｃｍ×

１．１原料配比（见表１）项

目

水泥粉煤灰增塑剂（ＣＭＣ）减水剂（ＦＮ－２）聚丙烯纤维膨胀聚苯颗粒

石蜡膨胀珍珠岩

２

２．１

结果与讨论

测试结果及调温性能分析

图２是普通保温箱体和相变储能保温箱体内部温度随箱体外部环境温度变化关系图（仅列出了１个循环）。１．２相变储能保温箱体的制备

本实验采用石蜡作为储能物质，相变温度为３０℃。首先，在６０￣８０℃的条件下，将石蜡（石蜡干基含量为９％）与膨胀珍珠岩（颗粒直径２￣４ｍｍ，密度１１０ｋｇ／ｍ３）混合均匀，并通过多次真空吸附工艺将石蜡完全吸附进入膨胀珍珠岩孔隙中，制成石蜡／膨胀珍珠岩复合物。将水泥、粉煤灰、增塑剂和减水剂搅拌２￣３ｍｉｎ，待均匀后再加入适量的水，继续搅拌，并加入已制备的石蜡／膨胀珍珠岩复合物。充分搅拌均匀后制得相变储能保温浆料，将其倒入预先做好的模磨具中，静止１￣２个星期后，制得相变储能保温板材。另外，依照以上方法制备不含石蜡的普通保温板材用于对照测试。利用上述板材制备相变储能保温箱体和普通保温箱体各１个，大小均为４０ｃｍ×４０ｃｍ×４０ｃｍ，壁厚为３ｃｍ，以备检测用。１．３相变储能保温建筑材料性能的测试

自制的检测装置（见图１）：将制成的２个待测密封普通保温箱体、相变储能保温箱体置于合适的外箱体中，通过热电偶Ｃ对箱内温度的探测，并利用人工智能温度控制器、接触调压器控制加热器加热情况，从而实现对箱体内温度的控制，均温风扇和均温隔热板使箱体内温度分布更均匀；利用计算机和多路温度测试仪检测１、２箱内温度变化和２个待测箱所处特制箱体温度的检测（２个测试箱内分别用热电偶Ａ、Ｂ测试温度，热电偶Ｄ检测特制箱体的温度）以及对温度变化的纪录。检测条件：温度由人工智能温度控制器控制，温度４ｈ内从１５℃均匀升温到６０℃，然后在１２ｈ内均匀降到１５℃，・３６・

新型建筑材料图２内部温度随箱体外部环境温度变化关系

Ａ—普通保温箱体中的温度曲线；Ｂ—相变储能保温箱体中的温度曲线；Ｃ—箱体环境的温度曲线

从图２温度变化的曲线可以看出，相变储能保温板材相变点Ｔｃ、２种不同材料升温过程中最大温差△ＴＨ、降温过程的最大温差△ＴＬ以及随环境温度变化的最大温差△Ｔ１和△Ｔ２。当环境温度由低温开始升温并达到甚至高于相变点Ｔｃ时，相变材料由于相变潜热，开始吸收热量，从而保持相变储能板材箱比普通保温箱体内温度具有较低的升温速率，因而产生了△ＴＨ。当环境温度由高温开始降温并达到甚至低于相变点Ｔｃ时，相变材料发生相变而放出热量，从而保持相变储能保温箱比普通保温箱体具有较低的降温速率，因而产生了△ＴＬ。△ＴＨ和△ＴＬ可以用于衡量相变储能保温建筑材料的调温效果，△ＴＨ和△ＴＬ越大，表明相变储能保温建筑材料的调温效果越好。另外从图２还可以看到测试箱温度波动的变化情况△Ｔ１和△Ｔ２。△Ｔ１或△Ｔ２波动越小，越能满足人体舒适度的要求。从图２还可以看出，△Ｔ１＝３２．１℃，△Ｔ２＝２３℃，相变储能保温箱体的波动远小于普通保温板箱，对提高人体舒适度起到很好的效果，相变储能保温建筑材料具有显著的调温性能。２００６．１１王智宇，等：相变储能保温建筑材料的制备及性能评价

表２为不同循环周期下的温差值测试结果，从表２可以看出，平均△ＴＨ＝５．６℃和△ＴＬ＝３．０℃，在高温时，相变储能板材箱内温度相对于普通板材箱低５．６℃，而低温时相对普通板材箱高３．０℃，可以看出相变储能保温建筑材料起到了很好的调温效果。表２

Ｎ１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５１６平均

本文使用的石蜡干基含量为９％，远小于石蜡在相变材料中的含量存在的渗出临界值［８］。同时石蜡存在于膨胀珍珠岩的空隙中，由于孔隙的表面张力比较大，即使在较高的温度下石蜡仍能够稳定保存在空隙中而不产生渗漏。相变储能保温箱体经１００个循环测试后，温度曲线基本保持周期性变化，说明相变储能保温箱体工作稳定，经过长时间的重复相变循环后仍然有良好的工作稳定性。实验３个月后，从相变储能保温箱体取出相变板材，表面完好如初，没有发现任何异常现象，相变储能保温建筑材料具有良好的稳定性。不同循环周期下的温差值

△ＴＨ／℃５．９５．６５．７５．４５．９６．０６．４６．０５．７６．０５．８５．７５．４４．８４．９５．０５．６

△ＴＬ／℃４．０３．３３．７３．７３．４３．３２．８２．６２．４２．３２．０２．２２．６３．０２．９３．６３．０

△Ｔ／℃９．９８．９９．４９．１９．３９．３９．２８．６８．１８．３７．８７．９８．０７．８７．８８．６８．６

３结论

在外环境温度变化的情况下，含９％石蜡制成的相变储能保温箱体内温度波动远远小于普通保温箱体内的波动，显示了相变储能保温建筑材料优异的调温均温效果，可以大幅度降低室内温度的波动，提高人体的舒适度，同时也具有显著的节能作用。由于石蜡存在于膨胀珍珠岩的空隙中，孔隙的表面张力比较大，相变储能保温建筑材料在经过长时间工作后仍然具有良好的稳定性，因而相变储能保温建筑材料具有良好的调温效果、节能作用，在建筑节能材料上有着良好的应用前景。参考文献：

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［５］戴彧，唐黎明．相变储热材料研究进展．化学世界，２００１（４）：６６２．［６］文越华，张公正，王正刚，等．Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ复合相变储冷体系的

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［７］张正国，文磊，方晓明，等．复合相变储热材料的研究与发展．化工

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新型建筑材料，２００５（２）：５８－５９．

注：Ｎ—循环次数，每个循环为１６ｈ；△ＴＨ—普通保温箱体和相变△Ｔ—储能保温箱体内部温度最高温度温差；△ＴＬ—最低温度温差；整体温差＝△ＴＨ＋△ＴＬ。

２．２相变储能保温建筑材料的节能效果

人体的舒适温度一般在１８￣２４℃，当温度小于或者超过该温度范围时，可以通过空调等来调节温度的变化。对普通保温箱体和相变储能保温箱体温度的调节可以简化为对箱内空气温度的调节。普通保温箱体和相变储能保温箱体要达到目标温度即人体舒适温度，相变储能保温箱体相对普通保温箱体可以节约能量为Ｑ＝ｃｍ△ＴＨ或Ｑ＝ｃｍ△Ｔ（式中ｃ为空气Ｌ的热容、ｍ为室内空气的质量）。因而可以利用△ＴＨ或者△ＴＬ来衡量相变储能保温建筑材料相对于普通保温材料的节能效果，从表２可以看出，△ＴＨ平均值为５．６℃、△ＴＬ平均值为３．０℃，均比较大。因此，相变储能保温建筑材料可以起到较好的节能效果。２．３相变储能保温建筑材料的稳定性

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