張愛軍，孫志高，李成浩，王 茂，李翠敏，李 娟

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

儲能墻板制備及性能實驗研究

張愛軍，孫志高，李成浩，王 茂，李翠敏，李 娟

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

利用改性的膨潤土吸附由十四酸（MA）和十六醇（HD）混合而成的共熔相變材料（PCM），制取了膨潤土基復(fù)合相變材料。擴散-滲出圈法實驗結(jié)果表明，等質(zhì)量的相變材料與改性膨潤土混合為最佳質(zhì)量配比，無泄漏現(xiàn)象。把水泥、標準砂、膨潤土基復(fù)合相變材料和水按一定的比例混合制備了儲能墻板，儲能墻板能有效降低墻板表面溫度峰值。添加6%的相變材料墻板儲能效果最好，高溫段的平均溫度比普通墻板降低了3.0℃。

熔融插層；復(fù)合相變材料；儲能墻板

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，能源供應(yīng)日益緊張。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑能耗占社會總能耗的40%以上[1]，采暖和空調(diào)占比達50%左右，建筑節(jié)能已成為建筑行業(yè)關(guān)注的焦點[2-4]。相變儲能是指利用相變材料在相變過程中吸收或釋放相變潛熱來儲存能量，具有儲能密度大，相變過程近似等溫，清潔無污染等優(yōu)點。作為一種節(jié)能技術(shù)，相變儲能正越來越受到人們的關(guān)注[5-7]。

國內(nèi)外諸多學者針對建筑中的儲能節(jié)能技術(shù)已做出了一系列的研究成果。管學茂等[8]利用熔融插層法和液相插層法，將脂肪酸插層于膨潤土層間，利用XRD、DSC等測試手段對復(fù)合結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果表明，脂肪酸分子被有效包裹在膨潤土納米層間；Frederic等[9]利用高分子聚合物包裹相變材料，制備了復(fù)合相變墻體，夏季典型日的實驗表明，房間最高溫度下降4.2℃，減小了房間內(nèi)各處溫度差；趙之貴等[10]制備了3個房間模型，分別加入不同相變材料，分析了相變儲能房屋模型的熱平衡過程，認為相變房屋與夜間通風協(xié)調(diào)，效果更好。本研究利用十四酸和十六醇作為相變材料，制備了儲能墻板，研究了其傳熱性能與溫度調(diào)節(jié)的能力。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

本實驗將十四酸（MA）和十六醇（HD）按48∶52的質(zhì)量比進行配比[11]，得到二元低共熔混合相變材料（PCM），實驗用試劑與儀器見表1和表2。

表 1 主要實驗試劑

表 2 主要實驗設(shè)備

1.2 膨潤土改性及復(fù)合相變材料制備

在燒杯中配制固液比為6%的膨潤土懸浮液，加入0.9%的CTAB，用玻璃棒攪拌分散均勻。將燒杯置于70℃的恒溫水浴中，用攪拌機攪拌1.5 h，攪拌速度為600 r/min。用蒸餾水對懸浮液洗滌，用0.1 mol/L AgNO3溶液檢測，直到檢測不出溴離子為止。將沉淀物放在干燥箱中干燥至恒重，研磨后得到有機改性膨潤土。

將一定質(zhì)量的PCM和有機改性膨潤土置于密閉容器中混合均勻，放在70℃的干燥箱中加熱，使PCM處于熔融狀態(tài)并保持6～8 h，不斷對其進行攪拌，使其充分融合，得到膨潤土基復(fù)合相變材料。

1.3 儲能墻板制備

利用硬質(zhì)聚氨酯保溫板制作100 mm×100 mm×10 mm的模具，標準水泥砂漿板，其中水泥、標準砂和水的質(zhì)量比為1∶3∶0.5。制備儲能墻板時，膨潤土基復(fù)合相變材料替換同等質(zhì)量的標準砂，具體儲能墻板配比見表3。按照表中配比將水泥、標準砂、水、膨潤土基復(fù)合相變材料混合并攪拌均勻，然后將相變水泥砂漿倒入預(yù)先做好的模具中，壓實制成不同含量相變材料儲能墻板。1天后脫模，將其放置于25℃的干燥箱中養(yǎng)護，早晚對其進行澆水處理，持續(xù)28 d，見圖1。

表 3 相變水泥墻板配合比

1.4 儲能墻板溫度響應(yīng)測試

利用高低溫交變試驗箱模擬夏季室外環(huán)境溫度變化（見圖2），實驗墻板的內(nèi)側(cè)與高低溫交變試驗箱接觸，外側(cè)與室內(nèi)環(huán)境接觸，室內(nèi)環(huán)境溫度控制為25℃，箱內(nèi)溫度變化范圍為18～58℃。試驗箱具體溫度方案為18℃定溫30 min，再在200 min內(nèi)勻速上升至58℃，在高溫58℃定溫60 min，再在200 min內(nèi)勻速降溫至18℃，保持18℃定溫30 min，共520 min。將實驗過程可分為低溫段、升溫段、高溫段、降溫段四個過程。通過數(shù)據(jù)采集器分別記錄箱內(nèi)溫度變化和墻板內(nèi)外溫度變化情況，溫度數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min，比較不同相變材料含量墻板的熱性能。

圖 1 相變儲能墻板

圖 2 相變儲能墻板溫度響應(yīng)測試原理圖

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合相變材料最佳配比分析

在制備膨潤土基復(fù)合相變材料過程中，確定相變材料的最佳吸附量，有利于最大程度的發(fā)揮膨潤土基復(fù)合相變材料的蓄熱優(yōu)勢。在筆者的研究中，制備了一系列不同質(zhì)量配比的復(fù)合相變材料，具體為mPCM∶m膨潤土= 7∶3、6∶4、5.5∶4.5、5∶5、4∶6。將制備的膨潤土基復(fù)合相變材料放在60℃的干燥箱中加熱1 h，觀察材料形態(tài)，結(jié)果見表4。

表 4 不同質(zhì)量配比膨潤土基復(fù)合相變材料形態(tài)

由表4可知，前兩組復(fù)合相變材料在加熱1 h后呈固-液態(tài)，表面有相變材料泄露，所以不予考慮。將表中后3組配比的試樣做擴散-滲出圈法實驗，檢測相變材料滲出穩(wěn)定性。取等量膨潤土基復(fù)合相變材料放置在濾紙上，再將其放置在干燥箱內(nèi)加熱，溫度設(shè)定為60℃，加熱1 h后，取出試樣并拍照。圖3中（a）和（b）周圍無油印，表明在濾紙作用下，加熱后的相變材料也未滲出，有機改性膨潤土對PCM吸附效果良好，而圖3（c）周圍有明顯的油印，表明在加熱過程中，多余的液態(tài)相變材料未被完全吸附而滲出。PCM和有機改性膨潤土的最佳質(zhì)量配比為mPCM∶m膨潤土=5∶5。

圖3 熱處理后膨潤土基復(fù)合相變材料滲出情況

2.2 相變材料含量對儲能墻板儲能效果影響分析

圖4是相變材料含量分別為0%、3%、6%和9%儲能墻板的溫度響應(yīng)曲線，表5則是墻板在各個階段的平均溫度。儲能墻板中復(fù)合相變材料選用相變材料和膨潤土質(zhì)量比為5∶5。通過圖4和表5表明，復(fù)合相變材料含量越高，其控溫效果越明顯，持續(xù)時間越長。這說明，隨著相變材料含量的增加，負荷的轉(zhuǎn)移量也增加，更好的實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)移。隨著復(fù)合相變材料含量的增加，高溫段的平均溫度降低的越明顯。復(fù)合相變材料含量為3%、6%、9%的儲能墻板在高溫段的平均溫度比普通墻板分別降低了2.6、3.0、3.2℃，有效降低了墻板表面高溫段溫度響應(yīng)的峰值。膨潤土基復(fù)合相變材料含量為3%的儲能墻板，在290 min時，溫度突然升高，從38.0℃升至39.1℃，隨后開始下降，這說明，相變材料含量過低，負荷量大于相變材料的相變焓，所以相變材料的含量應(yīng)大于3%，當相變材料含量超過6%時，其調(diào)節(jié)能力增加不明顯，所以復(fù)合相變材料的最佳含量為6%。

圖 4 不同相變材料摻量儲能墻板溫度響應(yīng)

表 5 不同相變材料摻量儲能墻板各階段平均溫度

3 結(jié)語

利用十四酸和十六醇混合而成的共熔相變材料為儲能材料，改性膨潤土為基材，采用熔融插層法制備了膨潤土基復(fù)合相變儲能材料。相變材料和改性膨潤土的質(zhì)量配比為5∶5時，相變過程中沒有發(fā)現(xiàn)液相滲漏的問題，膨潤土吸附性能良好，有效解決了相變材料在儲能過程中的泄漏問題。制備了不同膨潤土基相變材料含量的儲能墻板，隨著相變材料含量的增加，儲能墻板的溫度調(diào)節(jié)能力越明顯，但當相變材料的含量超過6%后，其溫度調(diào)節(jié)能力增加不明顯。相變材料含量為6%的儲能墻板在高溫段的平均溫度比普通墻板降低了3.0℃，有效降低了墻板表面溫度響應(yīng)峰值，降低了峰值負荷，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。

[1]侯利恩.中國建筑能源消費情況研究[J].華中建筑，2015，33（12）：94-100.

[2]GOIA F,PERINO M,HAASE M.A numerical model to evaluate the thermal behaviour of PCM glazing system configurations[J].Energy and Buildings,2012,54（8）：141-153.

[3]MURAT K,KHAMID M.Solar energy storage using phase change materials[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2007,11（9）：1913-1965.

[4]何小芳，吳永豪，王月明，等.相變儲能材料的研究進展[J].化工新型材料，2014，42（12）：27-29.

[5]薛永麗.膨潤土基納米復(fù)合PCM制備及其建筑節(jié)能應(yīng)用[D].大連：大連理工大學，2011.

[6]ALAWADHI E M.Using phase change materials in window shutter to reduce the solar heat gain[J].Energy and Buildings,2012,47（4）：421-429.

[7]SHARMAA A,TYGIB V V,CHENA C R.Review on thermal energy storage with phase change materials and applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,13（2）：318-345.

[8]管學茂，宋纖纖，張建武，等.膨潤土相變儲能材料的制備與性能研究[J].太陽能學報，2015，36（4）：950-954.

[9]KUZNIK F,VIRGONE J.Experimental assessment of a phase change material for wall building use[J].Applied Energy,2009,86（10）：2038-2046.

[10]趙之貴.基于毛細管封裝相變材料的相變儲能墻板性能研究[D].蘇州：蘇州科技大學，2014.

[11]張愛軍，孫志高，蔡偉，等.二元有機復(fù)合相變材料性能實驗研究[J].化工新型材料，2016，44（7）：127-129.

Preparation and performance of the energy storage wallboard

ZHANG Aijun,SUN Zhigao,LI Chenghao,WANG Mao,LI Cuimin,LI Juan

（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

Composite phase change materials of Myristic acid（MA）and Hexadecanol（HD）combined with the modified bentonite are prepared.The diffusion-seeping circle test results show that the mixture of the equal phase change material（PCM）and modified bentonite is the best quality ratio,and no leakage of PCM is found. Energy storage wallboards are prepared with different contents of cement,normal sand,phase change materials and water.The experimental results show that the composite phase change materials can reduce the peak temperature of wallboard.When the content of the phase change material in wallboard is 6%,the regulating ability of the phase change wallboard is the best,and the average temperature of energy storage wallboard reduces 3.0℃, compared with the ordinary wallboard.

melting intercalation;composite phase change material;energy storage wallboard

TB332

A

2096-3270（2017）01-0047-04

（責任編輯：經(jīng)朝明）

2016-09-08

江蘇省高校自然科學研究重大項目資助項目 （16KJA480001）；江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計劃項目（2016ZD134）；江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計劃項目（2015ZD83）；江蘇省智慧節(jié)能重點實驗室（2015-06）；蘇州科技大學研究生創(chuàng)新項目（SKCX15-029）

張愛軍（1992-），男，江蘇蘇州人，碩士研究生。

孫志高（1966-），男，教授，博士，主要從事節(jié)能與儲能技術(shù)研究，Email：szg.yzu@163.com。