王磊

（鄭州大學(xué) 西亞斯國(guó)際學(xué)院，河南 鄭州 451100）

可再生能源的開(kāi)發(fā)利用對(duì)于節(jié)約能源以及可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。太陽(yáng)能建筑越來(lái)越受到關(guān)注，但由于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能建筑受氣候因素的影響較大，極易造成室溫的波動(dòng)，開(kāi)發(fā)一種新型的太陽(yáng)能建筑已成為研究的重點(diǎn)[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑做了大量研究，閆全英等[3]設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑Trombe墻，通過(guò)改變空氣的流動(dòng)方式從而達(dá)到控制溫度的效果；凌浩恕等[4]利用有限差分法對(duì)Trombe墻的換熱方式進(jìn)行了研究；陳紫光等[5]通過(guò)對(duì)玻璃蓋板以及吸熱器溫度的預(yù)測(cè)，得到了太陽(yáng)能穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型可有效減少太陽(yáng)能輻射熱在室內(nèi)的傳播；陳超等[6]通過(guò)對(duì)墻體材料熱物性以及系統(tǒng)的集熱面熱輻射等因素的動(dòng)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)墻體夾層加裝吸熱板對(duì)墻體的整體吸熱性能影響較小。

隨著太陽(yáng)能建筑的興起，相變材料在理論創(chuàng)新方面也有了很大的進(jìn)步。趙金玲等[7]采用聚合法，以石蠟為相變材料，以聚甲基丙烯酸甲酯作為墻體材料，研發(fā)了一種基于季戊四醇四丙烯酸酯的相變微膠囊型定形相變材料，探究了墻體的熱性能及透氣性的變化；陳濱等[8]以SBS等為基體材料，以石蠟為相變材料研發(fā)了一種能夠應(yīng)用到加熱板中的新型復(fù)合定形相變材料，試驗(yàn)證明該材料能明顯減小室內(nèi)溫度的波動(dòng)情況。

本研究以膨脹珍珠巖為載體，以石蠟為相變材料，利用多孔無(wú)機(jī)載體復(fù)合法通過(guò)調(diào)節(jié)石墨摻量來(lái)制備定形相變材料，將定形相變材料與被動(dòng)式太陽(yáng)能相結(jié)合，研發(fā)出一種新型相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)論證了該系統(tǒng)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用，為今后新型太陽(yáng)能建筑系統(tǒng)的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1 相變材料及儲(chǔ)能砂漿的制備與性能研究

1.1 原材料及主要儀器

由于石蠟化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，相變溫度容易調(diào)節(jié)，在發(fā)生相變時(shí)不會(huì)出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，所以選定石蠟作為定形相變儲(chǔ)能砂漿的相變材料。膨脹珍珠巖具有無(wú)毒、隔熱以及成本低等特點(diǎn)，并且與石蠟有良好的相容性，故選取膨脹珍珠巖作為基體材料。

石蠟：15#，針入度26 mm，工業(yè)級(jí)，濟(jì)南春祥化工廠(chǎng)。

膨脹珍珠巖：粒徑3～5 mm，信陽(yáng)鑫富精細(xì)膨潤(rùn)土有限公司。

石墨：粒徑3～6 μm，天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)。

環(huán)氧樹(shù)脂：鳳凰牌，無(wú)色透明粘稠液體，揮發(fā)份≤0.5%，環(huán)氧當(dāng)量 180～200 g/mol，黏度 15～25 Pa·s，無(wú)錫藍(lán)星樹(shù)脂廠(chǎng)。

水泥：P·O42.5，大連小野田水泥廠(chǎng)。

砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。

擠塑板：斯科特XPS擠塑板，導(dǎo)熱系數(shù)0.035 W/（m·K），天津市擠塑板廠(chǎng)。

混凝土砌塊：抗壓強(qiáng)度4.6 MPa，體積質(zhì)量975 kg/m3，鄭州宇豐全自動(dòng)砌塊磚機(jī)廠(chǎng)。

水泥砌筑砂漿：DPM10粘結(jié)砂漿，28 d抗壓強(qiáng)度10 MPa，28 d收縮率小于0.2%，鄭州春暉建材科技有限公司。

T型粘貼式熱電偶：精度±0.5℃；華誼（HYELEC）MS6252A數(shù)字風(fēng)速儀：分辨率0.005 m/s，精度±1%；智能型多路溫度巡檢儀：測(cè)量范圍大于5℃，精度±0.1℃。

1.2 定形相變材料的制備與性能研究

將膨脹珍珠巖浸泡在熔融態(tài)石蠟中不同時(shí)間，恒溫水浴70℃，得到石蠟的吸附量見(jiàn)表1。

表1 石蠟吸附量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

由表1可見(jiàn)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，定形相變材料質(zhì)量與石蠟吸附量并未發(fā)生太大波動(dòng)，當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)6 h后，定形相變材料質(zhì)量基本穩(wěn)定在36 g左右，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面考慮，選定6 h作為膨脹珍珠巖在石蠟中的最佳浸泡時(shí)間。

預(yù)先將膨脹珍珠巖進(jìn)行烘干處理，利用水浴鍋將石墨與石蠟按 m（石墨）∶m（石蠟）=0∶1、0.02∶0.98、0.05∶0.95、0.1∶0.9 的比例混合熔融，然后將烘干的膨脹珍珠巖與熔融態(tài)的石墨石蠟混合物混合，由于摻加石墨有利于石蠟的吸附，故放置1～2 h即可制成定形相變材料。

以未摻石墨的定形相變材料為基準(zhǔn)，利用瞬態(tài)熱線(xiàn)法對(duì)定形相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，不同石墨摻量的定形相變材料瞬態(tài)導(dǎo)熱分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同石墨摻量的定形相變材料瞬態(tài)導(dǎo)熱分析結(jié)果

根據(jù)圖1計(jì)算可得，石墨摻量為0、2%、5%、10%的定性相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.252、0.321、0.433、0.454 W/（m·K），即隨著石墨摻量的增加，定形相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之變大，當(dāng)石墨摻量達(dá)到10%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最大，較未摻石墨的提高了80%。而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]論述，當(dāng)石墨摻量到達(dá)一定數(shù)值后，會(huì)造成定形相變材料潛熱能力的下降。綜合考慮，石墨摻量確定為5%，此時(shí)定形相變材料的導(dǎo)熱性能較佳。后續(xù)試驗(yàn)定形相變材料中均摻5%石墨。

1.3 相變儲(chǔ)能砂漿的制備與性能研究

水泥砂漿的配比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶5.27∶1.16，按 m（定形相變材料）∶m（水泥砂漿）=5∶95、10∶90、15∶85、20∶80、30∶70的比例混合即可制得相變儲(chǔ)能砂漿試件，試件制作后放置在室內(nèi)環(huán)境24 h，待試件成型后放入養(yǎng)護(hù)室（溫度20℃，相對(duì)濕度90%，下同）分別養(yǎng)護(hù)3 d、28 d。相變儲(chǔ)能砂漿強(qiáng)度隨定形相變材料摻量的變化見(jiàn)圖2。

圖2 定形相變材料摻量對(duì)相變儲(chǔ)能砂漿強(qiáng)度的影響

由圖2可知，相變儲(chǔ)能砂漿的抗折與抗壓強(qiáng)度隨著定形相變材料摻量的增加而降低。對(duì)于抗折強(qiáng)度，當(dāng)定形相變材料摻量小于20%時(shí)，相變儲(chǔ)能砂漿的抗折強(qiáng)度下降較為明顯；摻量超過(guò)20%后，相變儲(chǔ)能砂漿的抗折強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，基本不再變化。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)定形相變材料摻量為30%時(shí)，相變儲(chǔ)能砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度為11.8 MPa。但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其流動(dòng)性較差，而定形相變材料摻量越多，相變儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度就越低。定形相變材料摻量小于30%的相變儲(chǔ)能砂漿均能滿(mǎn)足要求（一般認(rèn)為28 d抗壓強(qiáng)度大于9 MPa即可）。

環(huán)氧樹(shù)脂具有強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，將其與定形相變材料混合后加入到水泥砂漿中，能夠很好的解決定形相變材料在使用過(guò)程中出現(xiàn)的石蠟泄露等問(wèn)題。將摻5%石墨的定形相變材料與環(huán)氧樹(shù)脂、水泥砂漿按m（定形相變材料）∶m（環(huán)氧樹(shù)脂）∶m（水泥砂漿）=5∶33∶62、10∶33∶57、15∶33∶52、20∶33∶47、30∶33∶37 的比例混合即可制得環(huán)氧樹(shù)脂相變儲(chǔ)能砂漿試件，試件制作后放置在室內(nèi)環(huán)境24 h，待試件成型后放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d。摻或未摻環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿抗折及抗壓強(qiáng)度隨定形相變材料摻量的變化見(jiàn)圖3。

圖3 摻與未摻環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿強(qiáng)度隨定形相變材料摻量的變化

由圖3可見(jiàn)，定形相變材料摻量為0～30%時(shí)，摻加環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿強(qiáng)度均較未摻環(huán)氧樹(shù)脂的有所提高。對(duì)于抗折強(qiáng)度，未摻環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿抗折強(qiáng)度隨定形相變材料摻量的變化較??；當(dāng)定形相變材料摻量為5%時(shí)，摻33%環(huán)氧樹(shù)脂的抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨著定形相變材料摻量的增加，抗折強(qiáng)度先降低再提高，在摻量為15%時(shí)又出現(xiàn)1個(gè)小峰值，其后不斷下降。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，隨著定形相變材料摻量的增加均呈下降趨勢(shì)，且摻或未摻環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本保持一致。

2 新型被動(dòng)式太陽(yáng)能相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)研究

2.1 試驗(yàn)房材料

室外搭建一個(gè)試驗(yàn)房，尺寸為6000 mm×1500 mm×2000 mm，2扇門(mén)尺寸為850 mm×1650 mm，試驗(yàn)房中間用擠塑板分隔成普通房和被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房，墻體有4個(gè)200 mm×200 mm的通風(fēng)口，被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房南側(cè)安裝陽(yáng)光板。試驗(yàn)所用原材料及其性質(zhì)見(jiàn)表2及表3。相變房?jī)?nèi)表面采用相變儲(chǔ)能砂漿，其配比為m（5%石墨摻量的定形相變材料）∶m（環(huán)氧樹(shù)脂）∶m（水泥砂漿）=30∶33∶37；相變房外表面采用普通抹面砂漿，其配比為 m（石灰）∶m（砂）=1∶3。

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料主要性質(zhì)

表3 透明陽(yáng)光板的物性參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分夏季通風(fēng)降溫與冬季采暖2部分。冬季采暖：在普通房與被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房的相同位置設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)記錄測(cè)試點(diǎn)溫度的變化，比較相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度的影響。夏季通風(fēng)降溫：相變房南墻橫向與縱向各設(shè)置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比橫縱向測(cè)點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，說(shuō)明相變集熱蓄熱墻體系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)作用。

2.3 冬季測(cè)試結(jié)果分析

圖4為冬季普通房與相變房降溫曲線(xiàn)與室內(nèi)溫度的變化曲線(xiàn)。

由圖4（a）可知，被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房間溫度下降趨勢(shì)明顯小于普通房間，說(shuō)明在室內(nèi)溫度下降過(guò)程中，相變房?jī)?nèi)墻表面儲(chǔ)能砂漿層中的定形相變材料將儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)，減緩了溫度下降的速率，提高了室內(nèi)溫度。

圖4 冬季普通房與相變房降溫曲線(xiàn)與室內(nèi)溫度的變化

由圖4（b）可知，普通房間室內(nèi)溫度變化較為平緩，溫度波動(dòng)范圍不大，說(shuō)明普通房間的墻體阻斷了太陽(yáng)輻射熱與室內(nèi)空氣的接觸，使得室溫變化不大；被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房間室內(nèi)溫度變化較為明顯，溫度波動(dòng)范圍較大，13：00時(shí)左右達(dá)到最大值，說(shuō)明由于相變房間內(nèi)儲(chǔ)能砂漿的作用，促進(jìn)了熱空氣與室內(nèi)空氣的熱循環(huán)，減少了熱量的流失。

綜上所述，被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房在冬季能夠明顯減少室內(nèi)熱量的流失，對(duì)室內(nèi)溫度起到了很好的調(diào)節(jié)作用。

2.4 夏季測(cè)試結(jié)果分析

夏季被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房室內(nèi)溫度分布見(jiàn)圖5。

由圖5（a）可知，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)橫向溫度隨著時(shí)間的推移先升高后降低，在15：00時(shí)達(dá)到最大值，且距南墻內(nèi)表面越近，溫度變化越明顯，說(shuō)明在上午時(shí)，太陽(yáng)光直接照射在南墻，熱量在南墻上傳播，距南墻最近的測(cè)試點(diǎn)溫度上升速率最大。下午太陽(yáng)光直接照射在北墻，輻射熱在北墻上傳播，此時(shí)距北墻最近的測(cè)點(diǎn)溫度上升速度加快，隨著輻射熱的減小，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度都開(kāi)始下降，距南墻最近的測(cè)試點(diǎn)下降速度最快。

圖5 夏季被動(dòng)式太陽(yáng)能相變房室內(nèi)溫度分布

由圖5（b）可知，相變房?jī)?nèi)的測(cè)試點(diǎn)距地面越高，其縱向溫度就越高，距地面最近的測(cè)點(diǎn)由于受到地面冷空氣的影響，使得溫度變化不明顯。

綜上所述，夏季室內(nèi)溫度較高時(shí)，由于被動(dòng)式太陽(yáng)能集熱蓄熱墻體系統(tǒng)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用，使得室內(nèi)溫度并未出現(xiàn)較大的波動(dòng)，避免了室內(nèi)溫度過(guò)高現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）將石蠟、石墨以及膨脹珍珠巖通過(guò)無(wú)機(jī)載體復(fù)合法混合在一起，當(dāng)石墨摻量為5%時(shí)，定形相變材料具有較佳的導(dǎo)熱性能，且石蠟、膨脹珍珠巖以及石墨之間屬于物理作用，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)穩(wěn)定性較好。

（2）將定形相變材料與水泥砂漿、環(huán)氧樹(shù)脂按一定比例混合，制得具有控溫、調(diào)溫功能的相變儲(chǔ)能砂漿。通過(guò)對(duì)相變儲(chǔ)能砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度的研究發(fā)現(xiàn)，隨著定形相變材料摻量的增加，相變儲(chǔ)能砂漿的熱性能也越來(lái)越好，最終選定摻量為20%。而摻環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿的強(qiáng)度要明顯高于未摻環(huán)氧樹(shù)脂的相變儲(chǔ)能砂漿。

（3）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了夏、冬兩季被動(dòng)式太陽(yáng)能集熱蓄熱墻系統(tǒng)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用。冬季相變房的夾層空氣與室內(nèi)空氣發(fā)生熱循環(huán)作用，并利用相變儲(chǔ)能砂漿的儲(chǔ)熱功能，通過(guò)釋放熱量來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度變化，減少熱量的散失；夏季通過(guò)相變儲(chǔ)能砂漿層對(duì)室內(nèi)熱量的存儲(chǔ)作用，降低了室內(nèi)溫度，避免了室內(nèi)溫度過(guò)高現(xiàn)象的發(fā)生。

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