丁云飛，王元明，吳會軍

(廣州大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，廣州 510006)

在夏熱冬暖和夏熱冬冷地區(qū)，自然通風(fēng)是改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)能的重要手段，是廣泛應(yīng)用的被動式建筑技術(shù)，然而,風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)不穩(wěn)定，熱壓作用下的自然通風(fēng)依賴室內(nèi)外空氣溫差。通過設(shè)計一種透明結(jié)構(gòu)通風(fēng)井，利用太陽輻射熱加熱井道中的空氣，增加熱壓實現(xiàn)強化自然通風(fēng)的效果[1-5]。將相變蓄熱材料粘附在通風(fēng)井壁，蓄存白天的太陽能，晚上則釋放相變潛熱加熱井道中的空氣，實現(xiàn)晝夜連續(xù)的自然通風(fēng)，其中，高性能相變蓄熱材料是應(yīng)用的關(guān)鍵。固-固相變材料相變過程中體積變化小，不出現(xiàn)液態(tài)，并且容易與其他材料復(fù)合，因而在中、低溫蓄熱中得到了廣泛的應(yīng)用[6-9]。但是其導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致其蓄/放熱速率受到限制[10-12]。通過制備復(fù)合材料，如在相變材料中添加微米級或者毫米級的金屬填料、碳纖維顆粒、石墨等，可以改善其導(dǎo)熱性能。但這些顆粒大多與相變材料之間存在較大的密度差，在復(fù)合相變材料的制備過程中容易產(chǎn)生沉降，從而降低其穩(wěn)定性[13-16]。根據(jù)太陽能通風(fēng)井壁面蓄熱單元的技術(shù)需求，制備復(fù)合相變材料，對其性能進行表征，并應(yīng)用于太陽能通風(fēng)井實驗裝置，評價自然通風(fēng)效果。

1 蓄熱型太陽能通風(fēng)井

圖1是蓄熱型太陽能通風(fēng)井結(jié)構(gòu)，主要由玻璃蓋板、相變集熱墻和通風(fēng)井道組成，其中，相變材料的性能是其能否正常工作的關(guān)鍵。對相變材料的性能要求包括較高的相變潛熱、較大的熱導(dǎo)率，同時性能穩(wěn)定不分解。

圖1 太陽能通風(fēng)井結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of solar ventilating shaft

以高分子聚乙二醇(PEG)為基底，添加異氰酸酯(MDI)、十八醇(ODO)及1,4丁二醇(BDO)，制備相變材料，為改善其熱導(dǎo)率，添加碳納米管(CNT)，制備復(fù)合相變材料。

2 復(fù)合相變材料制備及性能

2.1 材料制備

制備過程：1)預(yù)處理：ODO、PEG在110 ℃條件下真空干燥，除去殘留水份，BDO蒸餾脫水；2)CNT分散：將CNT(多壁，直徑10～20 nm，長度10～30 μm)按不同質(zhì)量分數(shù)加入到預(yù)處理后的熔融PEG中，如表1所示，以十二苯磺酸鈉作為分散劑，添加0.02 g，超聲震蕩，使CNT均勻分散在熔融PEG中；3)復(fù)合相變材料合成：將MDI滴入上述熔融PEG中，N2保護，水浴加熱至65 ℃，反應(yīng)1～2 h，再加入預(yù)處理后的BDO和ODO進行擴鏈反應(yīng)1.5～3 h，將樣品在80 ℃烘箱中干燥固化24 h，得到復(fù)合相變材料，其在相變過程中CNT不沉降，穩(wěn)定性好[17]。

表1 樣品CNT含量Table 1 Sample CNT content

2.2 性能表征

熱導(dǎo)率測試：采用熱常數(shù)分析儀(Hot-Disk，TPS1500，瑞典)；相變溫度及相變潛熱測試：采用差示掃描量熱儀(NETZSCH，STA409PC/PG，德國)。熱重分析：采用熱重分析儀(TGA4000，美國)；紅外光譜分析：采用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，NEXUS-670，美國PE公司)。

2.2.1 熱分析 圖2是6個樣品的DSC曲線，由圖可見，1#～6#樣品DSC曲線均出現(xiàn)了一個明顯的相變峰，相變峰值溫度相近，約在60 ℃左右，其中,3#樣品最高為62.8 ℃，6#樣品最低為57.2 ℃。1#～6#樣品中，融化過程溫度最大變化為4%，可見，CNT的添加對相變溫度影響較小。

此外，樣品的相變潛熱隨著CNT含量增加而下降，且趨勢逐漸趨于平緩。6#樣品相變潛熱為107 J/g，比1#樣品降低了28%。

圖2 不同樣品的DSC曲線Fig.2 DSC curves of different samples

2.2.2 熱導(dǎo)率 表2是各樣品的熱導(dǎo)率值，從表中可以看出，添加CNT后復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率有了顯著的提高。6#樣品熱導(dǎo)率為0.65 W/m·K，比1#樣品提高了103%。進一步添加時，熱導(dǎo)率的增加趨勢逐漸減緩，這主要是由于當(dāng)CNT含量增加時，CNT之間會發(fā)生局部團聚。

表2 樣品熱導(dǎo)率Table 2 Sample thermal conductivity

從上述測試結(jié)果可見，6#樣品相變溫度適宜，添加CNT后相變潛熱變化不大，而且熱導(dǎo)率明顯提高，以下對其進行進一步分析。

2.2.3 熱重 圖3是6#樣品的TG-DTG曲線，從圖中可以看出，6#樣品的熱分解溫度為395.4 ℃，終止溫度為439.3 ℃，最大熱分解速率對應(yīng)的溫度為421.3 ℃，比純PEG提高了12.8 ℃，比1#樣品的最大熱分解速率所對應(yīng)的分解溫度提高了7.9 ℃，且在溫度395 ℃以下范圍內(nèi)樣品的熱穩(wěn)定性能較好，不易揮發(fā)分解，TG曲線和DTG曲線變化一致都保持水平直線，說明在升溫過程中相變材料沒有失重現(xiàn)象，顯示制備的復(fù)合相變材料熱性能很好。

圖3 樣品的TG曲線和DTG曲線Fig.3 The TG and DTG curve of the sample

圖4 樣品的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrogram of the sample

2.2.4 傅里葉紅外變化 圖4為1#和6#樣品的傅里葉變化紅外光譜圖。圖中1#和6#樣品的紅外光譜相似，沒有發(fā)生顯著的變化，即表明CNT的添加沒有影響相變材料的分子結(jié)構(gòu)，二者發(fā)生的僅為物理變化，并沒有新的物質(zhì)生成。

2.2.5 循環(huán)穩(wěn)定性 圖5為6#樣品經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的DSC曲線。經(jīng)過50、100、150、200次循環(huán)后，樣品的峰型未發(fā)生變化，峰位置變化不大。樣品的相變峰值溫度最大變化值為3.1%，相變潛熱的最大變化值為3.4%，顯示添加CNT后樣品在相變過程中熱穩(wěn)定性較好。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下的DSC曲線Fig.5 DSC curves under different cycles

3 通風(fēng)井通風(fēng)效果分析

用制備的6#樣品制作相變集熱墻，安裝在太陽能通風(fēng)井壁進行實驗測試。通風(fēng)井道的尺寸為300 mm(L)×130 mm(W)×1 300 mm(H)，相變集熱墻下部空氣入口尺寸為300 mm(L)×130 mm(H)，玻璃蓋板為4 mm的普通玻璃。集熱墻尺寸為300 mm(L)×50 mm(W)×1 200 mm(H)，集熱板外表面涂有吸收率較好的黑色油漆，兩側(cè)和背面貼附35 mm保溫板，防止熱量向室內(nèi)散失。

井道內(nèi)溫度測試系統(tǒng)由熱電偶(T型)和數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34972A)組成；井道出口風(fēng)速采用熱敏風(fēng)速儀(testo 425)測試，井道通風(fēng)量由風(fēng)速及井道截面積計算。實驗裝置位于廣州，測試日期為2016年8月17—19日，以18日00:00到24:00的數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 壁面溫度分析

圖6是太陽能通風(fēng)井壁面溫度實測值，從中可知，隨著室外大氣環(huán)境的溫度上升，通風(fēng)井各壁面的溫度也隨之上升，并在16:00時室外大氣、玻璃表面、集熱面、相變蓄熱材料溫度均達到最大值，分別為36.6、49.4、59.7、57.1 ℃。集熱面和相變蓄熱材料在14:30—19:30時段溫度均在50 ℃以上，其中最大值出現(xiàn)在16:00，比太陽輻射強度最大值延遲約1 h。

圖6 太陽能通風(fēng)井壁面溫度值Fig.6 Wall temperature of solar ventilation shaft

3.2 通道中垂直方向溫度分析

圖7為井道中垂直方向上、中、下3個不同高度下的溫度實測值，3個測點分別距底面1 200、800、400 mm處。在10:00—21:00時段，井道內(nèi)空氣平均溫度比室外大氣溫度高5～13.7 ℃，最大溫差出現(xiàn)在16:30，并且當(dāng)太陽輻射逐漸減弱甚至消失后的一段時間，相變蓄熱材料繼續(xù)釋放熱量加熱井道中的空氣，為自然通風(fēng)提供了較大的熱壓差。井道垂直方向上3個測點的溫度在整個測試過程中都比集熱面的溫度低。在21:00之后，由于相變蓄熱材料放熱量的減少，井道內(nèi)外溫差逐漸減小，并在凌晨4:00—6:00時，達到最低，此時井道內(nèi)的平均溫度與室外溫差約為3.0 ℃左右。

圖7 井道中垂直方向不同高度溫度實測值Fig.7 Measured temperatures of different height in the vertical direction in the shaft

在垂直方向上的溫度變化依次為：通道上部>通道中部>通道下部。這說明在通風(fēng)井工作時，井道中的空氣溫度主要受集熱面的影響，接近集熱面的空氣被加熱后向上運動，在井道垂直方向形成溫度差，上部和中部的溫度比下部的溫度高。在10:00—21:00時段，通道上部與通道下部溫差約為1.0～3.0 ℃。

3.3 通風(fēng)井的通風(fēng)量

圖8是太陽能通風(fēng)井風(fēng)量值，在10:00—21:00時段，井道出風(fēng)口處的風(fēng)速為0.4～0.74 m/s，風(fēng)量為55.0～103.9 m3/h，其中在17:00風(fēng)速和風(fēng)量達到最大值。21:00之后，風(fēng)速逐漸降低至0.25～0.35 m/s之間(風(fēng)量約為35～50 m3/h)，并且通風(fēng)量的變化趨勢與集熱面溫度的變化趨于一致。當(dāng)白天太陽輻射增強時，集熱面得熱量隨之增大，吸收的熱量增加，用來加熱通道內(nèi)空氣的熱量增大，通風(fēng)井道中空氣的溫度升高，井道內(nèi)外熱壓差也逐漸增大，從而在井道中形成了較強的“煙囪效應(yīng)”。

圖8 太陽能通風(fēng)井自然通風(fēng)量Fig.8 Natural ventilation volume in a solar ventilation shaft

4 結(jié)論

根據(jù)太陽能通風(fēng)井蓄熱單元的技術(shù)需求，制備了含5%的CNT復(fù)合相變蓄熱材料，其樣品的熱導(dǎo)率為0.65 W/m·K，相變潛熱為107 J/g，樣品經(jīng)多次循環(huán)后相變溫度和相變潛熱衰減較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性；將制備的復(fù)合相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽能通風(fēng)井實驗系統(tǒng)，在10:00—21:00時段，自然通風(fēng)量為55.0～103.9 m3/h，具有良好的自然通風(fēng)效果。

參考文獻：

[1] RAKESH K,LEI C W.A scaling investigation of the laminar convective flow in a solar chimney for natural ventilation [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2014,45(2):98-108.

[2] XU J L,LIU W H.Study on solar chimney used for room natural ventilation in Nanjing[J].Energy and Buildings,2013, 66: 467-469.

[3] CORDEAU, SEBASTIEN,BARRINGTON,et al.Heat balance for two commercial broiler barns with solar preheated ventilation air[J].Biosystems Engineering, 2010,107 (3): 232-241.

[4] RAKESH K,LEI C W.Solar chimney-A passive strategy for natural ventilation[J].Energy and Buildings,2011,43(8): 1811-1819.

[5] 蘇亞欣，柳仲寶.太陽能煙囪自然通風(fēng)的一維穩(wěn)態(tài)模型[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(5)：102-107

SU Y X,LIU Z B.One dimensional steady model for natural ventilation of solar chimney [J].Joural of Civil,Architectural & Environmental Engineering,2011,33(5):102-107.(in Chinese)

[6] LIU Z Y,YAO Y P, WU H Y,et al.Numerical modeling for solid-liquid phase change phenomena in porous media: Shell-and-tube type latent heat thermal energy storage [J].Applied Energy,2013,112: 1222-1232.

[7] HARALD M.Enthalpy and temperature of the phase change solid-liquid - An analysis of data of compounds employing entropy[J].Solar Energy,2013,95:290-299.

[8] WANG W L,YANG X X,FANG Y T,et al.Preparation and performance of form-stable polyethylene glycol/silicon dioxide composites as solid-liquid phase change materials[J].Applied Energy,2009,86(2): 170-174.

[9] BEDECARRATS J P, CASTAING-LASVIGNOTTES J, STRUB F,et al.Study of a phase change energy storage using spherical capsules. Part Ⅰ: Experimental results [J].Energy Conversion & Management,2009,50(10):2486-2494.

[10] LU D F,DI Y Y,TAN Z C,et al.Low-temperature heat capacities, and thermodynamic properties of solid-solid phase change material bis(1-octylammonium) tetrachlorocuprate [J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2013,111(1):213-218.

[11] ZHOU X M.Preparation and characterization of PEG/MDI/PVA copolymer as solid-solid phase change heat storage material [J].Journal of Applied Polymer Science,2009,113(3): 2041-2045.

[12] CAO Q,LIU P S.Hyperbranched polyurethane as novel solid-solid phase change material for thermal energy storage [J].European Polymer Journal,2006,42(11):2931-2939.

[13] CHANG L,DOMINIC G.Experimental study of the phase change heat transfer inside a horizontal cylindrical latent heat energy storage system[J]. International Journal of Thermal Sciences,2014,82:100-110.

[14] MURRAY R E,GROLX D. Experimental study of the phase change and energy characteristics inside a cylindrical latent heat energy storage system: Part 2 simultaneous charging and discharging[J].Renewable Energy,2014,63:724-734.

[15] MING L,MARTIN BELUSKO N H. STEVEN T,et al.Impact of the heat transfer fluid in a flat plate phase change thermal storage unit for concentrated solar tower plants [J].Solar Energy, 2014,101(3):220-231.

[16] KHAMIS M M.Effect of natural convection on conjugate heat transfer characteristics in liquid minichannel during phase change material melting [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2014,228 (3): 491-513.

[17] 王元明.基于太陽能通風(fēng)裝置固-固相變蓄熱材料的性能研究[D]. 廣州:廣州大學(xué)， 2016.

WANG Y M. Study on the properties of solid-solid phase change heat storage materials based on solar ventilation system[D]. Guangzhou: Guangzhou University, 2016.(in Chinese)