張愛蓮, 張林春, 柳俊哲, 高小建, 汪 暉

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學院 土木工程系, 四川 德陽 618000; 2.寧波大學 土木與環(huán)境工程學院, 浙江 寧波 315000; 3.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150090)

中國是能源消耗大國,近年來,能源消耗隨經(jīng)濟的發(fā)展處于上漲狀態(tài)[1-2].據(jù)統(tǒng)計,建筑領(lǐng)域的能源消耗占所有能源消耗的30%以上,是繼工業(yè)、交通之后的第3大社會能耗主體.長久以來,北方地區(qū)冬季氣溫長期低于0℃,在采暖方面大量能源被消耗掉[3],甚至某些地區(qū)為保證房屋舒適度所消耗的能量占建筑總消耗能量的62%以上[4].通常北方農(nóng)村地區(qū)采用燃燒農(nóng)作物秸稈或者煤炭來給火炕、火墻進行加熱,但該方法所供能量的利用率低且污染嚴重.“十三五”后,中國進入了能源轉(zhuǎn)型的新階段,提高能量的利用效率成為亟待解決的問題.據(jù)統(tǒng)計,煤等化石燃料將在21世紀上半葉迅速地接近枯竭[5-8],同時化石燃料的燃燒給環(huán)境帶來了沉重的負擔,造成酸雨、霧霾、溫室效應(yīng)等一系列問題.相變材料是一種利用潛熱來儲能的材料.相變材料在加熱時能吸收能量將能量儲存,并在停止加熱后將儲存能量釋放,從而達到溫度調(diào)節(jié)的目的.相變材料在建筑中最早的使用,是將其用在墻體中儲存太陽能[9],后來又有研究人員將相變材料加入到地板和圍護結(jié)構(gòu)中提高房屋的舒適度[10-11].還有學者采用相變材料與導電材料制成發(fā)熱儲能一體化混凝土,將其應(yīng)用于寒冷地區(qū)混凝土的養(yǎng)護中能保證混凝土的強度持續(xù)穩(wěn)定地增長[12-16].

Kahwaji等[17-23]總結(jié)了癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸、十八醇以及水合鹽等無機材料的熱物理性能、熱穩(wěn)定性及化學相容性.邱天[24]利用硬脂酸作為相變材料,采用不銹鋼進行封裝,不但密閉作用良好,而且提高了傳熱性能.姜益強等[25]利用CaC12·6H2O作為相變儲能材料,制成了一種熱泵系統(tǒng).并將該系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)進行了實體安裝.Kondo等[26]將95%的十八烷和5%的十六烷制成微膠囊,再將微膠囊放入石膏板中制成墻板.當前有關(guān)相變材料封裝方法的研究發(fā)現(xiàn)：常用的封裝方式價格昂貴、制作工藝復雜;此外,目前廣泛使用的微膠囊和容器封裝法,仍存在體積變化大、易泄露的缺點.

本文采用鐵盒對相變材料進行封裝,制成相變封裝盒,將其應(yīng)用于哈爾濱地區(qū)平房的火墻內(nèi),采用正常使用情況下的間歇性供熱方式對火墻進行加熱,利用TRM-WD120溫度測試系統(tǒng)和Testo875-2i紅外熱像儀對室內(nèi)溫度進行全程監(jiān)控,研究了相變封裝盒的數(shù)量、封裝盒中銅網(wǎng)的數(shù)量以及加熱時間等因素對其儲熱調(diào)溫效果的影響.此次試驗中哈爾濱白天的溫度為2～8℃,夜晚溫度為-10～-4℃.

1 原材料與試驗方案

根據(jù)硬脂酸相變潛熱大(258.98J/g)且相變體積變化適宜的特點,本文選用天津市博迪化工有限公司生產(chǎn)的硬脂酸作為相變材料,其密度為0.9408kg/m3,熔點為70～71℃,具體摻量以及其他技術(shù)指標參考文獻[27-29].采用500mm×250mm×35mm的中間開槽鐵盒作為封裝盒,封裝盒外表面安裝翅片,翅片表面使用高溫膠粘貼巖棉進行封裝[26].為提高相變封裝盒的導熱性能,在盒內(nèi)置入500mm×250mm×10mm的銅網(wǎng).

本試驗在1個1500mm×1300mm×900mm的自采暖密閉建筑模型房屋內(nèi)進行.室內(nèi)溫度測點的布置如圖1所示,溫度采用T型熱電偶測量.通過TRM-WD120溫度測試系統(tǒng)與熱電偶得出室內(nèi)溫度隨時間的變化;通過Testo875-2i紅外熱像儀測試墻體溫度分布.室內(nèi)溫度測點分布如下：火墻所在墻面(near end)測點為3、6、9、14、18、23、26;火墻對面墻面(far end)測點為1、4、7、10、21、24;房屋中間空腔內(nèi)(middle end)測點為2、5、8、11、12、13、15、16、17、18;房間上層(upper layer)測點為1、2、3、10、11、12、13、14、21、22、23;房間中層(middle layer)測點為4、5、6、15、16、17、18、24、25、26;房間下層(lower layer)測點為7、8、9、19、20;房間外測點為：00.不同位置的溫度測試結(jié)果取各測點的平均值.

圖1 室內(nèi)溫度測點布置圖Fig.1 Layout of indoor temperature measuring points

本試驗共制作4種保溫封裝盒.將封裝盒加熱至80～100℃,內(nèi)部置入銅網(wǎng)的數(shù)量分別為1、1、2、2,然后倒入硬脂酸,灌入量為封裝盒體積,對應(yīng)相變封裝盒的編號為①、②、③、④.

利用工具在火墻上鑿開洞口,將相變封裝盒嵌入,表面涂抹石膏將墻面填平.對火墻加熱2.5h,利用TRM-WD120溫度測試系統(tǒng)對室內(nèi)溫度進行實時監(jiān)測.停止加熱后,每隔1.0h利用Testo875-2i紅外熱像儀拍攝火墻表面溫度分布,共計3.0h.試驗共分5種工況：(1)火墻中未嵌相變封裝盒(空白試驗);(2)嵌入①號相變封裝盒;(3)嵌入①+②號相變封裝盒;(4)嵌入③號相變封裝盒;(5)嵌入③+④號相變封裝盒(此工況下加熱時間分別取2.5、3.0h).

2 結(jié)果與分析

圖2、3分別為火墻中未嵌相變封裝盒與嵌入①號相變封裝盒時,室內(nèi)不同位置的溫度時程曲線.比較圖2、3發(fā)現(xiàn)：火墻中嵌入相變封裝盒后,加熱時能夠降低墻體溫度上升時的峰值,達到“削峰”的作用;當加熱至2.5h停止供暖后,火墻中嵌入的相變封裝盒能夠延緩室內(nèi)溫度的過快降低,此時室內(nèi)溫度在15～22℃之間出現(xiàn)了平臺.這是由于火墻中嵌入的相變封裝盒內(nèi)的相變材料在加熱時能吸收熱量,減緩了室內(nèi)溫度的上升速率,防止室內(nèi)溫度過高;當停止加熱后,相變封裝盒內(nèi)的相變材料釋放出加熱時的相變儲熱,使室內(nèi)溫度的下降速率減緩,達到了對室內(nèi)溫度的“填谷”效果；室內(nèi)溫度分布隨空間位置與火墻距離的增加呈現(xiàn)下降的趨勢.圖4、5為火墻停止加熱2.0h后,未嵌相變封裝盒和嵌入①號相變封裝盒時火墻表面溫度分布.比較圖4、5發(fā)現(xiàn),嵌入相變封裝盒的火墻停止加熱后,相變材料釋放熱量使火墻的溫度繼續(xù)上升.這進一步證實相變封裝盒有儲熱的作用,并且在熱源停止后兼具放熱供暖的功能.綜上得知，相變封裝盒可以起到對室內(nèi)溫度削峰填谷的效果.

圖2 火墻中未嵌相變封裝盒時的溫度時程曲線Fig.2 Temperature-time curves without phase transition encapsulation box in bag wall

圖3 火墻中嵌入①號相變封裝盒時的溫度時程曲線Fig.3 Temperature-time curves with phase transition encapsulation box ① in bag wall

圖4 未嵌相變封裝盒時火墻表面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of bag wall without phase transition encapsulation box

圖5 火墻上嵌入①號相變封裝盒時火墻表面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of bag wall with phase transition encapsulation box ①

圖6為火墻中嵌入③號相變封裝盒時室內(nèi)溫度時程曲線.比較圖6與圖3發(fā)現(xiàn),當相變封裝盒內(nèi)銅網(wǎng)數(shù)量為1時,室內(nèi)溫度達到20℃需128min,當銅網(wǎng)數(shù)量為2時,室內(nèi)溫度達到20℃需106min,這是由于銅網(wǎng)的導熱能力強,在火墻加熱的過程中,隨著銅網(wǎng)數(shù)量的增加,能傳遞的熱量增多,相變封裝盒外界環(huán)境的傳熱速率加快,因此縮短了室內(nèi)達到相同溫度的時間,從而提高了相變封裝盒的整體導熱能力.圖7為火墻停止加熱3.0h后,嵌入③號相變封裝盒時火墻表面溫度分布.比較圖3與圖6,圖5與圖7發(fā)現(xiàn),火墻中嵌入含2張銅網(wǎng)的相變封裝盒時,20℃以上溫度平臺的持續(xù)時間明顯縮短了,這是由于加熱時間不變,室內(nèi)供暖的總熱量沒有發(fā)生變化,然而銅網(wǎng)具有良好的傳熱作用,隨著銅網(wǎng)數(shù)量的增加,相變封裝盒的導熱能力提高[24-25],因此停止加熱時,相變封裝盒內(nèi)部熱量的散失增加,20℃ 以上溫度平臺的持續(xù)時間明顯縮短.

圖6 火墻中嵌入③號相變封裝盒時的溫度時程曲線Fig.6 Temperature-time curves with phase transition encapsulation box ③ in bag wall

圖7 火墻中嵌入③號相變封裝盒時火墻表面溫度分布Fig.7 Temperaturedistribution of bag wall with phase transition encapsulation box ③

圖8為嵌有①+②號相變封裝盒時的室內(nèi)溫度時程曲線.比較圖8與圖6發(fā)現(xiàn),火墻中嵌入2個相變封裝盒后,加熱時溫度升高的速率減慢.停止加熱后,溫度下降的速率減緩.由此得知,增加火墻中嵌入的相變封裝盒數(shù)量,則相變材料含量增加,加熱時儲存的熱量增多,因此室內(nèi)溫度上升的速率減慢;而停止加熱后,相變封裝盒釋放的熱量增加延緩了室內(nèi)溫度下降的速率.此外增加相變封裝盒的數(shù)量能夠延長20℃以上溫度平臺的持續(xù)時間.

圖8 火墻中嵌入①+②號相變封裝盒時的溫度時程曲線Fig.8 Temperature-time curves with ①+② phase transition encapsulation boxes

圖9為火墻中嵌入③+④號相變封裝盒,加熱時間為3.0h時的室內(nèi)溫度時程曲線.比較圖9與圖8發(fā)現(xiàn)：隨著加熱時間的延長,熱源給火墻提供的總熱量增加,加熱時溫度上升的幅度增加;停止加熱后由于相變封裝盒吸收的總熱量增加,其釋放的熱量也增多,因此室內(nèi)20℃以上溫度平臺的持續(xù)時間延長,達到提高了供暖效果的目的.

圖9 火墻中嵌入③+④號相變封裝盒時的溫度時程曲線 (加熱3.0h)Fig.9 Temperature-time curves with ③+④ phase transition encapsulation boxes with heating time of 3.0h

在火墻中嵌入③+④號相變封裝盒后,分別加熱2.5、3.0h,停止加熱2.0h后的火墻表面溫度分布見圖10、11.

圖10 火墻中嵌入③+④號相變封裝盒時的表面溫度分布 (加熱2.5h)Fig.10 Temperature distribution of bag wall with ③+④ phase transition encapsulation boxes for heating time of 2.5h

圖11 火墻中嵌入③+④號相變封裝盒時的表面溫度分布 (加熱3.0h)Fig.11 Temperature distribution of bag wall with ③+④ phase transition encapsulation boxes for heating time of 3.0h

比較圖10、11發(fā)現(xiàn)：火墻停止加熱后,兩者最高溫度大致相同(圖10中最高溫度為252.5℃,圖11中最高溫度為258.2℃),但圖11的黃色與紅色部分面積要明顯大于圖10；圖10中火墻溫度的變化范圍為16.8℃～252.5℃,圖11中的溫度范圍為21.7℃～258.2℃.由此可見,加熱時間可以提高火墻溫度,從而提高室內(nèi)的總體供暖效果.

3 結(jié)論

(1)相變封裝盒能夠延緩供暖過程中室內(nèi)溫度的上升和供暖停止后室內(nèi)溫度的下降,從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的削峰填谷,可使室內(nèi)溫度均勻分布,改善居住環(huán)境的舒適度.

(2)相變封裝盒內(nèi)銅網(wǎng)數(shù)量的增加能夠提高相變封裝盒的導熱能力,加熱時銅網(wǎng)數(shù)量的增加提高了室內(nèi)溫度的上升速率,降低了停止加熱后20℃以上溫度平臺的持續(xù)時間.

(3)增加相變封裝盒的數(shù)量,可以延緩加熱時室內(nèi)溫度上升的速率和停止加熱后室內(nèi)溫度下降的速率,并且20℃以上溫度平臺的持續(xù)時間得以提高.延長加熱時間可以提高室內(nèi)溫度上升的幅度,增加了20℃以上溫度平臺的持續(xù)時間.