相变储能混凝土的配制及传热性能研究.pdf

全国中文核心期刊 新 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 祖变储能混凝士的配制及传热牲能研究 徐仁崇 ( 厦 门市建筑科学研究院集团股份有 限公司 ， 福建 厦 门3 6 1 0 0 4 ) 摘要： 采用“ 真空吸入法” 将石蜡 硬脂酸丁酯二元复合相变材料吸入陶粒中制备相变陶粒， 并对其表面进行封装， 使用相变陶 粒配制相变储能混凝土并对其传热性能进行研究。 结果表明： 石蜡含量为6 o 时， 石蜡 硬脂酸丁酯二元复合相变材料可作为建筑节 能用复合相变材料； 环氧树脂封装相变陶粒表面可以防止相变材料渗漏， 且可以提高混凝土强度； 与普通混凝土相比， 相变储能混凝 土 的蓄热 能力较高而传热速度则较低， 具有降低建筑能耗的作用 。 关键词 ： 相变储能混凝土； 石蜡； 硬脂酸丁酯； 陶粒； 传热 中图分类号： T U1 l 1 2 + 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 1 9 0 3 S t u d y o n p r e p a r a tio n a n d h e a t t r a n s f e r p e r f o r ma n c e o f p h a s e c h a n g e e n e r g y - s t o r i n g c o n c r e t e XU Re n c h on g ( X i a m e n A c a d e my o f B u i l d i n g R e s e a r c h G r o u p C o L t d ， X i a m e n 3 6 1 0 0 4 ， f u j i a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p a r affi n b u t y l s t e ara t e c o m p o s i t e p h a s e c h a n g e m a t e r i al wa s d r a w n i n t o t h e p o r o u s c e r a ms i t e u s i n g t h e m e t h o d o f v a c u u m a n d t h e s u r f a c e o f t h e c e r a ms it e Was p a c k a g e d Th e n t h e p h ase c h a n g e c o n c r e t e w a s p r o d u c e d u s i n g p h a s e c h a n g e c e r a ms i t e a n d i t s t h e r ma l p e rf o rm a n c e wa s s t u d i e d Th e r e s u h s s h o w t h a t t h e p a r a f fin b u t y l s t e a r a t e c o mp o s i t e p h a s e c h a n g e ma t e r i a l c a ll b e u s e d i n t h e f i e l d o f b u i l d i n g e n e r g y c o n s e r v a t i o n wh e n t h e p a r aff i n s d o s a g e i s 6 0 E p o x y r e s i n c a n b e u s e d as t h e s u rf a c e e n c a p s u l a t e d ma t e ria l s t o p r e v e n t t h e l e a k a g e o f t h e p h a s e c hang e ma t e rial f r o m c e r a ms i t e a n d i mp r o v e t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e Co mp a r e d wi t h n o rm a l c o n c r e t e ， p h a s e c ha n g e e n e r g y - s t o r i n g c o nc r e t e h a s t h e c a p a c i t i e s o f h i g h e r h e a t s t o r a g e a n d l o we r h e a t t r a n s f e r I t c a n r e d u c e t h e b u i l d i n g e n e r gy c o n s u mp t i o n wh e n u s e d i n t h e b u i l d i n g Ke y wo r d s ： p h a s e c h ang e e n e r gy- s t o ri n g c o n c r e t e ； p a r aff i n ； b u t y l s t e a r a t e ； c e r a ms i t e ； h e a t t r an s f e r O 前言 建筑节能 技术的 开发与应用已 经成为当前建筑领域的 热点问题【1 】 。在建筑材料方面， 广泛应用的墙体保温技术虽然 可以降低能耗， 但是由 于材料本身的热容量有限， 不能充分 将能量进行储存利用，因而限制了其节能能力。相变材料 ( P C M ) 以其特有的性能相变过程为等温或近似等温过 程、 相变潜热远大于显热， 在太阳能利用及建筑热工中具有 广泛的应用前景2 - 3 1 。相变材料在建筑中使用， 可以充分利用 太阳能和季节 温差等可再生能 源，降低建筑物室内 温度波 动， 有效利用低峰电 力削 峰填谷， 减少能源支出， 提供健康舒 适的 室内 环境 问 。 本文首先研究石蜡顺 脂酸丁酯二元复合相变材料的热 基金项目： 厦门市科技计划资助项目( 3 5 0 2 Z 2 0 1 0 0 0 4 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 2 2 2 作者简介： 徐仁崇， 男， 1 9 8 2 年生， 山东威海人， 工程师， 硕士， 主要从 事高性能混凝土及新型建材的研究开发。地址： 3 6 1 1 0 0 ， 厦门市同安 区 新 民 镇 凤 岭 路 7 6 0号 ， E ma i l ： z x 2 9 3 1 1 6 3 c o m。 电话 ：0 5 9 2 7】 9 21 9 9。 物理性能， 筛选出 适用于建筑节能 领域的 二元相变材 料， 然后 使用 真空吸入 法， 将二元复 合相变 材料吸 入陶 粒内 部 孑 L 隙中 制 备出 相变骨料， 并对相变骨料 进行表面封装后， 用封装后的相 变骨 料配制出 相变 储能 混凝 土， 同 时 对其传 热性能 进 行研究。 1 原材料与试验方法 1 1 原材料 石蜡， 厦门厦鹭电化有限公司生产； 硬脂酸丁酯， 厦门市 缔泉化工有限公司生 产； 2 种相变材料的 基本性质见表l 。 表 1 2种有机相变材料的基本性质 陶粒， 厦门 鑫材陶 粒厂生 产， 密度等级4 0 0 k g m ， 筒 压强 度1 9 M P a ， 1 h 吸水率9 7 ； 砂， 中 砂， 细度模数2 8 ； 水泥， 福 建龙鳞水泥厂生产的4 2 5 级普通硅酸盐水泥； 减水剂， 聚羧 酸高效减水 剂， 科之杰新材料 有限 公司产i 水， 自 来水。 1 2 试验方法 1 2 1 热性能测试 采用D S C 分析方 法， 测试相变材料的相变 温度 及相变潜 N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇： 相变储能混凝土的配制及传热性能研究 热， 试验采取升温方式， 测试温度从一 3 0 升温至6 0 ， 升温 速率为5 C m i n 。 相变骨料的制备与封装， 首先将相变材料加热融化成液 体， 然后在负压条件下( 一 0 1 0 1 M P a ) 将相变材料吸入至事先 烘干的陶粒中， 试验装置见图1 。 图 1 真 空吸入装置示意 将相变陶粒取出， 放置于温度为1 0 的 环境中， 使骨料 中相变材料凝固， 然后采用环氧树脂将陶粒表面封装， 待环 氧树脂固化后即制得可用于配制相变混凝土的相变骨料。原 始陶粒与相变陶粒的比较见图2 。 叠 ( a ) 原始陶粒 ( b ) 相变陶粒 图2 原始陶粒及相变陶粒照片 1 2 2 混凝土力学性能试验 混凝土力学性能试验按照G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 通混凝 土力学性能试验方法进行，成型试件尺寸为 1 5 0 m m x l 5 0 m mx l 5 0 mm。 1 2 3 传热性能试验 将成型尺寸为2 0 0 m m x 2 0 0 m in x 6 0 l l l m的混凝土板垂直 放于试验台上，在混凝土板的一侧使用红外灯照射给予热 流， 同时记录板的另一侧温度随时间的变化值( 每3 m i n 记录 1 次) ， 根据测试结果绘制温度与时问的曲线。 2 试验结果及分析 2 1 二元复合相变材料的制备 在建筑节能领域， 目前国内外研究的相变材料主要有结 晶 水合盐 类无机相变材料和石蜡、 羧酸、 多元醇等有机高分 子相变材料。 结晶 水合 盐类无机相变 材料虽然具有熔化热 大、 导热率高、 相变体积变化小等优点， 但具有腐蚀性、 相变过程中 2 0 新型建筑材料 2 0 1 2 1 2 存在过冷和相分离的缺点， 限制了其广泛应用； 正烷烃的熔点 接近人体舒适温度， 但是价格 较高， 且掺 入建 筑材料中 会在材 料 表面结 霜 圈 。 因 此， 必须 将2 种或2 种以 上有 机相变 材料 进行 复 合， 开发 具有 合适相 变温 度及相 变潜 热的复 合相 变材料。 研究发现，石蜡与硬脂酸丁酯复合可形成二元低共熔体 系网 ， 试验按照石蜡与硬脂酸丁酯质量比为4 ： 6 、 5 ： 5 和6 ： 4 进 行复合得到二元复合相变材料。对二元复合相变材料进行 D S C 测试，得到3 种二元复合相变材料的相变温度与相变潜 热， 见 表2 与图3 。 表 2 3种二元复合相变材料的热物性能 图 3 3种二元复合相变材料热物性对 比 从表2 及图3 可以看出，石蜡与硬脂酸丁酯的二元复合 体系中，二元复合相变材料的相变温度随着石蜡含量的增大 而升高， 且相变潜热也随石蜡含量的增加而增大； 3 种二元复 合相变材料的相变温度为2 0 2 6 。我国民用建筑舒适性空 调设计参数规定， 夏季的居室温度为2 6 2 7 ， 冬季为2 0 2 2 ，本试验中复合的3 种二元复合相变材料的相变温度皆能 满足建筑节能的需求； 从相变潜热及市场价格考虑， 应当选择 相变潜热较大且较为 廉价的 相变材料，目 前石蜡的市场价格 较为便宜， 因此， 当石蜡与硬脂酸丁酯的比例为6 ： 4时， 是建 筑节能用二元复合相变材料的较优选择。 2 2 相变储能骨料热物性能测试 使用 “ 真空吸 入法” 将石 蜡与 硬脂酸丁 酯复 合的 二元相变 材料吸入至陶粒中， 测得相变材料在陶粒中的吸入量为3 2 4 ， 将相变骨料粉碎成细小颗粒后进行D S C 测试， 结果见图4 。 由图4可见，所测试相变陶粒的相变温度为2 6 1 ， 相 变潜热为5 9 7 J g ，按照相变材料在超轻陶粒中的吸附量为 3 2 4 计算，可以 得到相变材料吸附到 超轻陶粒后的相变潜 热为1 8 4 - 2 。 相比吸入陶粒前的相变材料， 吸入陶粒后的相 变材料相变温度提高了1 ， 相变潜热增大2 1 6 J g 。原因可 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇： 相变储能混凝土的配制及传热性能研究 邑 、 辏 艇 图 4 相变骨料热物性测试结果 以用克拉博龙公式( 1 ) 来解释： P = ， T ( 1 ) 式中： 气体压强， P a ； 气体体积， m s ； n 气体的物质的量， m o l ； 卜体系温度， K ； R 比例系数。 相变材料被约束到孔隙中， 当发生相变时体积会发生变 化， 由 于 孔隙的约 束作用会产生附 加应力， 这样相 变材 料所受 的气压力会比正常空气压力大， 从式( 1 ) 可知， 随着压力增大， 相变温度升高， 同时， 相变 潜热也相 应增大。 2 3 相变储能混凝土的配制与传热试验 使用环氧树脂将相变骨料表面封装， 用以配制相变储能 混凝土( 见图5 ) ， 混凝土的配合比 及试验结果见表 3 。 一 一 图 5 相变储能混凝土 表 3 混凝土配合 比及力学性能试验结果 原始陶粒2 7 2 6 5 2 6 5 2 5 8 1 5 8 5 9 4 2 0 3 2 7 5 相变陶粒2 7 2 6 5 6 8 8 0 5 8 1 5 8 4 9 5 2 3 8 3 2 8 从表3 可以看出， 相变储能混凝土的抗压强度高于普通 陶粒混凝土， 原因 是陶 粒内 部吸入了相变材料且表面被强度 较高的 环氧树脂封装， 粗骨料强度的增大提高了 混凝土的 强 度。对2 种混凝土板进行传热性能试验， 结果见图6 。 从图6 可以看出， 在加热初期， 2 种混凝土板的测温面温 度变化较小， 但是随 着加热时间的 延长， 测温面的 温度逐渐升 图 6 2种 混凝土 的温度变化曲线对 比 高， 2 种混凝土板中， 相变 储能混凝土板的 温升 速度明 显低于 普通陶粒混凝土板，且相变储能混凝土板的测温面温度变化 较为平缓， 温度波动较小； 在整个加热过程中， 2 种板的表面 最大温差为 l 1 3 q C 。 由此可知， 相变材料的加入提高了混凝土板的蓄热能力， 使热流产生延迟、 测温面温度波动变小， 大大减小了通过混凝 土板的传热量。因此， 将相变储能混凝土用于建筑围护中， 能 够减少墙体等的传热量， 起到降低建筑能耗的作用。 3 结论 ( 1 ) 石蜡与硬脂酸丁酯复合可得到二元复合相变材料； 当 石蜡含量为6 0 时，二元复合相变材料的相变温度为2 5 1 ， 相变潜热为1 6 2 6 J g ， 可作为建筑节能用复合相变材料。 ( 2 ) 石蜡 硬脂酸丁酯二元相变材料吸入到陶粒中后， 相 变温度升高且相变潜热增大； 使用环氧树脂封装相变陶粒， 不 仅可以防止相变材料泄漏， 还可以提高相变陶粒的强度。 ( 3 ) 与普通混凝土相比， 相变储能混凝土具有较高的蓄热 能力和较低的传热能力；将相变储能混凝土应用于建筑围护 中， 能够起到降低建筑能耗的作用。 参考文献： 1 】 涂逢祥 建筑节能 M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 2 】 王智宇， 林旭添 ， 陈峰 ， 等 相变储 能保温建筑 材料 的制备及 性能 评价 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 6 ( I 1 ) ： 3 5 3 7 【 3 F a r i d M M， K h u d h a i r A MA r e v i e w o n p h a s e c h a n g e e n e r g y s t o r a g e ：m a t e r i a l s a n d a p p l i c a t i o n s J _E n e r g y C o n v e r s i o n a n d Ma n a g e me n t ， 2 0 0 4， 4 5： 1 5 9 7 -1 61 5 【 4 尚燕 ， 张雄 相变储能材料的应用及研 究现状f J 材料 导报 ， 2 0 0 5 ， 1 9 ： 2 6 5 - 2 6 7 5 】 袁艳平， 白力， 牛彝 墙体相变材料的研究现状与发展趋势 J 材 料导报， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 2 9 1 3 1 【 6 王朋 ， 王宏丽 ， 李 凯 硬质酸 正丁酯和石蜡 复合相变储 热材料的 热性能测试叨 北方园艺， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 3 2 1 3 5 A NE W BUI L DI NG M ATE R I AL S 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m