模块化复合相变蓄热材料电暖墙结构设计及热特性.pdf

第 卷第 期 年 月吉林建筑大学学报 收稿日期：基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：芦国斌（），男，甘肃省定西市人，硕士研究生通讯作者：王春青，男，吉林省长春市人，教授，硕士 ：模块化复合相变蓄热材料电暖墙结构设计及热特性芦国斌，王春青，张晗，袁威吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春 摘要：填充相变蓄热材料的建筑围护结构可大幅提高建筑蓄热能力，降低建筑能耗，是建筑减碳的有效手段 本文将填充相变蓄热材料石蜡微胶囊的泡沫碳化硅与电热膜组合，设计制作了石蜡微胶囊 泡沫碳化硅复合相变蓄热材料电暖墙模块和石蜡微胶囊复合相变蓄热材料电暖墙模块，并在间歇供暖运行条件下实验测试了两组模块的温度，应用 数据装置采集了模块相变层内、结构层外表面及电热膜不同时刻的平均温度数据 结果表明，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组相变蓄热的持续时间较石蜡微胶囊组缩短了 ，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组相变放热的持续时间则较石蜡微胶囊组缩短了 ，石蜡微胶囊泡沫碳化硅组结构层外表面放热时间持续了 ，结构层外表面放热平均温度为 分析表明，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组中作为载体的泡沫碳化硅强化模块传热作用显著 每日夜间电热膜通电加热蓄热 后，电暖墙模块向室内放热的时间可持续 ，满足全天供暖需求 因此，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅复合相变蓄热材料电暖墙模块对电供暖方式的推广应用具有参考价值关键词：建筑减碳；间歇供暖；采暖墙板模块；相变蓄热中图分类号：文献标志码：文章编号：（）牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 吉林建筑大学学报第 卷 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 引言我国是世界上既有建筑和每年新建建筑量最大的国家 建筑能耗已占社会总能耗的 实现碳达峰和碳中和是建筑行业节能减碳面临的重大挑战，低碳转型迫在眉睫 目前，在建筑中广泛采用内外墙保温技术提高建筑围护结构节能水平 由于其低热容性无法将白天太阳辐射的热量储存起来，不能完全达到节能效果 ，借助于相变材料的潜热特性将太阳能或谷时电的产热量蓄存起来，在日照不足或用电高峰期时释放热量，维持建筑供暖需求 通过间歇供暖调节，实现清洁电能供热与围护结构蓄热相结合的新型供暖模式，这将有助于清洁电能资源的高效利用，为建筑电气化供暖发展提供高效解决方案，助力建筑减碳目标相变墙板（，缩写 ）是含有一定相变材料（，缩写 ）的墙板，已有诸多学者通过实验对其热物性、与气候环境之间的匹配程度以及在建筑结构中应用方式的最优化设计等方向进行研究 深圳大学石宪、崔宏志 通过实验测试了相变墙板位于房屋围护结构不同位置时室内温湿度的变化，发现 位于墙体夹层中时调温效果最好，将 贴于墙体外表面时传湿效果最好柳鹏鹏等 人在建筑墙体内外表面添加定型相变板，分析了相变材料厚度、相变温度对建筑运行能耗和建筑室内热环境的影响，得出相变材料推荐使用厚度以及其对应的相变温度 用于相变墙板的 在多次蓄放热过程中不可避免地发生泄漏，严重影响其蓄热性能且其腐蚀性对结构安全性又有较大隐患 李兴会等 人综述了有机相变材料的封装与导热强化技术，对相变材料普遍存在的易泄漏和导热率低等问题给出了指导建议 冯国会等 人将石膏板浸入提前混合好的不同比例 的 中，制成相变石膏板，通过差示扫描量热仪（，缩写 ）分别测量了相变石膏板在冬夏两个季节的热特性，表明相变材料可有效提高建筑室内热舒适性 本文设计一种将复合相变蓄热墙板与电热膜组合而成的模块化复合相变蓄热材料电暖墙结构，并研究制作适用于该电暖墙系统的复合定形相变材料墙板模块 通过将复合相变蓄热材料与电暖墙系统相组合，对其整体结构进行优化设计，使相变蓄热技术与电热膜供暖结合，达到既建筑节能又减小室温波动幅度提高室内舒适度的目的 实验设置 模块化相变蓄热电暖墙模块的制备利用载体微孔结构的表面张力和毛细作用力吸附液态石蜡制作复合相变材料，可有效避免石蜡的泄漏 石蜡微胶囊就是一种以石蜡相变材料为囊芯、以合成高分子材料为壁材的复合定形相变储热材料 泡沫碳化硅是一种具有均匀三维立体网状骨架结构和贯通气孔的新型非金属多孔材料，其比表面积大、热导率大、热性能优良 本实验选用具有适宜熔点的复合相变蓄热材料石蜡微胶囊成品和具有良好导热和热稳定性的泡沫碳化硅成品，并将它们混合加工处理成的实验用样品，在此基础上再将其制作成最大设计尺寸为长 宽 厚 的单个定形复合相变蓄热材料板模块 选用白乳胶对石蜡微胶囊 泡沫碳化硅复合相变蓄热材料进行二次封装 选用石墨烯电热膜（电发热功率为 ）作为电暖墙的内热源，在通电加热后电热膜传热表面温度最高不超过 ，其电热转换效率可接近 电暖墙模块由保温层、电热膜、相变蓄热层和结构层构成，其中结构层外表面与室内环境接触进行对流换热，向室内供暖；假设模块温度只沿墙厚一个维度变化，其他两个维度均近似不变，因此模块温度测点仅沿一个维度布设 个，即电热第 期芦国斌，王春青，张晗，袁威：模块化复合相变蓄热材料电暖墙结构设计及热特性 膜中心点设 个、相变蓄热层内中心点设 个、结构层外表面中心点设 个 模块复合定形相变蓄热材料电暖墙模块的内部结构及温测点布局如图 所示?图 模块内部结构及温测点布局 实验系统设计相变蓄热电暖墙系统如图 所示 系统运行时主要伴随着加热和相变蓄热两个过程 接入输入端与城市公共电网相连接，以民用电为电暖墙系统的电源 通过时控开关对电暖墙体系统装置进行加热，实现电供暖系统通电加热向室内供暖，同时电暖墙系统内设的复合定形相变储热材料模块开始蓄热，并在系统断电不供暖期间，经相变向室内释放潜热，满足室内供暖需求?图 相变储热电暖墙实验系统 实验条件实验测试在长春市供暖期内进行，测试房间温度为 ，房间内无其他辅助热源供暖 实验期间，供暖启停时间根据系统运行模式设置，即 至次日 通电蓄热供暖，之后断电放热供暖 测试以当日 至次日 为 个周期，共连续重复测试 个周期，通过接入的 时控开关来定时控制实验台的启停，运行中 数据装置自动采集设于相变层内、结构层外表面及电热膜各个测点温度数据，待测试结束后进行分析处理 实验方案在正常运行工况下，电暖墙模块的传热特性实验在民用电驱动下完成 在控制电热膜加热功率与加热时间一致的条件下，对以下两组电暖墙模块进行实验对比：模块 蓄热层填充石蜡微胶囊与泡沫碳化硅组合成的复合相变材料模块模块 蓄热层填充石蜡微胶囊与水泥砂浆组合成复合相变材料模块，其中水泥砂浆作为骨架支撑结构两组模块中填充同量、熔点均为 、熔化潜热均为 的相变蓄热材料石蜡微胶囊 由于纯石蜡熔融后易泄露、不定形，因此模块 、模块 均选相同的石蜡微胶囊作相变蓄热材料 吉林建筑大学学报第 卷 结果及分析 蓄热过程蓄热过程持续加热 （），实测的模块相变层内温度随时间变化曲线如图 所示由图可以发现，在初始加热阶段相变层内温度迅速升高 当热环境温度达到相变点 左右时，两组相变模块中的相变石蜡均开始熔融并吸收大量相变潜热，此时石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组的蓄热升温速率明显快于石蜡微胶囊组 由于粘连在热电偶上的固体团状相变材料在加热时会脱落，导致石蜡微胶囊在相变过程中温度上升速率较快 在继续加热升温过程中，相变后的石蜡微胶囊受电热膜加热的影响持续升温通过对比两组模块中相变层内升温数据，在初始显热蓄热阶段，相变层内温度迅速上升，石蜡微胶囊组加热 后从初始温度 升至相变温度 ，而石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组完成此过程的时间仅需 ，预热时长相对减少了 ，说明泡沫碳化硅对模块的传热有明显的强化作用在相变蓄热阶段，石蜡微胶囊组发生相变过程的时间范围为 ，而石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组发生相变过程的时间为 ，后者较前者缩短了 最后，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组也更快地接近峰值温度 由此说明，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组的相变蓄热效率优于石蜡微胶囊组，添加泡沫碳化硅后可缩短模块相变层的蓄热时间，提高模块的蓄热能力实测的模块结构层外表面温度随时间变化曲线如图 所示?图 蓄热期间相变层内温度 时间变化曲线?图 蓄热期间结构层外表面温度 时间变化曲线 由图 可以发现，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组在初期预热阶段的结构表面升温曲线斜率明显高于石蜡微胶囊组，其在整体蓄热过程中的升温趋势也较为稳定，变化幅度相对较小，更近似于一条半抛物线 综合发现电暖墙体结构内置相变层能够减缓其结构表面的温度变化幅度，以泡沫碳化硅作为载体可以更好地增强相变层与结构层之间的传热，但由于结构层内表面与相变层外表面之间隔有一定厚度的水泥砂浆，且结构层外表面直接与室内环境进行换热，使得相变层热量在传向其上结构层的过程中会存在衰减现象，导致其整体阶段性升温变化不如相变层明显，升温速率减缓时间略有延迟 实测的模块电热膜温度随时间变化曲线如图 所示由图 可以看出，相变层不同也会影响热电膜的温度场，虽然两种模块实验台的电热膜发热功率相同，但石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组模块的电热膜温度却高于石蜡微胶囊组，整体升温过程变化也提前趋向平稳这是由于石蜡微胶囊中的载体泡沫碳化硅具有良好导热性，使相变层内的升温迅速，从而导致电热膜整体温度随之升高，提前接近峰值综上所述，通过与石蜡微胶囊组的对比发现，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组作为电暖墙中的相变层可有效地提高墙体的蓄热效率，增强电热膜、相变层和结构层三者之间的传热，并在蓄热期间维持较好的热平衡性，使得结构层外表面温度变化平稳，从而减少温度波动大所带来的不适感，其整体模块展现出较好的热性能第 期芦国斌，王春青，张晗，袁威：模块化复合相变蓄热材料电暖墙结构设计及热特性 此外，模块结构层外表面在电加热过程中的平均温度为 ，并未超过国家现行标准所规定的内墙面辐射供暖平均表面温度上限值 ，即说明此模块在实际应用中符合规范要求，具有应用可行性?图 蓄热期间电热膜温度 时间变化曲线?图 放热期间相变层内温度 时间变化曲线 放热过程放热过程持续 （），实测的模块相变层内温度随时间变化曲线如图 所示由图 可知，两组电暖墙模块结构中相变层的放热过程也包括 个阶段变化 在初始阶段，相变层内部的液相石蜡以显热的形式释放热量来降低自身温度，使得相变层内部的温度下降速度较快并形成较大温差其中，石蜡微胶囊组在相变前持续的放热时间为 左右，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组在相变前持续的放热时间为 左右，后者较前者的放热时间缩短了约 （缩短了 ）；实验选取的石蜡微胶囊试样的大致相变温度范围为 ，相变峰值温度近似为 ，当相变层内温度下降到 左右时，放热进入相变阶段，此时液相石蜡已达相变点并开始从液态逐渐凝固成固态，温度下降速率也开始趋于缓慢，近似于等温放热，其中石蜡微胶囊组在潜热放热过程的持续时间约为 ，而石蜡微胶囊泡沫碳化硅组在此过程的持续时间约为 ，后者较前者的潜热放热时间缩短了约 ；待相变过程结束后，石蜡由液相转为固相并继续以显热方式向结构层释放热量，放热开始进入最后的显热放热阶段，此时两种模块相变层内的温降速率较潜热放热阶段略有提高，但与初始阶段相比较为缓慢，最后逐渐趋近于室内环境温度实测的模块结构层外表面温度随时间变化曲线如图 所示?图 放热期间结构层外表面温度 时间变化曲线?图 放热期间电热膜温度 时间变化曲线 综合图 和图 来看，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组的放热曲线阶段性变化整体不如石蜡微胶囊组明显，这是由于单质石蜡传热性能较差，放热速率较慢，积累的热量不易向外迅速释放，从而易形成较为明显的温 吉林建筑大学学报第 卷度梯度 而模块添加泡沫碳化硅后增强了相变层的导热性，使得石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组在放热过程中的前中期释放热量更大，放热速率更快，故导致每阶段的温度变化幅度相对较小，放热温度曲线分布也较为均匀 由此说明，电暖墙结构内添加泡沫碳化硅可有效提高石蜡微胶囊在放热过程中的相变速率，有利于加快相变层储存热量的释放，减小放热的温度梯度实测的模块电热膜温度随时间变化曲线如图 所示 由图 可以看出，电热膜温度在关闭电源后开始迅速下降，但在放热过程结束时其温度高于对应结构层的外表面温度 这是由于电热膜介于保温层与相变层之间，未直接与室内环境进行热交换，最后所堆积的热量也难以很快地全部释放，再加上此处固定 型热电偶测点的铝箔胶带也具有一定的保温作用，所以导致放热过程结束后所测得的温度较结构层外表面温度高 通过对比分析发现，电热膜受其上方相变层的影响，当放热 左右时，温度下降速率开始逐渐趋缓 与石蜡微胶囊组相比，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组电热膜温度在整个放热过程中下降趋势较稳定，波动也较小 结论通过对比相变蓄热模块各层温度与时间关系曲线，得到以下结论：（）以泡沫碳化硅为骨架支撑基体，可增强相变蓄热模块整体的传热，提高模块相变的均匀性 蓄热过程中，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组相变层发生相变的持续时间较石蜡微胶囊组缩短了 （即缩短了 ）；放热过程中，石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组相变层初始显热放热的持续时间较石蜡微胶囊组缩短了 （即缩短了 ），石蜡微胶囊 泡沫碳化硅组相变层发生相变的持续时间较石蜡微胶囊组持续时间缩短了 （即缩短了 ）（）该系统可充分利用夜间低谷电来满足日常家庭供热需求 在夜间蓄热 后电暖墙模块持续放热时间约 ，其热性能可以满足相变储能电暖墙系统的运行（）系统正常运行下，在供暖季内通过民用电可满足其电暖设备的用电需求，对建筑节能、减小电网负荷及削峰填谷等方面均具有实用意义参考文献 刘海柱，丁洪涛，李童瑶，郭阳阳，赵光普 我国民用建筑能耗现状及发展趋势研究 建设科技，（）：肖伟，王馨，张寅平 轻质建筑中定形相变内隔墙板冬季应用效果研究 工程热物理学报，（）：陈颖，裴浩斐，商佳棋，谢新奇 光伏耦合相变蓄热技术在低能耗建筑供暖系统中的应用 能源研究与管理，（）：伏舜宇，沈仲华，杨英英，武卫东 相变材料应用于建筑围护结构中定型封装方法研究进展 化工新型材料，（）：石宪，崔宏志 相变材料在墙板不同位置对室内温湿度调节差异的研究 建筑节能，（）：，柳鹏鹏，朱娜，胡平放，刘福利，江章宁，雷飞 一种新型双层定型相变墙体节能效果分析 建筑科学，（）：李兴会，陈敏智，周晓燕 复合定形相变材料的封装及应用研究新进展 工程科学学报，（）：冯国会，胡俊生，吕石磊，曹广宇，陈其针，郭慧宇 含脂酸类相变材料的相变墙板热特性分析 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