北方村镇自采暖建筑用相变材料储热性能研究_谢家斌.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.014北方村镇自采暖建筑用相变材料储热性能研究RESEARCH ON PROPERTIES OF THE ORGANIC PHASE CHANGE MATERIALS FOR SELF HEATINGBUILDINGS IN NORTHERN CHINA谢家斌1，高小建2，江守恒1（1.哈尔滨学院，土木建筑工程学院，哈尔滨 150000；2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150000）XIE Jiabin1,GAO Xiaojian2,JIANG Shouheng1（1.Harbin University,School of Civil Engineering,Harbin 150000,China;2.Harbin Institute of Technology,School of CivilEngineering,Harbin 150000,China）【摘要】我国北方大多村镇建筑仍以火墙等形式采暖，这种间歇式自采暖方式存在能源利用率低和舒适性差等缺点。相变材料由于在其发生相变的过程中可吸收或释放热量，若将其应用在自采暖建筑中，则可极大提高能源利用率，同时通过维持恒定的室内温度恒定以保证居住舒适性。文中主要研究单质和复合相变温度在3070之间的有机相变材料的储热性能，通过差示量热扫描试验和体积变化率试验分析，获得了相变温度3747与相变潜热146152J/g的复合相变材料，可以在严寒地区村镇自采暖建筑作为储热材料使用。【关键词】自采暖建筑；相变材料；相变潜热；储热材料【中图分类号】TU832【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0061-05Abstract：Most villages still use fire wall system for heating in the buildings in northern China,and the system haslow energy utilization ratio and comfort level.Phase transformation materials employed in the buildings can not onlygreatly improve the ratio of energy utilization,but also provide a comfortable living environment,which absorbs andreleases heat in the process of phase transition.Energy storage capacity of organic materials with the phase transitiontemperature range from 30 to 70 is studied,among which the composite materials are selected for the buildings.The latent heat of the materials with phase change temperature of 37 to 47 is 146J/g to 152J/g,which is measured by differential scanning calorimetry test and the ratio of volume change test.The materials can be used as thermal storage materials for heating in the buildings in the cold regions of China.Key words：self-heating building;the phase change materials;latent heat of phase transformation;energy storagematerials0引言村镇中这种通过间歇添加煤炭和木柴等燃烧物提供热量，没有采用集中供暖的自用住宅，被称为间歇式自采暖建筑，火墙作为其热源在中国已有悠久历史，可追溯到汉代，西安阎家村汉代建筑遗址的炉灶，其结构形式近似现代的火墙。现今，我国北方地区仍有很多村镇在使用这种采暖方式，这种采暖方式集取暖、做饭与保健于一体，取材方便，成本低，使用简便，被广大群众所认可，其炉灶中产生带有热量的烟气，通过烧结砖等材料砌成的空心短墙时，烧结砖等材料会通过自身蓄热及传导向室内释放热量，由于烧结砖等材料自身蓄热能力有限，在采暖时段大量的热量传到室内，室内温度过高，而非采暖时段，材料自身释放的热量较少，室内温度过低。因此对于采用这种间歇式采暖方式的建筑，其舒适性极差。此外火墙等传统间歇式采暖方式，虽然经过了几千年的发展，但是由于结构以及取材无太大改变，致使其热工性能差，造成了大量能源浪费。长期使用下去，将对我国的能源造成严重的负担，不利于生态和经济的可持续发展。因此火墙的用材和设计方法等方面的改良势在必行。相变材料是一种随温度变化而改变物质相态并能提供相变潜热的材料，其在转变相态的过程中，将吸收或释放大量的潜热且保持温度恒定。在建筑供暖中，若能充分利用相变材料的特性，将其与火墙有效的结合，既可将多余热量贮存在材料中，也可在需要的时候释放出去。从而提高了建筑能源利用率，同时还利用相变过程中温度恒定的特点提高了居住舒适性。相变材料经过几十年的发展，相变储热系统和建基金项目 国家科技支撑计划课题“严寒地区村镇建筑材料、结构与节能一体化技术”（2013BAJ12B03）61低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用筑用相变材料被广泛应用于各个研究领域1，特别在航天、建筑、服装、制冷设备和军事方面有着广泛的应用，并且在一些领域相变材料也取得了较大的突破。美国的Corina Stetiu等2通过数值模拟和试验研究了相变材料在节能方面的效果，其研究结果表明，带有相变材料的供冷系统，无论在美国的什么地点或者什么气候下，平均可以节约能耗约30，其节能效果非常明显。土耳其的Ahmet Sar3以及法国的Xavier Py等以固-液相变材料-石蜡/高密度聚乙烯混合物作为试验对象进行研究，在这种复合相变材料中，以高密度聚乙烯为骨架，填充相变材料石蜡，既保证了强度，又防止材料泄漏。这类复合相变材料又被命名为定形复合相变材料。这种复合相变材料综合了导热性以及储热性，并且加入了膨胀石墨后4，就制成了性价比较高的复合相变材料。A.K.ATHIENITIS5对相变石膏板进行了研究，通过试验和数值模拟对比分析，在使用相变石膏板的建筑中，室温白天可降低4左右，夜间也能显著降低的热负荷。英国的Dariusz Heim等6也发现了在供暖期相变石膏板可以通过贮存太阳能来减少能源消耗。西班牙的Servando lvarez等7发现提高相变材料与空气的接触面积，可以显著提高对流传热系数，从而提高其使用效果。王永伟、李文丽8验证了在混凝土中加入了定形相变骨料可以降低水泥水化热产生的温度，减缓温度上升的速度，达到降低温度应力的目的。徐仁崇9将相变材料封装在陶粒后制备的混凝土强度高于普通陶粒混凝土。以上研究促进了相变材料在建筑节能方面的应用，大部分研究是在室温环境下开展，且以夏季制冷居多；此外封装方式则更多以微观封装为主。因此文中旨在找到适用于采暖期火墙温度的相变材料，并且储热能力突出，可以提高能源利用率和节能。1有机相变材料的选择1.1初选单质有机相变材料考虑到相变材料须在混凝土结构中起到作用，所以选用发生相变的温度在3070之间的相变材料，相变潜热在 150200J/g 之间，所用材料纯度为分析纯。1.2单质有机相变材料的DSC测试结果通过对选择的相变材料单质进行差式量热扫描法（DSC）测试，测试出实际的相变温度和相变潜热。DSC曲线中，曲线波峰的位置对应的温度即为相变温度，波峰所形成的面积即为相变潜热。表1列出了试验的DSC测试结果，可以得出，相变温度都满足要求，但是相变潜热只有硬脂酸、十四酸、十六酸、月桂酸和肉豆蔻醇满足要求，相应的DSC曲线见图1图8。表1试验所选材料的DSC测试结果序号12345678材料石蜡58（58）石蜡60（60）石蜡62（62）硬脂酸（S）十六酸（P）十四酸（MA）月桂酸（L）肉豆蔻醇（T）相变温度/60.4661.1261.1259.2466.3857.9748.7841.27相变潜热/（Jg-1）121.167112.219116.061163.173184.724163.440161.081160.256图1石蜡58时DSC曲线302520151050-5热流率/mW石蜡583035404550556065707580温度/图2石蜡60时DSC曲线302520151050-5热流率/mW石蜡603035404550556065707580温度/302520151050-5热流率/mW石蜡623035404550556065707580温度/图3石蜡62时DSC曲线621.3复合相变材料的制备理想液态混合物是指低共熔点时的混合物，两种固相材料以适当比例互混后，在某一温度下可以同时熔化，这个温度就是低共熔温度，由低共熔温度和低共熔组分所决定的点叫低共熔点，此时的物质性能最为稳定。与单一相变材料的相变过程相比，二元复合相变材料发生相变过程较更加漫长，即认为其可以持续放热。为了制备性能稳定的二元复合相变材料，因此需要找到其的低共熔点。为预测低共熔点的比例，可通过施罗德（Schroder）公式计算得到。通过计算两种材料在不同比例下的温度，可得到取低温度下材料的比例，即为低共熔点的比例。由施罗德公式可知：T=Tf lsHAlsHA-Tf R lnxA（1）式中，xA为混合物中A的摩尔分数；lsHA为纯物质A的熔化潜热，J/mol；Tf为纯物质A的熔化温度，K；T为含有物质A的混合物的熔化温度，K；R为气体常数，8.315mJ/mol。通过DSC测试，可得到单质相变材料的相变温度（Tf）和相变潜热（lsHA），再利用式（1）以T对xA作图，可计算出二元复合相变材料的理论低共熔点（xA，T）。具体试验方法：按照式（1）确定两种材料的质量，通过天平精确测量后，将两种材料混合倒入试管中，放到数显控温电热套所营造的水浴条件下进行加热熔化，搅拌均匀后放到室温下进行冷却，待完全冷却后，即可得到复合相变材料。1.4复合相变材料的制备结果由表1可知，40段的月桂酸与50段的十四酸相变潜热较低，所以这里将硬脂酸与月桂酸、十六酸与月桂酸、硬脂酸与十四酸这3种二元混合物作为研究对象。各组二元混合物的低共熔点（xA，T）见图9图11。图中，左边的曲线是相变材料A的溶解度曲线，也可以80706050403020100热流率/mW硬脂酸3035404550556065707580温度/图8肉豆蔻醇DSC曲线80706050403020100热流率/mW十六酸3035404550556065707580温度/图5十六酸DSC曲线6050403020100热流率/mW十四酸3035404550556065707580温度/图6十四酸DSC曲线图7月桂酸DSC曲线303540455055606570758085温度/403020100热流率/mW月桂酸6050403020100热流率/mW肉豆蔻醇3035404550556065707580温度/图4硬脂酸DSC曲线63低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用认为A的冷却点降低曲线；右边的曲线是相变材料B的溶解度曲线，两条曲线交点的横坐标即为复合相变材料中单质A的百分含量，纵坐标为其共熔的低温度，表2为相变温度的理论低共熔温度点及摩尔比。最终通过DSC，测得的6种比例的结果见表3，可以看出，通过公式预测的低共熔点温度与实测温度基本