脂肪酸相变储能板性能及控温效果模拟_李琳.pdf

第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology脂肪酸相变储能板性能及控温效果模拟李琳1,2，王宇1,2，钱雯艳1，李东旭3（1宿迁学院建筑工程学院；2江苏省装配式建筑与智能建造工程研究中心，江苏 宿迁 223800；3南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）摘要：以膨胀珍珠岩(EP)作为载体，选取CA-MA二元脂肪酸为相变芯材，通过熔融吸附法制备CA-MA/EP定形相变材料。为缓解固-液相变过程中脂肪酸的渗漏问题，采用白乳胶对CA-MAEP质量比为11的定形相变材料进行包覆，将该定形相变材料掺入石膏基体中制备脂肪酸相变储能板，并对其进行了热导率、热物性及比热容的测试。结果表明，渗出稳定性评价证实了白乳胶包覆有效降低了脂肪酸从载体孔隙中渗出，CA-MA/EP定形相变材料的质量损失率由8%降低至4%，进一步强化了EP对于脂肪酸芯材的定形效果，有利于提高相变储能板使用过程中的长期储能稳定性和美观性。包覆后CA-MA/EP定形相变材料的相变温度和相变潜热分别为24.64 和58.07 J/g。相变储能板的相变温度和相变潜热分别为24.62 和29.10 J/g，其热导率随着定形相变材料掺量的增加而逐渐降低。利用Energy Plus软件对徐州夏季气候条件下基于相变围护结构的建筑室内温度波动进行模拟，证实了相变储能板具有隔热控温效果。关键词：脂肪酸；相变储能板；控温效果；模拟doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0503 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-247-08Performance and temperature control effect simulation of fatty acid phase-change energy storage boardLI Lin1,2,WANG Yu1,2,QIAN Wenyan1,LI Dongxu3(1School of Civil Engineering and Architectural,Suqian College;2Jiangsu Province Engineering Research Center of Prefabricated Building and Intelligent Construction,Suqian 223800,Jiangsu,China;3College of Material Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,Jiangsu,China)Abstract:CA-MA/EP-shaped phase-change material(PCM)was prepared by melt adsorption with expanded perlite(EP)as the carrier and CA-MA binary fatty acid as the phase-change core material.CA-MA/EP(mass ratio=1 1)coated with white latex was mixed into the gypsum matrix to prepare the phase-change energy storage board to alleviate the leakage of fatty acid during the solid-liquid phase-change process.The thermal conductivity,thermal physical properties,and specific heat capacity were tested.The exudation stability evaluations finding supported the white latex coatings capacity to successfully reduce fatty acid exudation from EP,and the mass loss rate of the CA-MA/EP-shaped PCM was reduced from 8%to 4%,further strengthening EPs ability to shape fatty acid.In the meanwhile,the long-term energy storage stability and aesthetics of the phase-change energy storage board were improved.The phase-change temperature and latent heat of CA-MA/EP and phase-储能测试与评价收稿日期：2022-09-04；修改稿日期：2022-09-19。基金项目：国家自然科学基金项目（51872137），宿迁市科技计划资助项目（K202141），2021年宿迁市千名拔尖人才培养工程项目。第一作者及通讯联系人：李琳（1983），女，博士，副教授，研究方向为建筑节能材料，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术change energy storage board were 24.64 and 58.07 J/g,and 24.62 and 29.10 J/g,respectively.As the content of shaped PCM rose,the thermal conductivity steadily decreased.The energy plus software was used to simulate the indoor temperature fluctuation of the building based on the phase-change building envelope under the summer climate conditions of Xuzhou.It was confirmed that the phase-change energy storage board has the effect of heat insulation and temperature control.Keywords:fatty acid;phase change energy storage board;temperature control effect;simulation随着国民经济的飞速发展和生活水平的提高，人们对于居住环境舒适度也提出了更高的要求，用于采暖、通风、制冷等设备的能耗也随之逐年上升，目前，我国建筑能耗已接近能源消耗总量的三分之一1-4。为缓解能源大量消耗与使用需求之间的矛盾，近年来国家大力推广新型节能墙体材料，通过增加结构自身热容和蓄热能力来优化建筑的控温效果。储能技术可通过显热储能、潜热储能和化学反应储能3种方式提高能源利用率而达到节能效果，被视为缓解能源短缺的重要手段之一5-7。其中，潜热储能技术以相变材料为功能介质，借助相变过程中吸收或释放环境热量实现控温作用，具有储热密度高、节能效果显著等优势8-9。国内外学者研究成果表明将相变材料应用于建筑领域可以起到减小设备负荷、降低室内温度峰值、提高舒适度的作用，符合目前人们对于节能建筑围护结构的功能需求10-15。Kong等16采用真空吸附法制备了石蜡/膨胀珍珠岩复合材料，将其与嵌入铜管的板式蓄热器组合连接到太阳能加热系统，可延长太阳能热采暖系统的使用周期，对于提高建筑围护结构的控温效果和缓解温度波动有积极作用。Zhu等17提出一种由相变材料与传统材料结合而成的三层夹心式新型复合墙体系统。该系统外层材料的相变温度适用于夏季，与室内相连的内层相变温度可在冬季工作，中间层是起到隔热作用的砖，研究结果有助于降低冬冷夏热地区建筑围护结构全年的空调设备能耗。Ascione等18将相变材料应用于建筑围护外墙内壁，对5种地中海气候的逐时能耗展开了模拟研究，结果表明相变墙体传热效果受到季节、外墙朝向以及相变材料摆放位置等因素的影响。Sayyar等19采用脂肪酸和膨胀石墨制备了纳米PCMs，使用多层墙板设计将该纳米PCMs与石膏墙相结合后不仅缩短了室内温度波动范围，同时延迟了达到峰值温度的时间。Becker20对地中海气候下基于相变储能特性的建筑与普通传统建筑展开对比研究，结果显示，基于相变储能特性的建筑节能率高达57%，且夜间强化通风对于释放日间储能至关重要。本工作制备了CA-MA/EP定形相变材料，并采用白乳胶对其进行包覆从而缓解了固液相变过程中脂肪酸的泄漏。将包覆后的定形相变材料以不同比例掺入石膏制备相变储能板，利用Energy Plus软件对建筑围护结构的控温效果进行模拟分析，对比相变储能板和传统围护结构的控温效果之间的差异。1 实验1.1实验材料本研究采用肉豆蔻酸和癸酸作为相变材料，两者均为化学纯，分别购于阿拉丁试剂(上海)有限公司和国药集团化学试剂有限公司，脂肪酸的热性能参数见表1。膨胀珍珠岩作为载体，白色颗粒状，吸附性强，无毒，购于信阳市厚普矿业材料厂。白乳胶作为包覆材料，购于绿松林黏合剂制品有限公司。建筑石膏购于优索化工科技有限公司。1.2定形相变材料的制备将膨胀珍珠岩进行12 h以上的烘干处理，待去除孔隙内水分后，将熔融态CA-MA与膨胀珍珠岩在烧杯中混合后置于65 烘箱加热1 h，为提高脂肪酸与膨胀珍珠岩的吸附程度，每20 min搅拌一次。为进一步提高定形效果，选取白乳胶对冷却后的CA-MA/EP进行包覆，用玻璃棒搅拌均匀，待白表1脂肪酸的热性能参数Table 1Thermophysical parameters of the fatty acids种类癸酸肉豆蔻酸分子式C10H20O2C14H28O2分子量172.26228.37相变温度/34.855.1相变潜热/(J/g)146.5175.7248第 1 期李琳等：脂肪酸相变储能板性能及控温效果模拟乳胶完全包裹膨胀珍珠岩后将其平铺，在室温下通风晾干24 h，得到包覆处理的CA-MA/EP定形相变材料。1.3定形相变材料的渗出情况为掌握脂肪酸与膨胀珍珠岩的吸附情况，分别称取0.5 g不同配比的CA-MA/膨胀珍珠岩放置于铺设定性滤纸的托盘内，在 45 的烘箱中加热30 min，根据滤纸吸附的脂肪酸渗漏油印比较渗出圈，并计算定形相变材料的质量损失率。1.4相变储能板的制备首先将石膏粉和水按照0.6的水膏比混合，然后加入减水剂后搅拌30 s，分别掺入不同质量的相变材料均匀搅拌后倒入300 mm300 mm30 mm的模具中压实并刮平，待浆体硬化后脱模得到成形的相变储能板，其配合比见表2。由于拌合物的和易性随着相变材料掺量的增加而逐渐变差，拌合过程中表2中的3#出现部分颗粒团聚和流动性降低的现象，硬化后的4#试样不易脱模，综合考虑选取2#相变储能板作为研究对象，讨论其储能特性及将其应用于建筑中的控温效果。1.5性能测试差示扫描量热分析：采用美国 Perkin Elmer DSC6000测试相变材料的相变潜热和相变温度，氮气保护，0100，升温速率10/min，铝样品皿加盖；热导率测试：采用北京世纪建通科技股份有限公司生产的JTRG-111型热导率测定仪对相变石膏板和普通石膏板的热导率进行测定。2 实验结果与讨论2.1定形相变材料的液相渗漏分析常压下采用熔融吸附法制备CA-MA/EP定形相变材料，由于脂肪酸和载体之间是依靠物理吸附作用工作，因此在固-液相变过程中会产生液态渗漏现象并影响相变材料的长期储能稳定性。为了缓解这一问