工学论文：相变储能保温建筑材料的制备及性能评价

     摘要：以石蜡为相变储能物质，以水泥、粉煤灰、增塑剂、减水剂、聚丙烯纤维、膨胀聚苯颗粒和膨胀珍珠岩为原料制备了纤维增强相变储能保温建筑材料。并通过自行设计的检测设备检测该相变储能材料的调温性能、稳定性和节能效果。检测结果表明，含石蜡相变储能材料相对于普通材料具有优越的调温效果、节能效果，稳定性良好。
　　关键词：相变材料；节能；调温效果；稳定性
     1 实 验1.1 原料配比主要实验原料的配比（质量比）1.2 相变储能保温箱体的制备本实验采用石蜡作为储能物质，相变温度为 30 ℃。首先，在 60~80 ℃的条件下，将石蜡（石蜡干基含量为 9%）与膨胀珍珠岩（颗粒直径 2~4 mm，密度 110 kg/m3）混合均匀，并通过多次真空吸附工艺将石蜡完全吸附进入膨胀珍珠岩孔隙中，制成石蜡/膨胀珍珠岩复合物。
　　将水泥、粉煤灰、增塑剂和减水剂搅拌 2~3 min，待均匀后再加入适量的水，继续搅拌，并加入已制备的石蜡/膨胀珍珠岩复合物。充分搅拌均匀后制得相变储能保温浆料，将其倒入预先做好的模磨具中，静止 1~2 个星期后，制得相变储能保温板材。另外，依照以上方法制备不含石蜡的普通保温板材用于对照测试。利用上述板材制备相变储能保温箱体和普通保温箱体各 1 个，大小均为 40 cm×40 cm×40 cm，壁厚为3 cm，以备检测用。
　　1.3 相变储能保温建筑材料性能的测试自制的检测装置：将制成的 2 个待测密封普通保温箱体、相变储能保温箱体置于合适的外箱体中，通过热电偶 C 对箱内温度的探测，并利用人工智能温度控制器、接触调压器控制加热器加热情况，从而实现对箱体内温度的控制，均温风扇和均温隔热板使箱体内温度分布更均匀；利用计算机和多路温度测试仪检测 1、2 箱内温度变化和 2 个待测箱所处特制箱体温度的检测（2 个测试箱内分别用热电偶A、B 测试温度，热电偶 D 检测特制箱体的温度）以及对温度变化的纪录。
　　检测条件：温度由人工智能温度控制器控制，温度 4 h内从 15 ℃均匀升温到 60 ℃，然后在 12 h 内均匀降到 15 ℃，如此变温循环并由计算机自动记录 2 个箱体内温度的变化。检测装置示意1-普通保温箱体；2-相变储能保温箱体；3-人工智能温度控制器；4-接触调压器；5-计算机；6-多路温度测试仪；7-加热器；8-均温风扇；9-热电偶（A、B、C、D）；10-均温隔热板；11-外箱体（120 cm×80 cm×80 cm）2 结果与讨论2.1 测试结果及调温性能分析图 2 是普通保温箱体和相变储能保温箱体内部温度随箱体外部环境温度变化关系图（仅列出了 1 个循环）。
　　 内部温度随箱体外部环境温度变化关系A-普通保温箱体中的温度曲线；B-相变储能保温箱体中的温度曲线；C-箱体环境的温度曲线从图 2 温度变化的曲线可以看出，相变储能保温板材相变点 Tc、2 种不同材料升温过程中最大温差△TH、降温过程的最大温差△TL以及随环境温度变化的最大温差△T1和△T2。
　　当环境温度由低温开始升温并达到甚至高于相变点 Tc 时，相变材料由于相变潜热，开始吸收热量，从而保持相变储能板材箱比普通保温箱体内温度具有较低的升温速率，因而产生了△TH。当环境温度由高温开始降温并达到甚至低于相变点Tc 时，相变材料发生相变而放出热量，从而保持相变储能保温箱比普通保温箱体具有较低的降温速率，因而产生了△TL。
　　△TH和△TL可以用于衡量相变储能保温建筑材料的调温效果，△TH和△TL越大，表明相变储能保温建筑材料的调温效果越好。另外从图 2 还可以看到测试箱温度波动的变化情况△T1和△T2。△T1或△T2波动越小，越能满足人体舒适度的要求。从图 2 还可以看出，△T1=32.1 ℃，△T2=23 ℃，相变储能保温箱体的波动远小于普通保温板箱，对提高人体舒适度起到很好的效果，相变储能保温建筑材料具有显着的调温性能。
　　项 目 相变储能保温建筑材料 普通保温材料水泥 400 400粉煤灰 100 100膨胀珍珠岩 15.7 15.7增塑剂（CMC） 5.6 5.6减水剂（FN- 2） 6.2 6.2聚丙烯纤维 4.1 4.1膨胀聚苯颗粒 11.5 11.5石蜡 54.3 0王智宇，等：相变储能保温建筑材料的制备及性能评价· 36·NEW BUILDING MATERIALS表 2 为不同循环周期下的温差值测试结果，从表 2 可以看出，平均△TH=5.6 ℃和△TL=3.0 ℃，在高温时，相变储能板材箱内温度相对于普通板材箱低 5.6 ℃，而低温时相对普通板材箱高 3.0 ℃，可以看出相变储能保温建筑材料起到了很好的调温效果。 不同循环周期下的温差值注：N-循环次数，每个循环为 16 h；△TH-普通保温箱体和相变储能保温箱体内部温度最高温度温差；△TL-最低温度温差；△T-整体温差=△TH+△TL。
　　2.2 相变储能保温建筑材料的节能效果人体的舒适温度一般在 18~24 ℃，当温度小于或者超过该温度范围时，可以通过空调等来调节温度的变化。对普通保温箱体和相变储能保温箱体温度的调节可以简化为对箱内空气温度的调节。普通保温箱体和相变储能保温箱体要达到目标温度即人体舒适温度，相变储能保温箱体相对普通保温箱体可以节约能量为 Q=cm△TH或 Q=cm△TL（式中 c 为空气的热容、m为室内空气的质量）。因而可以利用△TH或者△TL来衡量相变储能保温建筑材料相对于普通保温材料的节能效果，从表 2 可以看出，△TH平均值为 5.6 ℃、△TL平均值为 3.0℃，均比较大。因此，相变储能保温建筑材料可以起到较好的节能效果。
　　2.3 相变储能保温建筑材料的稳定性本文使用的石蜡干基含量为 9%，远小于石蜡在相变材料中的含量存在的渗出临界值。同时石蜡存在于膨胀珍珠岩的空隙中，由于孔隙的表面张力比较大，即使在较高的温度下石蜡仍能够稳定保存在空隙中而不产生渗漏。相变储能保温箱体经 100 个循环测试后，温度曲线基本保持周期性变化，说明相变储能保温箱体工作稳定，经过长时间的重复相变循环后仍然有良好的工作稳定性。实验 3 个月后，从相变储能保温箱体取出相变板材，表面完好如初，没有发现任何异常现象，相变储能保温建筑材料具有良好的稳定性。
　　3 结 论在外环境温度变化的情况下，含 9%石蜡制成的相变储能保温箱体内温度波动远远小于普通保温箱体内的波动，显示了相变储能保温建筑材料优异的调温均温效果，可以大幅度降低室内温度的波动，提高人体的舒适度，同时也具有显着的节能作用。由于石蜡存在于膨胀珍珠岩的空隙中，孔隙的表面张力比较大，相变储能保温建筑材料在经过长时间工作后仍然具有良好的稳定性，因而相变储能保温建筑材料具有良好的调温效果、节能作用，在建筑节能材料上有着良好的应用前景。
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