基于相變材料在綠色建筑墻體中溫控性能的研究

郭康 張旭 于丹丹 徐海濤 王瑜 華正曉 指導老師：秦 磊（副教授）

（濟南大學土木建筑學院，濟南 250022）

基于相變材料在綠色建筑墻體中溫控性能的研究

郭康 張旭 于丹丹 徐海濤 王瑜 華正曉 指導老師：秦 磊（副教授）

（濟南大學土木建筑學院，濟南 250022）

本項目主要通過研究混合石蠟的物理性質及其比例制成一種綠色溫控墻體，既能提高墻體的安全性能又能達到調控溫度的效果，該墻體主要將石蠟進行優化制成囊型顆粒和網板等復合材料摻加在墻體中，從而促使墻體的溫度敏感性，能夠有一定的自我調節作用，達到室內溫度冬暖夏涼的目的。這種材料一旦在人類生活被廣泛應用，將成為節能環保的最佳綠色載體，必將成為建筑界的一顆明星。

相變材料；石蠟；綠色墻體

0 引言

國外對相變儲能材料（PCM）的研究工作開始于20世紀 70年代。我國對PCM的研究始于20世紀80年代，如今已將PCM不斷深入應用。從應用角度來講，相變儲能建筑材料應具有以下幾個特點：相變潛熱高；相變過程可逆性好；膨脹收縮性小；相變溫度在20℃左右；導熱系數大；儲熱密度大；無毒、無腐蝕性；成本低、制造方便；與建筑材料相容，可被吸收。

由于石蠟具有價格便宜、相變溫度 寬且易于控制、相變潛熱大、無毒、無腐蝕、化學穩定 性好、幾乎無過冷及相分離現象等優點而被廣泛 應用于太陽能熱利用、工業余熱、服裝、建筑等儲能領域。

本文研究適合夏季使用的混合石蠟的比例，并采用活性炭作為吸附劑對混合石蠟進行吸附精制試驗后與膨潤土混合，確定最佳混合比例，以拓寬相變石蠟在相關領域中的應用。

1 實驗

1.1 相變材料的制備

（1）將固態石蠟和液態烷烴按以下比例混合，經過多次水浴加熱70℃，充分混合并

觀測各組混合相變材料相變溫度，記錄數據。

固液混合石蠟結果分析：

表1：不同石蠟含量的相變溫度

通過多次實驗得石蠟含量為60%的混合相變材料的相變溫度在30℃左右，適合作夏季相變材料。

（2）活性炭預處理：將活性炭放入烘箱中，在110℃下烘24h，密封于干燥塔中備用。

吸附方法：用天平稱取56#石蠟30g，放入250mL三頸燒瓶中，在一定溫度下，加入一定量的活性炭，在300r /min轉速下攪拌一段時間抽濾，所得濾液為相變石蠟。

（3）本實驗選取了相變溫度為56度的石蠟，膨潤土（以蒙脫石為主要礦物成分主要化學成分為SiO2、Al2O3和H2O）。并對相變石蠟混合物與膨潤土進行攪拌，制成定形相變材料，通過研究其相變溫度、相變潛熱、均勻性和穩定性, 驗證其應用于墻體中的可行性, 為相變墻體的制備和實驗研究提供依據。相變材料分別和膨潤土按不同的比例混合制成10種試樣，試樣編號1 -10，試樣中相變石蠟與膨潤土的比值見下表：

表2：定形相變石蠟試樣

本研究中的相變石蠟和膨潤土的熔點相差較大，把二者按質量比配好后，放人不銹鋼容器然后放入電爐中加熱到180℃，當混合物全部熔融后，取出用玻璃棒攪拌均勻，放在空氣中降溫，反復幾次使兩種材料完全混合均勻，制成定形相變材料試樣。

把不同配比的定形相變材料在中午用強太陽光照射觀察定形材料的變化。實驗將試樣分別放到40℃恒溫箱中加熱，然后拿出放在20℃環境中冷卻，進行重復吸放熱實驗。實驗中分別測得5次、10次、20次、30次吸放熱后相變材料的相變潛熱和相變溫度如下圖所示，圖中顯示定形材料的相變潛熱在多次吸放熱之后變化很小，相變溫度在多次吸放熱之后也基本不變，故認為石蠟膨潤土定形相變材料的穩定性較好。

不同放熱次數后相變潛熱不同吸放熱次數后相變溫度

通過對上述多次吸放熱后的混合物進行觀察發現：相變石蠟含量為 33%時,石蠟有細微的滲出, 當相變石蠟含量為 36%及其以下時,石蠟明顯滲出, 而相變石蠟含量為 32%時沒有滲漏。綜合考慮定形相變材料的儲熱能力和使用安全性, 定形材料中相變石蠟含量最佳為32%，六號定形相變石蠟試樣是合適的。

（4）將定形相變材料切割成塊狀，放入篩子中，噴水至相變材料均沾有水珠，將石灰均勻撒入，來回有規律晃動，至水泥均勻包裹住相變材料，再噴水，撒石灰，晃動，重復進行5-6次即可制成下圖所示封裝好的相變材料。

2.2 相變墻體的制備

1）將固體水泥小顆粒直接與混凝土攪拌，澆筑形成相變墻體。

2）在墻體中放置網片狀的相變材料板材，即將已做好的固體水泥顆粒用水泥包裹后按一定比例填充到部分金屬網孔中，并把制作好的金屬網片放置到待澆筑的混凝土模具中，用混凝土進行澆筑，使混凝土填充到剩余金屬網孔中。

2.3 溫控性能測試

將相變墻體和普通墻體試樣立在試驗臺上, 環境溫度為 12℃左右。用暖風機向兩墻體試樣吹熱風使得墻體達到相同的溫度記錄所需的時間，再將相變墻體和普通墻體自然降溫至相同的溫度，記錄所需時間。

對比實驗結果分析：

實驗中升高到32℃時，相變墻體用時52min，升溫速率0.385℃/min；普通墻體用時29min，升溫速率0.69℃/min。降溫至28℃時，相變墻體用時15min，降溫速率0.267℃/min；普通墻體用時5min，降溫速率0.8℃/min。

通過對比實驗發現，相變墻體具有良好的溫控性能。以下為實驗升降溫普通墻體和相變墻體對比。

普通墻體升降溫變化

相變墻體升降溫變化

3 結論

本文采用活性炭吸附后的相變石蠟含量為32%與膨潤土進行融合，并用水泥進行包裹，通過直接添加或金屬網片固定于墻體中的方式制成相變墻體。所得結論如下：

1）混合石蠟中石蠟含量為60%的混合相變材料的相變溫度在 30℃左右，適合作夏季相變材料。

2）定形相變材料中石蠟含量為32%時沒有滲漏。綜合考慮定形相變材料的儲熱能力和使用安全性, 定形材料中混合相變石蠟含量為32%。

3）通過普通墻體與相變墻體升降溫對比發現，相變墻體和普通墻體同時加熱和冷卻相同時間，相變墻體溫度變化約為普通墻體的1/2，具有良好的溫控性能。

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