關于混凝土蓄冰池池底保溫材料改進的研究

董昭 李閩 周麗 劉清

摘要：本文對混凝土蓄冰池采用常規保溫材料保溫效果不理想問題的原因進行分析，提出用相變材料代替常規保溫材料的可能性，根據相似相容原理，可以利用丙三醇乙二醇復合材料作為代替物，利用其0℃相變點和相變潛熱，可以阻滯土壤的熱量滲入到冰池中，有效減少蓄冰池底部冷量的損失。針對在常溫情況下，相變材料容易流動的問題，提出利用多孔材料粉煤灰作為封裝介質，將相變材料吸附在粉煤灰中，然后混合在混凝土中，不僅解決了相變材料流動性問題，還可以改善混凝土性能，達到節能、節材、環保的效果。

關鍵詞：相變材料；粉煤灰；蓄冰池；節能

Study on the improvement of the bottom insulation material

of concrete ice storage tank

Dong ZhaoLi MinZhou LiLiu Qing

Wuhan Business School，Mechanical and Electrical Engineering and Automotive Service CollegeHubeiWuhan430000

Abstract：This paper analyzes the causes of unsatisfactory insulation effect of conventional insulation materials in concrete ice storage pools，and proposes the possibility of replacing conventional insulation materials with phase change materials.According to the similar compatibility principle，glycerolethylene glycol composites can be used.As a substitute，using its 0°C phase transformation point and latent heat of phase change，it can block the heat of the soil from seeping into the ice pool and effectively reduce the loss of the cooling capacity at the bottom of the ice storage tank.To solve the problem of easy flow of phase change materials at room temperature，it is proposed to use porous fly ash as the packaging medium，and to adsorb the phase change material in fly ash，and then mix it in concrete to solve the problem of phase change material flowability.The problem can also improve the performance of concrete and achieve the effects of energy saving，material saving and environmental protection.

Key words：phase change material；fly ash；ice storage tank；energy saving

1 緒論

冰蓄冷技術是一種投資少、見效快的調荷措施，在國外發達國家有著廣泛應用。隨著我國經濟的發展，節能減排政策導向及人們節能意識的提高，越發注重節能技術在工業及建筑民用方面的應用。特別是現在各級地方政府均出臺了相關峰谷電價政策，為冰蓄冷中央空調系統大規模發展應用提供了發展機遇。在冰蓄冷中央空調系統中，比常規水冷空調多了一個蓄冰池的裝置。就當前項目來看，大容量蓄冰池一般采用玻璃鋼、混凝土兩種形式。玻璃鋼蓄冰池采用可以承壓的玻璃鋼板進行拼接而成，成套組裝，施工效率高，還可以模塊化生產加工，整個施工周期較短。而且其保溫層施工可直接在外部噴涂或者敷設保溫層，施工較為方便，不容易產生冷橋，保溫效果好。缺點是造價比較高，可以用在空間狹小，規模不太大的場合。鋼筋混凝土蓄冰池直接用混凝土澆筑而成，施工較為方便，費用造價比較低，適合在空間大、場地較充裕的場合應用。但混凝土本身需要養護，施工周期較長。同時，保溫層不容易敷設，特別是底部保溫，施工難度較大，而且保溫效果不理想。這也是本文所要研究的地方。

2 常用混凝土保溫層施工及問題

保溫層的施工是蓄冰槽一道重要環節，其質量好壞直接影響空調運行時長以及節能或經濟性效果。肖思東[1]在施工技術中采用混凝土打底，上面鋪一層鋼板做支撐，再在鋼板上噴涂聚氨酯泡沫保溫材料。此種做飯問題在于冰池底部施工，以6000m3冰池為例，假設冰池利用率為70%，總共有4200m3的水，加上混凝土層，其總重量超過4200噸。目前沒有任何一種保溫材料可以承受如此大的壓力。其最終效果就是，保溫層在底部被壓成很薄一層，幾乎失去保溫效果。再以武漢某能源站為例，蓄冰池容積為800m3，容積利用率約為70%。其施工工藝大概為：在冰池底面挨個砌筑長寬為1300*1250mm，高200mm的空心格。材料為紅磚，方格內部填充擠塑板。其簡圖如下：

在冰池底部澆筑500mm厚混凝土，養護完以后完成防水、防潮等措施。雖然紅磚長方格可以承受一定壓力，但是整個冰池中水重量為560t，混凝土密度按2500kg/m3，冰池面積約為200m2，冰池高4m，四個側面一個頂面的鋼筋混凝土，再加上冰池頂面有4個10t的制冰模塊，總重量超過了1000t，勢必會產生地質沉降。實際上地下土壤很可能和池底面接觸，大大加強了冷量消耗。另外，紅磚也是直接和池底接觸，而其導熱系數數倍于擠塑保溫板，也會導致冷量散發。根據用戶反映，在白天集中負荷階段，原設計融冰時間為6h，而實際過程中，融冰時間僅為3h，遠遠達不到設計要求。除了負荷設計有一定偏差，保溫方面也是導致冷量耗散的原因之一，必須加以考慮。

3 解決方案

3.1 新方案可能性

相變材料的儲能技術在諸多領域具有廣闊的應用前景。[23]所利用的相變材料有無機類，有機類和混合相變材料；[46]無機相變材料主要是結晶水合鹽類，價格便宜，潛熱較大，但過冷度大、析出現象嚴重限制了其應用；有機類相變材料常見的有石蠟、脂肪酸和醇類。有機相變材料基本沒有過冷度或者過冷度很小、化學性質穩定、無毒無害而被廣泛研究。冰池底部用常規保溫材料，保溫效果并不理想，那么可以設想用相變材料取代常規保溫材料，添加進混凝土中。這樣不會占用空間，也就不存在壓縮問題，同時，相變材料自身可以儲能，從而起到保溫效果。冰的熔點為0℃，而要達到保溫效果，阻止土壤的熱量滲入到冰池中，那么相變材料的相變溫度也應該維持在0℃。自然界很少有單一物質相變點維持在0℃左右，因此可以根據相似相溶原理，可以利用兩種及以上物質配合在一起，達到共熔點。通過查一些物質物性參數可知，丙三醇熔點18.60℃，乙二醇熔點為12.90℃，兩者有相同的官能團，均易溶于水、醇類等有機物，完全符合相似相容原理中同類物質條件。同時根據經驗，兩者質量分數比約為45%：55%時可以達到共溶。但要進一步精確配比，必須借助DSC（差式掃描量熱儀）測出共同熔點時，即達到共溶配比。因此，用丙三醇/乙二醇相變材料取代常規保溫材料完全是有可能的。

3.2 新方案的問題與解決思路

共溶相變材料相變溫度為0℃，在常溫下處于流動狀態，增加了施工難度。同時，要加入到混凝土中，還需考慮與混凝土相溶問題。如果相變材料與混凝土互溶性差，最終會流失，起不到蓄能保溫效果。根據以往經驗，可以提供幾種思路來解決：1）用高分子材料做外殼，將相變材料制成微膠囊結構，[78]或將有機相變儲能材料與高分子材料進行熔融混合，使儲熱材料包裹在高分子空間網格內[9]，形成定型的相變儲能材料，雖然提高了有機相變儲能材料的穩定性，但制作工藝復雜，成本較高，在短期內難以實現大規模利用。2）采用多孔顆粒材料作為載體，與相變材料進行復合，可以得到較為經濟的相變儲熱材料。如Ali Karaipekli[10]等用癸酸和膨脹蛭石制備出了一種定型相變材料；Sedat Karaman[11]等用聚乙二醇和硅藻土制備出了定型熱能儲存材料，并將這種材料制作成墻板來提高絕熱性能，通過實驗證明，同普通墻板相比，這個相變墻板有著更好的隔熱性能。綜合分析來看，用經濟快捷的手段就是利用天然的多孔材料將相變材料吸附在微小孔隙中，而且這種多孔材料必須與混泥土有良好的相容性。

3.3 最終解決方案

粉煤灰是煤燃燒后固體廢棄物，用電鏡觀察呈現出蜂窩多孔型物質，比表面積比較大，最大可到19500cm/g（氮吸附法）；其孔隙多而大，最大孔隙率可達到80%，因此具有較強吸附性。目前，我國粉煤灰的利用率只占40%左右，研究應用較多的是在工業污水等的處理中，[1214]如果大規模的應用在建筑領域中，不僅實現了廢物利用，又能達到節能的目的，從而實現國家低碳環保政策。如在混凝土中摻加粉煤灰，可節約大量的細骨料和水泥。特別是在國家一、二、三級混凝土標準中，適合配置泵送、大體積、抗滲結構、水下工程等混凝土。有效改善和易性、抗滲性、抗沖擊性、抗凍性等特點，是一種能和混凝土相容性較好的建筑材料。因此，本文傾向于用粉煤灰作為多孔材料，用來吸附相變材料，在施工過程中，將吸附飽和相變材料的粉煤灰按合適配比和混凝土直接混合，用泵送至冰池底部澆灌，整個過程工藝簡單，經濟性好。作者在其他實驗中[15]也證實了含有相變材料的粉煤灰摻在混凝土中有較好的熱性能。如配比合適，也并不會降低其抗壓性能。

3.4 后期工作展望

第一，首先配置出丙三醇乙二醇復合材料的共溶配比；第二，研究以一種粉煤灰為介質，通過實驗，測得吸附飽和時相變材料與粉煤灰的質量比；第三，測得以粉煤灰為載體的相變材料的物性參數，如熔點、相變潛熱、比熱容、導熱系數；第四，模擬實際條件，將復合相變材料摻入到混凝土中，與沒摻入的相比較，其保溫效果，并測試其抗壓性能。

4 結論

（1）本文針對蓄冰池池底保溫效果不理想，利用相似相容原理，論證了以丙三醇乙二醇復合后的相變材料為保溫材料，利用其合適的相變溫度和相變潛熱，可以替代常規保溫材料的效果，因此解決了因冰池重量大，產生沉降或者保溫材料被壓縮，導致保溫效果差的問題。

（2）針對粉煤灰顆粒有較高的孔隙率，將其作為相變材料的封裝基質，將相變材料吸附在粉煤灰的微孔中，起到防止相變材料相變時從基體中滲漏出來的作用。同時粉煤灰還可以起到改善混凝土性能的效果。

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基金項目：湖北省科技計劃項目自然科學基金（2018CFB139 ）

作者簡介：董昭，男，碩士，主要從事與蓄冷蓄熱、余熱利用及節能研究。