被动式太阳能相变墙体蓄热特性影响因素研究

王磊

（郑州大学 西亚斯国际学院，河南 郑州 451100）

可再生能源的开发利用对于节约能源以及可持续发展具有重要的意义[1]。太阳能建筑越来越受到关注，但由于传统的太阳能建筑受气候因素的影响较大，极易造成室温的波动，开发一种新型的太阳能建筑已成为研究的重点[2]。国内外学者对被动式太阳能建筑做了大量研究，闫全英等[3]设计了一种被动式太阳能建筑Trombe墙，通过改变空气的流动方式从而达到控制温度的效果；凌浩恕等[4]利用有限差分法对Trombe墙的换热方式进行了研究；陈紫光等[5]通过对玻璃盖板以及吸热器温度的预测，得到了太阳能稳态热网络模型，利用该模型可有效减少太阳能辐射热在室内的传播；陈超等[6]通过对墙体材料热物性以及系统的集热面热辐射等因素的动态模拟，发现墙体夹层加装吸热板对墙体的整体吸热性能影响较小。

随着太阳能建筑的兴起，相变材料在理论创新方面也有了很大的进步。赵金玲等[7]采用聚合法，以石蜡为相变材料，以聚甲基丙烯酸甲酯作为墙体材料，研发了一种基于季戊四醇四丙烯酸酯的相变微胶囊型定形相变材料，探究了墙体的热性能及透气性的变化；陈滨等[8]以SBS等为基体材料，以石蜡为相变材料研发了一种能够应用到加热板中的新型复合定形相变材料，试验证明该材料能明显减小室内温度的波动情况。

本研究以膨胀珍珠岩为载体，以石蜡为相变材料，利用多孔无机载体复合法通过调节石墨掺量来制备定形相变材料，将定形相变材料与被动式太阳能相结合，研发出一种新型相变集热蓄热墙体系统。通过试验论证了该系统对温度的调节作用，为今后新型太阳能建筑系统的发展提供了理论依据。

1 相变材料及储能砂浆的制备与性能研究

1.1 原材料及主要仪器

由于石蜡化学性质稳定，相变温度容易调节，在发生相变时不会出现相分离现象，所以选定石蜡作为定形相变储能砂浆的相变材料。膨胀珍珠岩具有无毒、隔热以及成本低等特点，并且与石蜡有良好的相容性，故选取膨胀珍珠岩作为基体材料。

石蜡：15#，针入度26 mm，工业级，济南春祥化工厂。

膨胀珍珠岩：粒径3～5 mm，信阳鑫富精细膨润土有限公司。

石墨：粒径3～6 μm，天津市大茂化学试剂厂。

环氧树脂：凤凰牌，无色透明粘稠液体，挥发份≤0.5%，环氧当量 180～200 g/mol，黏度 15～25 Pa·s，无锡蓝星树脂厂。

水泥：P·O42.5，大连小野田水泥厂。

砂：ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司。

挤塑板：斯科特XPS挤塑板，导热系数0.035 W/（m·K），天津市挤塑板厂。

混凝土砌块：抗压强度4.6 MPa，体积质量975 kg/m3，郑州宇丰全自动砌块砖机厂。

水泥砌筑砂浆：DPM10粘结砂浆，28 d抗压强度10 MPa，28 d收缩率小于0.2%，郑州春晖建材科技有限公司。

T型粘贴式热电偶：精度±0.5℃；华谊（HYELEC）MS6252A数字风速仪：分辨率0.005 m/s，精度±1%；智能型多路温度巡检仪：测量范围大于5℃，精度±0.1℃。

1.2 定形相变材料的制备与性能研究

将膨胀珍珠岩浸泡在熔融态石蜡中不同时间，恒温水浴70℃，得到石蜡的吸附量见表1。

表1 石蜡吸附量与浸泡时间的关系

由表1可见，随着浸泡时间的延长，定形相变材料质量与石蜡吸附量并未发生太大波动，当浸泡时间超过6 h后，定形相变材料质量基本稳定在36 g左右，从经济、环境等方面考虑，选定6 h作为膨胀珍珠岩在石蜡中的最佳浸泡时间。

预先将膨胀珍珠岩进行烘干处理，利用水浴锅将石墨与石蜡按 m（石墨）∶m（石蜡）=0∶1、0.02∶0.98、0.05∶0.95、0.1∶0.9 的比例混合熔融，然后将烘干的膨胀珍珠岩与熔融态的石墨石蜡混合物混合，由于掺加石墨有利于石蜡的吸附，故放置1～2 h即可制成定形相变材料。

以未掺石墨的定形相变材料为基准，利用瞬态热线法对定形相变材料的导热系数进行测试，不同石墨掺量的定形相变材料瞬态导热分析结果如图1所示。

图1 不同石墨掺量的定形相变材料瞬态导热分析结果

根据图1计算可得，石墨掺量为0、2%、5%、10%的定性相变材料的导热系数分别为0.252、0.321、0.433、0.454 W/（m·K），即随着石墨掺量的增加，定形相变材料的导热系数也随之变大，当石墨掺量达到10%时，导热系数最大，较未掺石墨的提高了80%。而根据相关文献[9]论述，当石墨掺量到达一定数值后，会造成定形相变材料潜热能力的下降。综合考虑，石墨掺量确定为5%，此时定形相变材料的导热性能较佳。后续试验定形相变材料中均掺5%石墨。

1.3 相变储能砂浆的制备与性能研究

水泥砂浆的配比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶5.27∶1.16，按 m（定形相变材料）∶m（水泥砂浆）=5∶95、10∶90、15∶85、20∶80、30∶70的比例混合即可制得相变储能砂浆试件，试件制作后放置在室内环境24 h，待试件成型后放入养护室（温度20℃，相对湿度90%，下同）分别养护3 d、28 d。相变储能砂浆强度随定形相变材料掺量的变化见图2。

图2 定形相变材料掺量对相变储能砂浆强度的影响

由图2可知，相变储能砂浆的抗折与抗压强度随着定形相变材料掺量的增加而降低。对于抗折强度，当定形相变材料掺量小于20%时，相变储能砂浆的抗折强度下降较为明显；掺量超过20%后，相变储能砂浆的抗折强度趋于稳定，基本不再变化。对于抗压强度，当定形相变材料掺量为30%时，相变储能砂浆的28 d抗压强度为11.8 MPa。但在试验过程中发现其流动性较差，而定形相变材料掺量越多，相变储能砂浆的抗压强度就越低。定形相变材料掺量小于30%的相变储能砂浆均能满足要求（一般认为28 d抗压强度大于9 MPa即可）。

环氧树脂具有强度高、化学性质稳定等特点，将其与定形相变材料混合后加入到水泥砂浆中，能够很好的解决定形相变材料在使用过程中出现的石蜡泄露等问题。将掺5%石墨的定形相变材料与环氧树脂、水泥砂浆按m（定形相变材料）∶m（环氧树脂）∶m（水泥砂浆）=5∶33∶62、10∶33∶57、15∶33∶52、20∶33∶47、30∶33∶37 的比例混合即可制得环氧树脂相变储能砂浆试件，试件制作后放置在室内环境24 h，待试件成型后放入养护室养护至28 d。掺或未掺环氧树脂的相变储能砂浆抗折及抗压强度随定形相变材料掺量的变化见图3。

图3 掺与未掺环氧树脂的相变储能砂浆强度随定形相变材料掺量的变化

由图3可见，定形相变材料掺量为0～30%时，掺加环氧树脂的相变储能砂浆强度均较未掺环氧树脂的有所提高。对于抗折强度，未掺环氧树脂的相变储能砂浆抗折强度随定形相变材料掺量的变化较小；当定形相变材料掺量为5%时，掺33%环氧树脂的抗折强度达到峰值，随着定形相变材料掺量的增加，抗折强度先降低再提高，在掺量为15%时又出现1个小峰值，其后不断下降。对于抗压强度，随着定形相变材料掺量的增加均呈下降趋势，且掺或未掺环氧树脂的相变储能砂浆抗压强度变化趋势基本保持一致。

2 新型被动式太阳能相变集热蓄热墙体系统研究

2.1 试验房材料

室外搭建一个试验房，尺寸为6000 mm×1500 mm×2000 mm，2扇门尺寸为850 mm×1650 mm，试验房中间用挤塑板分隔成普通房和被动式太阳能相变房，墙体有4个200 mm×200 mm的通风口，被动式太阳能相变房南侧安装阳光板。试验所用原材料及其性质见表2及表3。相变房内表面采用相变储能砂浆，其配比为m（5%石墨掺量的定形相变材料）∶m（环氧树脂）∶m（水泥砂浆）=30∶33∶37；相变房外表面采用普通抹面砂浆，其配比为 m（石灰）∶m（砂）=1∶3。

表2 建筑围护结构材料主要性质

表3 透明阳光板的物性参数

2.2 试验方法

试验分夏季通风降温与冬季采暖2部分。冬季采暖：在普通房与被动式太阳能相变房的相同位置设置测试点，通过记录测试点温度的变化，比较相变集热蓄热墙体系统对室内温度的影响。夏季通风降温：相变房南墙横向与纵向各设置3个测试点，通过对比横纵向测点温度的变化规律，说明相变集热蓄热墙体系统对室内温度的调节作用。

2.3 冬季测试结果分析

图4为冬季普通房与相变房降温曲线与室内温度的变化曲线。

由图4（a）可知，被动式太阳能相变房间温度下降趋势明显小于普通房间，说明在室内温度下降过程中，相变房内墙表面储能砂浆层中的定形相变材料将储存的热量释放出来，减缓了温度下降的速率，提高了室内温度。

图4 冬季普通房与相变房降温曲线与室内温度的变化

由图4（b）可知，普通房间室内温度变化较为平缓，温度波动范围不大，说明普通房间的墙体阻断了太阳辐射热与室内空气的接触，使得室温变化不大；被动式太阳能相变房间室内温度变化较为明显，温度波动范围较大，13：00时左右达到最大值，说明由于相变房间内储能砂浆的作用，促进了热空气与室内空气的热循环，减少了热量的流失。

综上所述，被动式太阳能相变房在冬季能够明显减少室内热量的流失，对室内温度起到了很好的调节作用。

2.4 夏季测试结果分析

夏季被动式太阳能相变房室内温度分布见图5。

由图5（a）可知，3个测试点横向温度随着时间的推移先升高后降低，在15：00时达到最大值，且距南墙内表面越近，温度变化越明显，说明在上午时，太阳光直接照射在南墙，热量在南墙上传播，距南墙最近的测试点温度上升速率最大。下午太阳光直接照射在北墙，辐射热在北墙上传播，此时距北墙最近的测点温度上升速度加快，随着辐射热的减小，3个测试点温度都开始下降，距南墙最近的测试点下降速度最快。

图5 夏季被动式太阳能相变房室内温度分布

由图5（b）可知，相变房内的测试点距地面越高，其纵向温度就越高，距地面最近的测点由于受到地面冷空气的影响，使得温度变化不明显。

综上所述，夏季室内温度较高时，由于被动式太阳能集热蓄热墙体系统对温度的调节作用，使得室内温度并未出现较大的波动，避免了室内温度过高现象的发生。

3 结语

（1）将石蜡、石墨以及膨胀珍珠岩通过无机载体复合法混合在一起，当石墨掺量为5%时，定形相变材料具有较佳的导热性能，且石蜡、膨胀珍珠岩以及石墨之间属于物理作用，不会发生化学反应，化学稳定性较好。

（2）将定形相变材料与水泥砂浆、环氧树脂按一定比例混合，制得具有控温、调温功能的相变储能砂浆。通过对相变储能砂浆抗折、抗压强度的研究发现，随着定形相变材料掺量的增加，相变储能砂浆的热性能也越来越好，最终选定掺量为20%。而掺环氧树脂的相变储能砂浆的强度要明显高于未掺环氧树脂的相变储能砂浆。

（3）通过试验验证了夏、冬两季被动式太阳能集热蓄热墙系统对温度的调节作用。冬季相变房的夹层空气与室内空气发生热循环作用，并利用相变储能砂浆的储热功能，通过释放热量来调节室内的温度变化，减少热量的散失；夏季通过相变储能砂浆层对室内热量的存储作用，降低了室内温度，避免了室内温度过高现象的发生。

[1] 路祥玉，李慧星，冯国会.北方被动式农村住宅太阳能与相变蓄热联合供暖系统设计与分析[J].建筑节能，2016，44（8）：25-27.

[2] 黄婷，张雨清，钮斌.被动式太阳能结合相变墙在苏北自然通风环境下的应用研究[J].盐城工学院学报（自然科学版），2016，29（2）：73-78.

[3] 闫全英，吴生俊，金丽丽.被动式蓄热相变墙体热工性能的研究[J].新型建筑材料，2014，41（11）：17-20.

[4] 凌浩恕，陈超，陈紫光，等.日光温室带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系[J].农业机械学报，2015，46（3）：336-343.

[5] 陈紫光，陈超，凌浩恕，等.日光温室专用多曲面槽式太阳能空气集热器热工性能试验研究[J].建筑科学，2014，30（8）：58-63.

[6] 陈超，李琢，管勇，等.制作方式对日光温室相变蓄热材料热性能的影响[J].农业工程学报，2012，28（S1）：186-191.

[7] 赵金玲，陈滨，王永学，等.被动式太阳能加热系统动态热特性研究[J].大连理工大学学报，2008（4）：580-586.

[8] 陈滨，孟世荣，陈会娟，等.被动式太阳能集热蓄热墙对室内湿度调节作用的研究[J].暖通空调，2006（3）：42-46.

[9] Sari A，Karaipekli A.Fatty acid esters-based composite phase change materials for thermal energy storage in buildings[J].Applied Thermal Engineering，2012，37（5）：208-216.