定形相变墙板的制备及其调温性能研究

王 赛，孙志高，李 娟

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

随着社会和经济的发展，建筑空调系统的能耗越来越高。据统计，空调能耗占据着全国总能耗的比例高达20%[1]，而且在逐年递升。相变材料（PCM）在相变时吸收或释放大量的热量，是一种绿色环保可循环使用的储能材料，促进节能和可再生能源利用技术的发展[2-4]。近年来，研究人员将相变材料与石膏板、混凝土和保温材料等建筑墙体材料结合，减少室内温度波动，提高热舒适性，降低冷热负荷的峰值，是实现建筑节能的一种行之有效的解决方案[5-9]。目前相变材料与建筑墙体材料的结合可分为多孔浸渍、宏观封装、微胶囊封装和定形相变材料封装四种方式[10-11]。

冯国会等[12]通过直接浸渍法制备了脂肪酸相变石膏板并应用于相变墙房间，研究了其热特性，发现相变墙房间的室内空气与墙体内表面温差、墙板热流和室内温度波动均低于普通墙房间。Castell等[13]将石蜡类相变材料板放置于墙体中的多孔砖与保温材料之间，并进行实验测试，结果表明，墙体内安装有相变材料的房间内最高温度可降低1℃，而且温度波动较小，夏季房间电能消耗可减少15%。Ana等[14]将相变温度为23～25℃的石蜡相变微胶囊以1∶4的比例与水泥砂浆混合后用于墙体内壁面并进行了墙体热性能测试，结果表明相变砂浆墙体最高可使室内温度降低2.6℃。闫全英等[15]通过直接混合法把高密度聚乙烯定形相变材料加入水泥砂浆制备了定形相变墙体，并研究了相变墙体和普通墙体的传热性能和力学性能，结果表明定形相变墙体表面温度和热流均低于普通墙体，热流减小量最高可达96%。

选择月桂酸（LA）/十四醇（TD）复合相变材料为基体，SiO2为载体制备了LA-TD/SiO2定形相变材料，相变温度为24.81℃，相变潜热为47.96 J/g。通过直接混合法将定形相变材料与水泥砂浆混合制备了LA-TD/SiO2定形相变墙板，对其热工性能进行实验研究。目前国内外关于定形相变墙板的文献多集中于研究相变材料对相变墙板的温度和热流的影响，本文将在此基础上研究相变材料对相变墙板导热系数的影响，并分析其影响机理。

1 实验材料及仪器

实验所使用的材料及仪器参数详见表1。

表1 实验材料及仪器参数

2 实验部分

2.1 定形相变材料制备

采用溶胶-凝胶法，以SiO2为载体材料，LA/TD复合相变材料为基体材料制备了LA-TD/SiO2定形相变材料。具体步骤为：以TEOS为前驱体，ETOH为溶剂，按摩尔比1∶5∶10称取适量TEOS、ETOH及去离子水置于烧杯，在70℃下超声分散，同时利用电动搅拌器进行机械搅拌，转速设定为300 r/min，20 min后滴加少量稀盐酸调节pH到3左右，继续分散40 min后得到SiO2溶胶。称取适量LA-TD（LA-TD与TEOS质量比为1∶2），融化后倒入制备的SiO2溶胶中超声分散，机械搅拌速率设定为1 500 r/min，20 min后滴加少量NaOH稀溶液调节pH为7，继续分散40 min后将烧杯置于70℃的恒温水槽中陈化12 h，用乙醇和蒸馏水反复洗涤后放入70℃的干燥箱中干燥至恒重，得到LA-TD/SiO2定形相变材料。

2.2 相变墙板制备

按质量比1∶3称取适量水泥与标准砂，加入适量水搅拌均匀后，将水泥砂浆倒入制作好的大小为10 cm×10 cm×1 cm的模具中压实，24 h后取出，室温下早晚对其浇水养护，持续7 d，记为1#（普通墙板）。在墙板制备过程中向水泥与标准砂中添加一定质量的LA-TD/SiO2定形相变材料，即可制备相变墙板，其具体制作过程与普通墙板一样，制备相变材料含量分别为5%、10%和15%的相变墙板三块，记为2#、3#和4#，各墙板的质量配比见表2。

2.3 热响应测试

利用高低温交变箱模拟夏季室外温度变化，如图1所示，箱内温度即室外环境温度，控制在18～58℃，具体过程为：（1）降温至18℃并保持30 min；（2）在3 h内升温至58℃；（3）在58℃保持1 h；（4）在 3 h内降温至 18 ℃；（5）18 ℃保持 30 min，整个实验过程持续8 h，室内（箱外）温度约为27℃。利用热电偶测量实验过程中各墙板内外表面及箱内温度，并用安捷伦数据采集仪记录下温度变化，每10 s记录一组数据。利用多通道温度热流测试仪测量实验过程中墙板内表面热流，使热流板贴紧墙板表面，每5 min记录一组数据。

2.4 导热系数测试

制作4组饼状墙板样品，水泥、标准砂和相变材料的比例分别对应于1#、2#、3#和4#墙板。利用DRE-Ⅲ导热系数测定仪测定各墙板样品及LA-TD/SiO2定形相变材料的导热系数，每组样品测试5次，选择方差小于0.05的三组数据取平均值。

表2 墙板质量配比

图1 实验示意图

3 结果与讨论

3.1 相变材料对墙板热流的影响

图2为实验过程中各墙板内表面的热流响应情况。实验过程可分为低温保持段（18℃）、升温段、高温保持段（58℃）、降温段和低温保持段（18℃）。各墙板在升温段和降温段过程中，出现两次室内温度与墙板内部温度接近的情况，故内表面几乎无热流通过，图中表现为热流接近于0。在第一个零点前和第二个零点后，热流方向由室内到室外，定义为负；在两个零点之间，热流方向由室外到室内，定义为正。在降温段和低温保持段，相变墙板中的相变材料发生液-固相变，凝固放热导致相变墙板内部温度下降幅度和速率均低于普通墙板。在升温段，相变墙板中的相变材料发生固-液相变，融化吸热导致相变墙板内部温度上升幅度和速率均低于普通墙板。表现为以下3个方面：（1）相变墙板在低温保持段由于发生相变，热流未出现普通墙板一样稳定的平台期；（2）在低温和高温保持段，通过相变墙板内表面的热流均低于普通墙板，且相变材料的含量越多，通过内表面的热流越低，2#、3#和4#墙板高温段的平均峰值热流分别为120.4、103.3 和 90.3 W/m2，相较于 1# 墙板（155.2 W/m2）分别下降了 22.41%、33.44%和 41.80%。 （3）通过相变墙板内表面的热流上升和下降速率均比普通墙板要低，热流变化且呈现一定的滞后性，且相变材料含量越多，这种现象越明显。

图2 墙板内表面热流

3.2 相变材料对墙板调温性能的影响

3.2.1 相变墙板内表面温度

图3为各墙板内表面温度变化曲线。1#墙板在高温段的平均峰值温度为45.8℃，2#、3#和4#墙板在高温段的平均峰值温度分别为43.2、41.8和40.9℃，分别下降了2.6、4.0和4.9℃。此外，相变墙板较之普通墙板，升降温速率显著降低，温度变化呈现一定的滞后性，且随着相变材料含量的增加，这种趋势更加明显。表明添加相变材料能够显著降低墙板内表面温度，从而减小室内的温度波动，提高室内的舒适性，相变墙板具有显著的调温性能。

3.2.2相变墙板内外表面温差

比较墙板内外表面的温差可以直观地体现出相变墙板的调温性能。图4-图6分别为2#、3#和4#墙板的内外表面温度逐时值，表3列出了各墙板内外表面高温段的平均温度。从高温段峰值平均温度来看，1#墙板的内外表面温差为6.1℃，2#、3#和4#墙板的内外表面温差分别为9.4、11.3和12.5℃，分别提高了54.10%、85.25%和104.92%，表明在室外温度较高时，由于相变材料的蓄热能力，相变墙板能有效降低室外通过墙体向室内传递的热量，起到隔热调温的作用。

图3 墙板内表面温度

图4 2#墙板内外表面温度

图5 3#墙板内外表面温度

图6 4#墙板内外表面温度

表3 高温段墙板内外表面温度 ℃

3.3 相变墙板导热系数

图7为各墙板的导热系数，具体数据见表4。1#墙板的导热系数为 1.098 5 W·m-1·K-1，2#、3# 和 4# 墙板的导热系数分别为 0.753 4、0.517 7 和 0.324 6 W·m-1·K-1， 相较于 1# 墙板分别降低了31.42%、52.87%和70.45%，随着相变材料含量的增加，墙板的导热系数呈现不断减小的趋势，导致这一现象的主要原因为：（1）水泥墙板的导热系数为1.098 5 W·m-1·K-1，而LA-TD/SiO2定形相变材料的导热系数较低，仅为0.261 2 W·m-1·K-1；（2）热量在墙板中的传递主要靠弹性波作用，墙板导热系数与其自身密度及孔隙密切相关，墙板内部越致密弹性波越容易传递，导热系数就越大，然而低密度的定形相变材料的加入使得墙板内部存在较多的孔隙，大大降低了墙板的密度，从而导致导热系数减小；（3）相变材料本身具有蓄热能力，在相变过程中吸收热量而温度近似保持不变，等效于增大了热容，降低了墙板的导热系数。

图7 墙板导热系数

表4 墙板导热系数测量结果

4 结论

通过向水泥砂浆中添加LA-TD/SiO2定形相变材料，制备了具有蓄放热能力的定形相变墙板，实验研究了其热工性能。随着相变材料含量的增加，定形相变墙板的内表面峰值温度和峰值热流逐渐降低，导热系数不断减小。相较于普通墙板，15%相变材料含量的定形相变墙板内表面峰值温度最高可降低4.9℃，峰值热流最高可降低41.80%，墙板的导热系数为0.324 6 W·m-1·K-1，下降了70.45%。实验制备的LA-TD/SiO2定形相变墙板具有一定的蓄放热能力，可显著降低墙板的内表面温度，有效减缓墙板的内表面升降温速率，从而减小室内温度波动，提高室内舒适性，具有显著的调温性能，在建筑节能减排领域拥有广阔的前景。