蓄热混凝土在建筑材料中的应用研究进展

王 飞

(陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 714000)

人口的增长、城市的快速发展使得资源的紧缺问题变得越来越严重，节约能源势在必行。从1997—2014年,全球能源消耗增加了92%[1-2]，其中交通、工业、住宅、商业贡献率最高分别为30%、29%、27%、9%。根据各个国家的统计温室气体的30%来源于建筑 物[3-4]。图1为世界建筑行业能耗增长变化图。资料显示大多数人90%的时间都在室内度过。因此，建筑的节能和热舒适性是值得商榷的问题。冷却和加热建筑物所需的能量以及热舒适性在很大程度上取决于所用建筑材料的热物理性质[5]。蓄热混凝土是一种非常有潜力的材料可以利用自身材料结构性能在保温、降温节能方面都表现出良好的性能，温度较高时充当散热器，外部环境较冷时充当热源，其原理图如图2所示。因此本文主要通过蓄热混凝土的物理特性进行分析，对蓄热混凝土的各项影响指标和发展前景进行综述。

图1 世界建筑行业能耗

图2 蓄热材料的热行为

1 蓄热混凝土热物理性能评价

1.1 导热系数

稳态法和瞬态法是测量导热系数两种主要的方法[6]。而瞬态平面电源(TPS)和热线法被认为是最常见的用于瞬态条件测量导热系数的方法。在研究水泥基材料导热系数时约60%的情况下都使用瞬态测量方法。在测量样品时保持样品温度稳定状态随着时间的变化而变化，试样放置在热板和冷板之间。向样品提供热量，并用试样处于稳态状态热电偶。导热系数使用以下公式：

(1)

式中:Q为热流密度，W/m2；T为温度,K;ΔT为温度差,K;A为薄板厚度，m。

1.2 比热容

恒温式测热仪是用来测定热交换的仪器，包括热交换的速率和热容。等温线、等周线和绝热线是三个根据传热条件分类的恒温式测热仪。通常情况下，使用测热仪，未知样品与具有已知参数的参考材料混合。这些材料之间发生热传递，一种物质所散发的热量等于另一种物质所吸收的热量。Islam和Tarefder[7]使用泡沫冰箱作为量热计，如图3所示。用一个圆柱形的样品而不是一根横梁样品。用隔热材料做成盒子。研究人员测量了水和样品的质量以及标本的表面温度，然后在箱内温度50.5 ℃，经过42 min后达到平衡温度，热容用式(2)计算。

图3 泡沫冰箱作为量热计测量混凝土的热容

(2)

式中：m为质量，kg；T为初始温度，K，Teq为加热后平读温度，K；mi为平衡后物质质量，kg；c为比热容，J/kg·k-1;ci为平衡后物质比热容，J/kg·k-1。Schutter和Taerwe[7]将热量计定位在恒温箱中用庚烷代替水的水浴。测试设备是如图4所示。

1.3 热扩散系数

激光闪光法是测量混凝土热扩散系数最常用的瞬态方法[8-9]。这种方法是基于在圆盘状样品的一个表面上施加一个非常短但很强的激光能量脉冲，同时监测对面的温度漂移。根据升温的特征与时间之间的关系，使用式(3)计算热扩散系数。

图4 Schutter和Taerwe用于水泥浆体热容测量的原理图

(3)

式中：α为热扩散系数，m2/s；x为厚度，m；t1/2为信号达到最大值的50%所需的时间,s。

2 水泥基材料的潜热储存

砖、水、混凝土、土坯和夯实土(高温建筑应用中的大量材料)是最常用的通过显热蓄热降低建筑物内能耗的材料。相变材料(PCM)是一种具有优越的熔化热的材料。动力系统控制模块能够存储和释放在一定温度下熔化和凝固的能量。将着材料与建筑材料结合被认为是一种提高材料蓄热能力的有效方法。PCMs是改善热性能的首选相变温度范围内建筑物的舒适性。当热舒适温度在夏季18～30 ℃，冬季21.0～23.0 ℃。

PCMs可分为有机、无机和共晶。有机和无机PCMs在建筑中应用最为广泛。目前的研究论文大多认为有机PCMs具有较大的应用前景，例如安全性、化学稳定性和化学稳定性。有机PCMs可以是分为石蜡型和非石蜡型。石蜡(PAR)熔化温度在20～70 ℃。一些研究报告成功使用26 ℃变化温度下混凝土中的有机PCMs。非石蜡PCMs的熔点相同范围为石蜡PCMs。非石蜡PCMs的缺点是成本较高，约是石蜡PCMs的三倍。无机PCMs适用于建筑应用，因为它们具有良好的导热系数、高蓄热能力、低成本和易接近性。

3 总 结

发展绿色节能的建筑材料是未来建筑行业发展的重要趋势，而蓄热混凝土是一种非常具有潜力的建筑节能材料，本文综述了蓄热混凝土中几个关键的物理参数及他们的测定方法，同时简单介绍了的相变材料在蓄热混凝土中应用的几种类型。