高温装饰储热混凝土的开发及其应用研究进展

王花蕾

(杨凌职业技术学院, 陕西 咸阳 712100)

环境污染和能源紧缺是目前社会发展中所遇到的突出问题，早在20世纪传统的化石能源已经开始出现紧缺，同时化石燃料燃烧所产生的污染问题也成为一大问题，因此对于清洁的可再生能源的探索一直没有停歇[1-2]。充分利用太阳能无疑是解决能源匮乏和污染的最优选择。有数据显示，每年太阳辐照在我国土地面上的太阳能相当于2.5万亿t标准煤，相当于我国能源年总消耗量的400多倍，那么如何有效存储和利用太阳能是摆在研究者面前的首要问题[3-4]。目前对于太阳能的利用主要包括两种方式——光伏发电和光热发电。光伏发电主要利用硅材料在太阳辐照下电子的定向移动产生电流，光热则利用热存储材料将太阳能转化为热能在进行存储转化和释放。相比于光伏存储来说，光热存储其制造成本更低且热量的存取更加稳定，因此在多个领域拥有更大的发展空间[5]。

储热材料是太阳能热存储中最基础和最重要的部分，热存储材料的性能直接影响了太阳能的热利用率和二次转化的效率[6]。储热材料一般可以分为两类显热储热和潜热储热，本文主要对显热储热材料中的混凝土储热材料进行综述，对目前储热混凝土的性能指标、存在问题及未来发展趋势进行详尽概述，从而为储热混凝土的研究和应用方向提供一定的参考和借鉴。

1 储热材料的概述及分类

所谓的储热材料相当于一个能量收集和转化器，在太阳光充足时储热材料可以吸收能量进行有效存储，而当光线不足时存储的热量将会缓缓释放，储热材料不仅通过金属导管进行热量的传递，用于建筑材料或装饰材料可以实现保温防霉除湿等作用。一般来说储热材料可以分为三类：显热储热、潜热储热、化学反应储热，具体细分类图如图1所示[7-8]。在储热材料中目前较为成熟的为显热储热材料，显热储热材料又可分为固体显热材料和液体显热材料，其中固体显热材料高温混凝土因其廉价、性能优良、制备工艺简单具有大规模应用的前景，但依然存在很多问题如易开裂、导热系数和比热容较低等缺点，限制了其进一步的发展。

图1 储热材料分类

2 混凝土储热材料的性能指标

作为混凝土储热材料要满足应用的话需要满足以下几个条件[9]：

(1)储热材料的密度要大，同时材料本身的比热容和相变潜热要大，以此满足材料高效储热的要求；

(2)材料的导热系数大，导热系数越大材料的热传递速度也就越快，因此传热过程中热量损耗也就越低；

(3)在满足上述两个条件之上，作为储热混凝土其材料的稳定性、耐酸、耐碱性及耐高温都是评价其储热综合性能的指标。

目前来说对于储热混凝土的研究也都是基于上述三个指标进行改进。

3 储热混凝土的国内外研究现状

2006年，德国的航空航天研究中心对铸铁陶瓷和高温混凝土；两种固体储热材料在350 ℃高温条件下的性能进行了综合对比，见表1。相比较而言两种材料都具有较高的高温稳定性，混凝土的强度略高于铸造陶瓷，但是其比热容和导热系数还是较低，因此当时德国研究中心认为混凝土储热材料还无法直接用于实际应用[10]。

表1 铸造陶瓷和高温混凝土性能对比

我国科学家郭成州[11]采用石墨烯掺杂的方式以此提升混凝土的导热能力，并系统研究了不同掺杂比例对于混凝土力学性能、比热容等的影响并确定了石墨烯的最佳掺杂比例为5%。

Laing D等人[12]对储热混凝土系统进行设计，所设计的储热系统的长期稳定性通过烘箱试验和500 ℃高温测试。同时该模块在200～400 ℃可运行23个月以上，热循环超过370次以上。图2所示为其研发的储热装置实物图。

图2 成品测试模块(无保温)

何百灵等人[13]研发一种新型混凝土可用于太阳能储热设备，通过掺杂改性其混凝土表现出较高的稳定性和导热性能。

Rui W等人[14]将蓄热骨料的加入到混凝土中。并系统研究了其各项物性参数变化按，掺入80%蓄热骨料的混凝土抗压强度大于18 MPa。蓄热集料的加入显著改善了试验室在冷热环境下的温度波动。因此，研制的蓄热集料混凝土在恶劣气候条件下对提高建筑物的热舒适性具有很大的潜力。

Hong GiKima等人[15]以脂肪酸、硅藻土和陶粒为原料制备了蓄热团聚体，该蓄热团聚体降低了早期温升速率和峰值,室温波动降低了5.94 ℃。

4 储热混凝土研究展望及总结

储热混凝土是目前非常具有应用前景的太阳能储能材料，尤其是其表现出低成本和高温稳定性是其他材料难以比拟的。从混凝土储热材料未来发展来看，如何提高其热能的转化效率。是后续研究所需要着重考虑的地方，只有解决了这两个关键问题，混凝土储热材料才会真正地得到普及和应用。