相变储能石膏板导热系数2种测试方法的研究

李 悦，鲍振洲，秦宪明，谢静超

（1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；2.厦门市宏业工程建设技术有限公司，福建 厦门 361012）

将复合相变材料（phase change material，PCM）掺入到石膏基体中制成的相变储能石膏板作为围护结构可以在温度较高时吸收热量，在温度较低时释放热量，从而有效地减少室外温度波动对于室内温度的影响，提高室内环境的舒适性，减少空调等温度调节工具的使用，起到节能的作用［1－3］.导热系数是平衡蓄放热时间的重要因素，根据不同地区的日照和气候等条件选择相应的导热系数是相变储能石膏板应用的前提.对于相变储能材料导热系数的测试至今还没有标准的方法.大部分的研究者采用非稳态测试方法对相变储能材料的导热系数进行测试，测试方法单一，且无法确定其测试结果的准确性.Ahmet等［4］用热线法（hot－wire method）测试了分别掺加膨胀石墨质量分数为2%，4%，7%和10%的二十二烷石蜡复合相变材料的导热系数，结果表明，复合相变材料的导热系数随着膨胀石墨掺量的提高而增大，其值的变化幅度较大.Wang等［5］利用Hotdisk测试仪测试了掺膨胀石墨的聚乙烯醇复合相变材料的导热系数.在固体状态时，随着膨胀石墨掺量的提高，2种混合物的导热系数增加明显，当膨胀石墨掺量为10%时，其导热系数增大幅度为344%.杨硕等［6］利用Hotdisk测试仪分别测试了纳米铝粉／石蜡复合相变储能材料在固态和液态的导热系数，结果表明，当试样处于不同物相时，相同含量的纳米铝粉对导热系数提高的程度不同.Lin等［7］采用调制差示扫描量热方法（MDSC）测量了18种典型有机物的导热系数，测试结果与期望值相符.Pablo等［8］用激光法（laser flash methodology）测试了相变材料分别处于固态和液态时的导热系数，用于全尺寸房屋的PCM－空气热交换模型的建立.

在已有测试方法的基础上，一些研究者采用稳态测试方法对相变储能构件的导热系数进行了测试.肖伟等［9］基于稳态测试原理对轻质建筑中相变储能石膏板的导热系数进行了研究，从相变温度、相变材料含量和相变石膏板厚度3个方面对相变储能石膏板的使用进行了优化.然而，这些导热系数测试方法均有一定的局限性，所取得的数据准确性和代表性值得商榷.本文通过稳态测试方法（防护热板法）和非稳态测试方法分别测试了相同试件的导热系数（λ，W／（m·K）），并通过比较分析得出了导热系数测试结果不同的原因.

1 试验

1.1 原材料及试件的制作

PCM 采用石蜡复合相变材料，相变温度为17～23℃，相变潜热为109.9J／g；石膏为厦门产特级半水熟石膏，CaSO4·（H2O）0.5含量（质量分数）为64.9%，初凝时间为9min，终凝时间为16 min，标准稠度用水量（质量比）为0.49；钢纤维采用镀铜钢纤维，直径为0.08～0.13mm，长度为10mm，掺量为试模体积的1%；减水剂为聚羧酸液态减水剂，固含量（质量分数）为33%，减水率（质量分数）为31%，掺量为石膏质量的1%.试件的配合比如表1所示.

表1 试件配合比与尺寸Table 1 Mix proportion and size

将PCM 颗粒和石膏粉末分别按质量比0∶1，1∶5，1∶3，1∶2混合均匀，然后撒入钢纤维搅拌均匀，将称量好的水和减水剂（掺量为石膏质量的1%）加入固体混合物中，快速搅拌均匀后注入试模成型，在室内环境条件（24℃，相对湿度60%）下养护24h拆模，然后移至烘箱内在70℃下烘干3d.试件烘干后密封，恒温至12，16，20，24，28℃备用.

1.2 试验方法

稳态测试：依据GB10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定—防护热板法》进行测试，测试仪器采用沈阳紫微机电设备有限公司生产的CDDR3030型导热系数测定仪.各初始温度及对应的冷、热板温度如表2所示.

非稳态测试：采用湘潭市仪器仪表有限公司生产的DRM－Ⅱ导热系数测试仪.测试结束后，将试件切成尺寸为200mm×200mm×20mm 的方块，作为非稳态测试用试件.待测试件和防护试件在70℃下烘干密封，分别恒温至10.5，14.5，18.5，22.5，26.5℃.试件放置及测试原理如图1所示.

表2 试件温度及测试板温度Table 2 Temperature of test－plasterboard and protection－plasterboard

图1 非稳态导热系数测试原理Fig.1 Test theory of unsteady testing method

2 试验结果与分析

2.1 稳态测试结果与分析

图2为导热系数稳态测试结果.由图2可见，当初始温度相同时，随着PCM 掺量的增加，试件的导热系数呈降低趋势.这是因为相对于石膏的导热系数，PCM 的导热系数较小.本文将测试结果进行多项式拟合，得到了导热系数λ 与PCM 掺量w 的关系式（1）.由式（1）可以看出，试件的导热系数变化与PCM 掺量具有一定的相关性，PCM 掺量增加，λ降低.

图2 导热系数稳态测试结果Fig.2 Thermal conductivity of steady testing method

由图2还可以看出：初始温度在相变区间时，试件的导热系数最大，这是由于PCM 处于相变过程，除了热传导以外，在固液界面还有热对流现象，故导热系数较大［10］；当初始温度小于相变温度时，试件的导热系数最小，这是由于PCM 处于固体状态，测得的导热系数为PCM 固态时试件的导热系数，因此导热系数较小；当初始温度大于相变温度时，试件的导热系数比初始温度在相变温度区间时小，比初始温度小于相变温度时大，这是因为PCM 多成熔融状态，此时测得的导热系数为PCM 熔融状态时的导热系数，同时，温度越高，分子运动越激烈，因此导热系数较大.

2.2 非稳态测试结果与分析

图3为导热系数非稳态测试结果.由图3可见，采用非稳态方法测试相同配合比试件得到的导热系数变化规律与稳态测试方法得到的结果一致：在初始温度相同时，随着PCM 掺量的增加，试件的导热系数呈降低趋势.由非稳态平面热源法测量原理［11］可知，非稳态测试导热系数λ可用下式计算：

式中：a为待测试件的热扩散率；Q 为加热功率；t为停止加热后降温时间；ΔT 为试件冷却后温度与初始温度的温差；A 为常数项.

图3 导热系数非稳态测试结果Fig.3 Thermal conductivity of unsteady testing method

由于ΔT 与PCM 掺量成正比，因此随着PCM掺量的增加，试件的导热系数减小.此外，由图3还可以看出：当试件的初始温度在相变温度区间时，其导热系数最大，初始温度在相变温度区间以外时，其导热系数变小.试件的比定压热容cp与导热系数λ之间的关系［12］为：

式中：ρ为密度.

当试件初始温度处于相变温度区间时，PCM 的相变潜热最大，此时cp最大，因此其λ变大.

2.3 2种测试方法的比较

图4为不同PCM 掺量试件的导热系数比较.由图4可见，2种测试方法均能反映石膏基相变储能试件导热系数随温度变化的趋势，即测试温度处于相变材料的相变温度区间时，导热系数最大，测试温度小于或大于相变材料的相变温度时，导热系数变小.2 种测试方法得到的导热系数不同，非稳态的测试结果大于稳态测试结果，这是因为在测试过程中，稳态测试方法要求试件处于稳定的传热状态，由于测试时间较长，试件中的PCM已经全部参与吸放热过程，测试结果反映的是试件在固定温度时的稳定导热系数，而非稳态测试则是反映试件瞬时的导热系数，即试件在加热和停止加热这一时间区间的导热系数，由于时间较短，PCM 不能充分吸放热，导致待测试件在该时间区间对温度的反映具有一定的滞后性，因此相对于稳态导热系数，其值较大.

图4 不同PCM 掺量的试件导热系数比较Fig.4 Thermal conductivity comparison with different PCM contents

3 结论

（1）在0%～33%的范围内，随着相变材料掺量的增加，石膏基相变储能试件的导热系数呈下降趋势.

（2）当石膏基相变储能试件初始温度处于不同的温度区间时，其导热系数不同，且初始温度在相变温度区间的导热系数最大.

（3）稳态测试得到的石膏基相变储能试件导热系数与非稳态测试得到的不同，后者测试得到的导热系数较大，但稳态测试更能反映试件的真实导热系数.

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