基于相变材料在绿色建筑墙体中温控性能的研究

郭康 张旭 于丹丹 徐海涛 王瑜 华正晓 指导老师：秦 磊（副教授）

（济南大学土木建筑学院，济南 250022）

基于相变材料在绿色建筑墙体中温控性能的研究

郭康 张旭 于丹丹 徐海涛 王瑜 华正晓 指导老师：秦 磊（副教授）

（济南大学土木建筑学院，济南 250022）

本项目主要通过研究混合石蜡的物理性质及其比例制成一种绿色温控墙体，既能提高墙体的安全性能又能达到调控温度的效果，该墙体主要将石蜡进行优化制成囊型颗粒和网板等复合材料掺加在墙体中，从而促使墙体的温度敏感性，能够有一定的自我调节作用，达到室内温度冬暖夏凉的目的。这种材料一旦在人类生活被广泛应用，将成为节能环保的最佳绿色载体，必将成为建筑界的一颗明星。

相变材料；石蜡；绿色墙体

0 引言

国外对相变储能材料（PCM）的研究工作开始于20世纪 70年代。我国对PCM的研究始于20世纪80年代，如今已将PCM不断深入应用。从应用角度来讲，相变储能建筑材料应具有以下几个特点：相变潜热高；相变过程可逆性好；膨胀收缩性小；相变温度在20℃左右；导热系数大；储热密度大；无毒、无腐蚀性；成本低、制造方便；与建筑材料相容，可被吸收。

由于石蜡具有价格便宜、相变温度 宽且易于控制、相变潜热大、无毒、无腐蚀、化学稳定 性好、几乎无过冷及相分离现象等优点而被广泛 应用于太阳能热利用、工业余热、服装、建筑等储能领域。

本文研究适合夏季使用的混合石蜡的比例，并采用活性炭作为吸附剂对混合石蜡进行吸附精制试验后与膨润土混合，确定最佳混合比例，以拓宽相变石蜡在相关领域中的应用。

1 实验

1.1 相变材料的制备

（1）将固态石蜡和液态烷烃按以下比例混合，经过多次水浴加热70℃，充分混合并

观测各组混合相变材料相变温度，记录数据。

固液混合石蜡结果分析：

表1：不同石蜡含量的相变温度

通过多次实验得石蜡含量为60%的混合相变材料的相变温度在30℃左右，适合作夏季相变材料。

（2）活性炭预处理：将活性炭放入烘箱中，在110℃下烘24h，密封于干燥塔中备用。

吸附方法：用天平称取56#石蜡30g，放入250mL三颈烧瓶中，在一定温度下，加入一定量的活性炭，在300r /min转速下搅拌一段时间抽滤，所得滤液为相变石蜡。

（3）本实验选取了相变温度为56度的石蜡，膨润土（以蒙脱石为主要矿物成分主要化学成分为SiO2、Al2O3和H2O）。并对相变石蜡混合物与膨润土进行搅拌，制成定形相变材料，通过研究其相变温度、相变潜热、均匀性和稳定性, 验证其应用于墙体中的可行性, 为相变墙体的制备和实验研究提供依据。相变材料分别和膨润土按不同的比例混合制成10种试样，试样编号1 -10，试样中相变石蜡与膨润土的比值见下表：

表2：定形相变石蜡试样

本研究中的相变石蜡和膨润土的熔点相差较大，把二者按质量比配好后，放人不锈钢容器然后放入电炉中加热到180℃，当混合物全部熔融后，取出用玻璃棒搅拌均匀，放在空气中降温，反复几次使两种材料完全混合均匀，制成定形相变材料试样。

把不同配比的定形相变材料在中午用强太阳光照射观察定形材料的变化。实验将试样分别放到40℃恒温箱中加热，然后拿出放在20℃环境中冷却，进行重复吸放热实验。实验中分别测得5次、10次、20次、30次吸放热后相变材料的相变潜热和相变温度如下图所示，图中显示定形材料的相变潜热在多次吸放热之后变化很小，相变温度在多次吸放热之后也基本不变，故认为石蜡膨润土定形相变材料的稳定性较好。

不同放热次数后相变潜热不同吸放热次数后相变温度

通过对上述多次吸放热后的混合物进行观察发现：相变石蜡含量为 33%时,石蜡有细微的渗出, 当相变石蜡含量为 36%及其以下时,石蜡明显渗出, 而相变石蜡含量为 32%时没有渗漏。综合考虑定形相变材料的储热能力和使用安全性, 定形材料中相变石蜡含量最佳为32%，六号定形相变石蜡试样是合适的。

（4）将定形相变材料切割成块状，放入筛子中，喷水至相变材料均沾有水珠，将石灰均匀撒入，来回有规律晃动，至水泥均匀包裹住相变材料，再喷水，撒石灰，晃动，重复进行5-6次即可制成下图所示封装好的相变材料。

2.2 相变墙体的制备

1）将固体水泥小颗粒直接与混凝土搅拌，浇筑形成相变墙体。

2）在墙体中放置网片状的相变材料板材，即将已做好的固体水泥颗粒用水泥包裹后按一定比例填充到部分金属网孔中，并把制作好的金属网片放置到待浇筑的混凝土模具中，用混凝土进行浇筑，使混凝土填充到剩余金属网孔中。

2.3 温控性能测试

将相变墙体和普通墙体试样立在试验台上, 环境温度为 12℃左右。用暖风机向两墙体试样吹热风使得墙体达到相同的温度记录所需的时间，再将相变墙体和普通墙体自然降温至相同的温度，记录所需时间。

对比实验结果分析：

实验中升高到32℃时，相变墙体用时52min，升温速率0.385℃/min；普通墙体用时29min，升温速率0.69℃/min。降温至28℃时，相变墙体用时15min，降温速率0.267℃/min；普通墙体用时5min，降温速率0.8℃/min。

通过对比实验发现，相变墙体具有良好的温控性能。以下为实验升降温普通墙体和相变墙体对比。

普通墙体升降温变化

相变墙体升降温变化

3 结论

本文采用活性炭吸附后的相变石蜡含量为32%与膨润土进行融合，并用水泥进行包裹，通过直接添加或金属网片固定于墙体中的方式制成相变墙体。所得结论如下：

1）混合石蜡中石蜡含量为60%的混合相变材料的相变温度在 30℃左右，适合作夏季相变材料。

2）定形相变材料中石蜡含量为32%时没有渗漏。综合考虑定形相变材料的储热能力和使用安全性, 定形材料中混合相变石蜡含量为32%。

3）通过普通墙体与相变墙体升降温对比发现，相变墙体和普通墙体同时加热和冷却相同时间，相变墙体温度变化约为普通墙体的1/2，具有良好的温控性能。

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1007-6344（2015）08-0068-01