储能墙板制备及性能实验研究

张爱军，孙志高，李成浩，王 茂，李翠敏，李 娟

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

储能墙板制备及性能实验研究

张爱军，孙志高，李成浩，王 茂，李翠敏，李 娟

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

利用改性的膨润土吸附由十四酸（MA）和十六醇（HD）混合而成的共熔相变材料（PCM），制取了膨润土基复合相变材料。扩散-渗出圈法实验结果表明，等质量的相变材料与改性膨润土混合为最佳质量配比，无泄漏现象。把水泥、标准砂、膨润土基复合相变材料和水按一定的比例混合制备了储能墙板，储能墙板能有效降低墙板表面温度峰值。添加6%的相变材料墙板储能效果最好，高温段的平均温度比普通墙板降低了3.0℃。

熔融插层；复合相变材料；储能墙板

随着我国经济飞速发展，能源供应日益紧张。据统计，我国建筑能耗占社会总能耗的40%以上[1]，采暖和空调占比达50%左右，建筑节能已成为建筑行业关注的焦点[2-4]。相变储能是指利用相变材料在相变过程中吸收或释放相变潜热来储存能量，具有储能密度大，相变过程近似等温，清洁无污染等优点。作为一种节能技术，相变储能正越来越受到人们的关注[5-7]。

国内外诸多学者针对建筑中的储能节能技术已做出了一系列的研究成果。管学茂等[8]利用熔融插层法和液相插层法，将脂肪酸插层于膨润土层间，利用XRD、DSC等测试手段对复合结构进行表征，结果表明，脂肪酸分子被有效包裹在膨润土纳米层间；Frederic等[9]利用高分子聚合物包裹相变材料，制备了复合相变墙体，夏季典型日的实验表明，房间最高温度下降4.2℃，减小了房间内各处温度差；赵之贵等[10]制备了3个房间模型，分别加入不同相变材料，分析了相变储能房屋模型的热平衡过程，认为相变房屋与夜间通风协调，效果更好。本研究利用十四酸和十六醇作为相变材料，制备了储能墙板，研究了其传热性能与温度调节的能力。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

本实验将十四酸（MA）和十六醇（HD）按48∶52的质量比进行配比[11]，得到二元低共熔混合相变材料（PCM），实验用试剂与仪器见表1和表2。

表 1 主要实验试剂

表 2 主要实验设备

1.2 膨润土改性及复合相变材料制备

在烧杯中配制固液比为6%的膨润土悬浮液，加入0.9%的CTAB，用玻璃棒搅拌分散均匀。将烧杯置于70℃的恒温水浴中，用搅拌机搅拌1.5 h，搅拌速度为600 r/min。用蒸馏水对悬浮液洗涤，用0.1 mol/L AgNO3溶液检测，直到检测不出溴离子为止。将沉淀物放在干燥箱中干燥至恒重，研磨后得到有机改性膨润土。

将一定质量的PCM和有机改性膨润土置于密闭容器中混合均匀，放在70℃的干燥箱中加热，使PCM处于熔融状态并保持6～8 h，不断对其进行搅拌，使其充分融合，得到膨润土基复合相变材料。

1.3 储能墙板制备

利用硬质聚氨酯保温板制作100 mm×100 mm×10 mm的模具，标准水泥砂浆板，其中水泥、标准砂和水的质量比为1∶3∶0.5。制备储能墙板时，膨润土基复合相变材料替换同等质量的标准砂，具体储能墙板配比见表3。按照表中配比将水泥、标准砂、水、膨润土基复合相变材料混合并搅拌均匀，然后将相变水泥砂浆倒入预先做好的模具中，压实制成不同含量相变材料储能墙板。1天后脱模，将其放置于25℃的干燥箱中养护，早晚对其进行浇水处理，持续28 d，见图1。

表 3 相变水泥墙板配合比

1.4 储能墙板温度响应测试

利用高低温交变试验箱模拟夏季室外环境温度变化（见图2），实验墙板的内侧与高低温交变试验箱接触，外侧与室内环境接触，室内环境温度控制为25℃，箱内温度变化范围为18～58℃。试验箱具体温度方案为18℃定温30 min，再在200 min内匀速上升至58℃，在高温58℃定温60 min，再在200 min内匀速降温至18℃，保持18℃定温30 min，共520 min。将实验过程可分为低温段、升温段、高温段、降温段四个过程。通过数据采集器分别记录箱内温度变化和墙板内外温度变化情况，温度数据记录间隔为10 min，比较不同相变材料含量墙板的热性能。

图 1 相变储能墙板

图 2 相变储能墙板温度响应测试原理图

2 结果与讨论

2.1 复合相变材料最佳配比分析

在制备膨润土基复合相变材料过程中，确定相变材料的最佳吸附量，有利于最大程度的发挥膨润土基复合相变材料的蓄热优势。在笔者的研究中，制备了一系列不同质量配比的复合相变材料，具体为mPCM∶m膨润土= 7∶3、6∶4、5.5∶4.5、5∶5、4∶6。将制备的膨润土基复合相变材料放在60℃的干燥箱中加热1 h，观察材料形态，结果见表4。

表 4 不同质量配比膨润土基复合相变材料形态

由表4可知，前两组复合相变材料在加热1 h后呈固-液态，表面有相变材料泄露，所以不予考虑。将表中后3组配比的试样做扩散-渗出圈法实验，检测相变材料渗出稳定性。取等量膨润土基复合相变材料放置在滤纸上，再将其放置在干燥箱内加热，温度设定为60℃，加热1 h后，取出试样并拍照。图3中（a）和（b）周围无油印，表明在滤纸作用下，加热后的相变材料也未渗出，有机改性膨润土对PCM吸附效果良好，而图3（c）周围有明显的油印，表明在加热过程中，多余的液态相变材料未被完全吸附而渗出。PCM和有机改性膨润土的最佳质量配比为mPCM∶m膨润土=5∶5。

图3 热处理后膨润土基复合相变材料渗出情况

2.2 相变材料含量对储能墙板储能效果影响分析

图4是相变材料含量分别为0%、3%、6%和9%储能墙板的温度响应曲线，表5则是墙板在各个阶段的平均温度。储能墙板中复合相变材料选用相变材料和膨润土质量比为5∶5。通过图4和表5表明，复合相变材料含量越高，其控温效果越明显，持续时间越长。这说明，随着相变材料含量的增加，负荷的转移量也增加，更好的实现了能量的转移。随着复合相变材料含量的增加，高温段的平均温度降低的越明显。复合相变材料含量为3%、6%、9%的储能墙板在高温段的平均温度比普通墙板分别降低了2.6、3.0、3.2℃，有效降低了墙板表面高温段温度响应的峰值。膨润土基复合相变材料含量为3%的储能墙板，在290 min时，温度突然升高，从38.0℃升至39.1℃，随后开始下降，这说明，相变材料含量过低，负荷量大于相变材料的相变焓，所以相变材料的含量应大于3%，当相变材料含量超过6%时，其调节能力增加不明显，所以复合相变材料的最佳含量为6%。

图 4 不同相变材料掺量储能墙板温度响应

表 5 不同相变材料掺量储能墙板各阶段平均温度

3 结语

利用十四酸和十六醇混合而成的共熔相变材料为储能材料，改性膨润土为基材，采用熔融插层法制备了膨润土基复合相变储能材料。相变材料和改性膨润土的质量配比为5∶5时，相变过程中没有发现液相渗漏的问题，膨润土吸附性能良好，有效解决了相变材料在储能过程中的泄漏问题。制备了不同膨润土基相变材料含量的储能墙板，随着相变材料含量的增加，储能墙板的温度调节能力越明显，但当相变材料的含量超过6%后，其温度调节能力增加不明显。相变材料含量为6%的储能墙板在高温段的平均温度比普通墙板降低了3.0℃，有效降低了墙板表面温度响应峰值，降低了峰值负荷，实现能量转移。

[1]侯利恩.中国建筑能源消费情况研究[J].华中建筑，2015，33（12）：94-100.

[2]GOIA F,PERINO M,HAASE M.A numerical model to evaluate the thermal behaviour of PCM glazing system configurations[J].Energy and Buildings,2012,54（8）：141-153.

[3]MURAT K,KHAMID M.Solar energy storage using phase change materials[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2007,11（9）：1913-1965.

[4]何小芳，吴永豪，王月明，等.相变储能材料的研究进展[J].化工新型材料，2014，42（12）：27-29.

[5]薛永丽.膨润土基纳米复合PCM制备及其建筑节能应用[D].大连：大连理工大学，2011.

[6]ALAWADHI E M.Using phase change materials in window shutter to reduce the solar heat gain[J].Energy and Buildings,2012,47（4）：421-429.

[7]SHARMAA A,TYGIB V V,CHENA C R.Review on thermal energy storage with phase change materials and applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,13（2）：318-345.

[8]管学茂，宋纤纤，张建武，等.膨润土相变储能材料的制备与性能研究[J].太阳能学报，2015，36（4）：950-954.

[9]KUZNIK F,VIRGONE J.Experimental assessment of a phase change material for wall building use[J].Applied Energy,2009,86（10）：2038-2046.

[10]赵之贵.基于毛细管封装相变材料的相变储能墙板性能研究[D].苏州：苏州科技大学，2014.

[11]张爱军，孙志高，蔡伟，等.二元有机复合相变材料性能实验研究[J].化工新型材料，2016，44（7）：127-129.

Preparation and performance of the energy storage wallboard

ZHANG Aijun,SUN Zhigao,LI Chenghao,WANG Mao,LI Cuimin,LI Juan

（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

Composite phase change materials of Myristic acid（MA）and Hexadecanol（HD）combined with the modified bentonite are prepared.The diffusion-seeping circle test results show that the mixture of the equal phase change material（PCM）and modified bentonite is the best quality ratio,and no leakage of PCM is found. Energy storage wallboards are prepared with different contents of cement,normal sand,phase change materials and water.The experimental results show that the composite phase change materials can reduce the peak temperature of wallboard.When the content of the phase change material in wallboard is 6%,the regulating ability of the phase change wallboard is the best,and the average temperature of energy storage wallboard reduces 3.0℃, compared with the ordinary wallboard.

melting intercalation;composite phase change material;energy storage wallboard

TB332

A

2096-3270（2017）01-0047-04

（责任编辑：经朝明）

2016-09-08

江苏省高校自然科学研究重大项目资助项目 （16KJA480001）；江苏省住房与城乡建设厅科技计划项目（2016ZD134）；江苏省住房与城乡建设厅科技计划项目（2015ZD83）；江苏省智慧节能重点实验室（2015-06）；苏州科技大学研究生创新项目（SKCX15-029）

张爱军（1992-），男，江苏苏州人，硕士研究生。

孙志高（1966-），男，教授，博士，主要从事节能与储能技术研究，Email：szg.yzu@163.com。