改性膨润土复合相变储能墙板制备及特性研究

王磊

（郑州大学 西亚斯国际学院建筑学院，河南 郑州 451100）

0 引言

相变储能技术具有清洁无污染、相变过程近似等温、储能密度大等优点[1]，有效提高了能源的利用率，已越来越受到社会的关注[2]。针对建筑中的储能节能技术，国内外学者做了大量研究，张建武等[3]将PEG600掺入到水泥砂浆中，对水泥砂浆的导热性和强度进行研究，表明相变材料掺量较少时，对导热性影响较小，相变材料对水泥砂浆强度影响较大。董超颖等[4]制备了定型相变板和相变石膏板，并对传热过程进行数值求解，结果表明，相变材料对墙板热响应延迟有明显作用，定型相变板和相变石膏板波动幅度衰减分别为58%和48%。闫全英等[5]结合北京地区某建筑物实例，建立了焓法模型，对相变混凝土复合墙体的传热进行研究，结果表明墙体相变层厚度和材料相变温度对室内舒适性影响较大。

通过CTAB对膨润土进行改性并与相变材料PCM相结合，制备改改性膨润土吸附相变材料，利用掺混法制备了改性复合相变材料含量分别为0、2%、5%、8%的储能墙板，通过模拟实验探究4种墙板的温度响应，并利用Matlab软件模拟墙板内部传热过程[6]，分析不同时刻墙板内部各节点的温度分布，进而探究相变储能墙板的优越性，本研究可为复合相变储能墙板的实际应用提供理论指导，有着重要的现实意义。

1 试验

1.1 原材料

十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：分析纯，天津市江天技术有限公司；二元低共熔混合相变材料（PCM）：分析纯，上海山浦化工有限公司；硝酸银溶液：0.1 mol/L；膨润土：化学纯，天津市光复精细化工研究所；ISO标准砂；普通硅酸盐水泥：天津永存水泥有限公司；去离子水：上海展云化工有限公司。

1.2 仪器设备

实验装置主要由高低温交变试验箱、热电偶温度传感器、计算机、数据采集仪等组成。干燥箱：控温10～250℃，DHG-9070A型；循环水式真空泵：真空度0.098 MPa，BSA224S型；数显电动搅拌机：0～3000 r/min，D8FOCUS型；电子天平：量程0～220 g，SHZ-D（Ⅲ）型；高低温交变试验箱：工作温度范围100℃（+150℃）～－70℃，STH/SHL-2P-A型；热电偶温度传感器：温度采集范围-200～850℃，DDZ-Ⅱ型；数据采集仪：工作温度范围200～－80℃，DT82E型。

1.3 膨润土改性及复合相变材料制备

在烧杯中加入250 mL去离子水、15 g膨润土，搅拌均匀，得到6%的悬浮液，加入2.25 g十六烷基三甲基溴化铵，70℃下搅拌反应60 min，抽滤、洗涤沉淀物，将沉淀物70℃下干燥6 h，研磨得到有机改性膨润土。

将有机改性膨润土、PCM置于烧杯中混合均匀，加热使PCM处于熔融状态，不断搅拌，使其充分融合，制得膨润土基复合相变材料。

1.4 复合相变材料最佳配比确定

在制备改性膨润土基复合相变材料过程中，相变材料的含量越高，储能墙板的蓄热效果越好，但相变材料含量较高时易发生渗漏。为最大程度发挥其蓄热优势，本文通过制备不同质量配比的相变材料，对改性复合相变材料最佳配比进行研究，质量配比分别为：m（有机改性膨润土）∶m（PCM）=3∶2、1∶1、0.9∶1.1、2∶3、3∶7，将不同质量配比的相变材料置于干燥箱 65℃下加热70 min。不同质量配比改性复合相变材料形态如表1 所示。其中，m（有机改性膨润土）∶m（PCM）=0.9∶1.1、2∶3、3∶7，部分PCM呈液体状态，发生液体渗漏，有机改性膨润土和PCM 最佳质量配比为 m（有机改性膨润土）∶m（PCM）=1∶1。

表1 不同质量配比改性复合相变材料形态

1.5 储能板材制备

利用模具制作标准水泥砂浆板，水灰比为0.5，下同，模具尺寸为80 mm×80 mm×20 mm，制备储能板时，加入不同质量的膨润土基复合相变材料[m（有机改性膨润土）∶m（PCM）=1∶1，下同]，板材配比如表2所示。

表2 复合相变储能板配比

将不同配比的膨润土基复合相变材料、水、标准砂和水泥混合均匀，倒入模具，24 h后脱模，30℃干燥箱养护，持续28 d，制成不同含量膨润土基复合相变材料储能板。复合相变储能板的热工性能参数如表3所示。

表3 复合相变储能板的热工参数

1.6 试验方法

为模拟夏季室外环境温度变化规律，通过高低温交变试验箱进行试验[7]，室内环境温度控制在（25±1.5）℃，高低温交变试验箱箱内温度变化范围为17～59℃，墙板的内表面与室内环境接触，外表面与试验箱直接接触。试验箱温度变化时间550 min，温度变化过程包括低温段：17℃定温40 min；升温段：210 min内匀速上升至59℃；高温段59℃定温50 min；降温段：210 min内匀速降温至17℃，并定温40 min。为比较不同相变材料含量墙板的热性能，分别记录墙板内外和箱内温度变化情况，并对温度数据进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 复合相变材料含量对储能板储能效果影响分析

相变材料含量过高易出现储能板抗压强度较低等问题；含量过低不利于实现能量的转移和良好的控温效果。因此，本文分别对4种配比的储能墙板进行测试，探究改性复合相变材料含量对墙板储热性能的影响，不同掺量复合相变材料的储能墙板在各个阶段的平均温度如表4所示。

表4 4种墙板各阶段平均温度

由表4可知，随着复合相变材料含量的增加，高温段平均温度降低的越明显。

4种不同复合相变材料含量储能板的内表面温度响应如图1所示。

图1 4种不同复合相变材料含量储能板的内表面温度

由图1可以看出，改性复合相变材料含量越高，控温持续时间越长，控温效果也越明显。同时负荷的转移量随着改性复合相变材料含量的增加也在不断增加，能量的转移效果较好。在高温段，改性复合相变材料有效降低了墙板表面高温段温度响应的峰值，8%、5%、2%改性复合相变材料含量的储能板平均温度比普通板分别降低了3.17、2.97、2.58℃，改性复合相变材料含量为2%的储能板，由于改性复合相变材料含量过低，负荷量大于相变材料的相变焓，290 min时，温度突然升高随后开始下降；改性复合相变材料含量为8%时，储能墙板的抗压强度较弱，不能满足工程需要。因此，改性复合相变材料的最佳含量为5%。

2.2 改性膨润土复合相变储能板储能效果分析

对储能板表面温度变化进行分析，高低温箱温度设定为17～59℃，取靠近室内侧为内表面，靠近高低温箱侧为外表面，在相同工况下，分别绘制4种改性复合相变材料含量储能板的内表面和外表面的温度变化曲线，如图2所示，不同相变材料掺量储能板内外表面温度响应如表5所示。

由图2可知，在升温阶段、高温阶段和降温阶段，储能墙板内外表面的温差较大，储能墙板的内表面温度随着改性复合相变材料含量的增加逐渐降低，主要由于改性复合相变材料起到了调节温度的作用，提高了墙板的储热能力。对比分析储能墙板在升温阶段和降温阶段的内表面温度变化情况可以看出，增加改性复合相变材料的含量，温度变化范围较小，曲线斜率愈加平缓，主要由于储能墙板的导热率随着改性复合相变材料的加入而逐渐降低，进而导致通过储能墙板的热流减小，降低了储能墙板的导热性能。因此，改性复合相变材料的最佳含量为5%。

图2 不同改性复合相变材料含量储能墙板的内外表面温度变化曲线

表5 4种储能板内外表面温度响应

2.3 相变储能墙板传热数值分析

2.3.1 模型建立

外部热流通过墙板时，建筑墙体内部相变储能材料同时进行蓄热和传热2个过程，将墙板的传热模型简化为一维传热，其控制方程为：

式中：H——相变焓，kJ/kg；T——储能板温度，K；λ——储能板导热系数，W/（m·℃）；Cp——储能墙板热容，kJ/（kg·℃）；ρ——储能墙板密度，kg/m3。

焓法是将焓和温度作为一个变量，适用相变区、液相和固相，将相变导热看作一维、非线性导热过程，控制方程为：

式中：s表示固态；m表示熔化过程；l表示液态。

2.3.2 计算条件

普通墙板掺入改性复合相变材料后，热工参数有所改变，对墙板传热数值计算时，时间长度10 s，墙板厚度为8 mm，对不同墙板取不同的热工参数，相变墙板的初始温度为25℃。

2.3.3 计算结果

在相同工况下，将改性复合相变材料含量分别为0、2%、5%、8%的储能板传热数据输入Matlab，模拟板内部不同时刻的温度分布，储能板厚度均为0.08 m，不同掺量储能板节点温度变化模拟图，如图3所示。

由图3可知，在外界环境温度变化时，掺量为0的普通墙板外表面温度、内表面温度及节点响应温度均随时间呈周期性变化。随着改性复合相变材料含量的增加，温度响应变慢，主要由于改性复合相变材料含量的增加导致储能墙板自身导热系数降低，相变初期不同节点温度上升迟滞。对比不同相变材料含量的储能板可知，在整个升温/降温的过程中，加入改性复合相变材料后，对储能板的节点降温/升温产生了明显的迟滞作用，升温阶段相变材料含量越高，相变过程持续时间较长；相变过程结束后，板内表面温度和内部节点温度缓慢升温，在高温阶段达到稳定，由于改性复合相变材料的热容较大；降温阶段相变材料含量越多，降温速率越平缓，节点温度随墙板外表面温度降低而不断降低；当表面温度降低到一定程度时，基本保持不变。

通过模拟可以看出，随改性复合相变材料含量的增加，在相变温度附近控温效果更加明显。高温段墙板响应温度的下降趋势愈加明显，改性复合相变材料含量越多，储能效果越明显。将实验值与模拟值对比，改性复合相变材料的加入有明显的转移能量、调温的作用，能对墙板内部各节点温度的变化起调节作用，同时验证了模拟分析的合理性。

图3 不同掺量储能板节点温度变化模拟图

3 结论

通过CTAB对膨润土进行改性并与相变材料PCM相结合，制备改性膨润土吸附相变材料，利用掺混法制备了改性复合相变材料含量分别为0、2%、5%、8%的储能板，通过模拟试验探究4种储能板的温度响应，并利用Matlab软件模拟墙板内部传热过程，分析不同时刻墙板内部各节点的温度分布，主要得出以下结论：

（1）改性膨润土和相变材料的最佳复配比例为1∶1，具有良好的热稳定性，有效避免了相变材料液相渗漏的问题。

（2）改性复合相变材料含量越高，墙板的温度调节能力越明显；在高温段，相变材料含量为8%、5%、2%的储能板平均

温度比普通墙板分别降低了3.3、3.2、2.7℃，综合应用效果，改性复合相变材料的最佳含量为5%。

（3）将试验值与模拟值对比，改性复合相变材料的加入有明显的转移能量、调温的作用，能对墙板内部各节点温度的变化起调节作用，同时验证了模拟分析的合理性。

[1] 刘凤利，朱教群，马保国，等.相变石膏板制备及其在建筑墙体中应用的研究进展[J].硅酸盐学报，2016，44（8）：1178-1191.

[2] 赵金平，艾明星.相变储能蜂窝板在建筑保温节能中的应用[J].建设科技，2016（11）：25-27.

[3] 张建武，朱建平，管学茂，等.相变储能石膏板的制备及储热性能分析[J].化工新型材料，2015，43（5）：197-198.

[4] 董超颖，孙振平，翁光文，等.膨润土应用于建筑材料的研究进展与展望[J].新型建筑材料，2013，40（11）：8-13.

[5] 闫全英，阮振邦，霍冉.添加相变材料对热水供暖墙板传热性能的影响研究[J].建筑科学，2013，29（12）：35-38，86.

[6] 魏艳玲，徐玲玲，李文浩.储能墙板用癸酸-硬脂酸/膨胀珍珠岩定型复合相变材料的制备与表征[J].南京工业大学学报（自然科学版），2012，34（6）：48-53.

[7] 王伟山，冯中军，邓最亮，等.聚羧酸减水剂分子结构对含膨润土水泥砂浆流动性的影响[J].混凝土，2014（11）：132-135.