复合相变蓄热材料太阳能通风井性能

丁云飞，王元明，吴会军

(广州大学 a.土木工程学院；b.广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广州 510006)

在夏热冬暖和夏热冬冷地区，自然通风是改善夏季室内热环境和节能的重要手段，是广泛应用的被动式建筑技术，然而,风压作用下的自然通风不稳定，热压作用下的自然通风依赖室内外空气温差。通过设计一种透明结构通风井，利用太阳辐射热加热井道中的空气，增加热压实现强化自然通风的效果[1-5]。将相变蓄热材料粘附在通风井壁，蓄存白天的太阳能，晚上则释放相变潜热加热井道中的空气，实现昼夜连续的自然通风，其中，高性能相变蓄热材料是应用的关键。固-固相变材料相变过程中体积变化小，不出现液态，并且容易与其他材料复合，因而在中、低温蓄热中得到了广泛的应用[6-9]。但是其导热系数低导致其蓄/放热速率受到限制[10-12]。通过制备复合材料，如在相变材料中添加微米级或者毫米级的金属填料、碳纤维颗粒、石墨等，可以改善其导热性能。但这些颗粒大多与相变材料之间存在较大的密度差，在复合相变材料的制备过程中容易产生沉降，从而降低其稳定性[13-16]。根据太阳能通风井壁面蓄热单元的技术需求，制备复合相变材料，对其性能进行表征，并应用于太阳能通风井实验装置，评价自然通风效果。

1 蓄热型太阳能通风井

图1是蓄热型太阳能通风井结构，主要由玻璃盖板、相变集热墙和通风井道组成，其中，相变材料的性能是其能否正常工作的关键。对相变材料的性能要求包括较高的相变潜热、较大的热导率，同时性能稳定不分解。

图1 太阳能通风井结构Fig.1 Structure of solar ventilating shaft

以高分子聚乙二醇(PEG)为基底，添加异氰酸酯(MDI)、十八醇(ODO)及1,4丁二醇(BDO)，制备相变材料，为改善其热导率，添加碳纳米管(CNT)，制备复合相变材料。

2 复合相变材料制备及性能

2.1 材料制备

制备过程：1)预处理：ODO、PEG在110 ℃条件下真空干燥，除去残留水份，BDO蒸馏脱水；2)CNT分散：将CNT(多壁，直径10～20 nm，长度10～30 μm)按不同质量分数加入到预处理后的熔融PEG中，如表1所示，以十二苯磺酸钠作为分散剂，添加0.02 g，超声震荡，使CNT均匀分散在熔融PEG中；3)复合相变材料合成：将MDI滴入上述熔融PEG中，N2保护，水浴加热至65 ℃，反应1～2 h，再加入预处理后的BDO和ODO进行扩链反应1.5～3 h，将样品在80 ℃烘箱中干燥固化24 h，得到复合相变材料，其在相变过程中CNT不沉降，稳定性好[17]。

表1 样品CNT含量Table 1 Sample CNT content

2.2 性能表征

热导率测试：采用热常数分析仪(Hot-Disk，TPS1500，瑞典)；相变温度及相变潜热测试：采用差示扫描量热仪(NETZSCH，STA409PC/PG，德国)。热重分析：采用热重分析仪(TGA4000，美国)；红外光谱分析：采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，NEXUS-670，美国PE公司)。

2.2.1 热分析 图2是6个样品的DSC曲线，由图可见，1#～6#样品DSC曲线均出现了一个明显的相变峰，相变峰值温度相近，约在60 ℃左右，其中,3#样品最高为62.8 ℃，6#样品最低为57.2 ℃。1#～6#样品中，融化过程温度最大变化为4%，可见，CNT的添加对相变温度影响较小。

此外，样品的相变潜热随着CNT含量增加而下降，且趋势逐渐趋于平缓。6#样品相变潜热为107 J/g，比1#样品降低了28%。

图2 不同样品的DSC曲线Fig.2 DSC curves of different samples

2.2.2 热导率 表2是各样品的热导率值，从表中可以看出，添加CNT后复合相变材料的热导率有了显著的提高。6#样品热导率为0.65 W/m·K，比1#样品提高了103%。进一步添加时，热导率的增加趋势逐渐减缓，这主要是由于当CNT含量增加时，CNT之间会发生局部团聚。

表2 样品热导率Table 2 Sample thermal conductivity

从上述测试结果可见，6#样品相变温度适宜，添加CNT后相变潜热变化不大，而且热导率明显提高，以下对其进行进一步分析。

2.2.3 热重 图3是6#样品的TG-DTG曲线，从图中可以看出，6#样品的热分解温度为395.4 ℃，终止温度为439.3 ℃，最大热分解速率对应的温度为421.3 ℃，比纯PEG提高了12.8 ℃，比1#样品的最大热分解速率所对应的分解温度提高了7.9 ℃，且在温度395 ℃以下范围内样品的热稳定性能较好，不易挥发分解，TG曲线和DTG曲线变化一致都保持水平直线，说明在升温过程中相变材料没有失重现象，显示制备的复合相变材料热性能很好。

图3 样品的TG曲线和DTG曲线Fig.3 The TG and DTG curve of the sample

图4 样品的红外光谱图Fig.4 Infrared spectrogram of the sample

2.2.4 傅里叶红外变化 图4为1#和6#样品的傅里叶变化红外光谱图。图中1#和6#样品的红外光谱相似，没有发生显著的变化，即表明CNT的添加没有影响相变材料的分子结构，二者发生的仅为物理变化，并没有新的物质生成。

2.2.5 循环稳定性 图5为6#样品经过不同循环次数后的DSC曲线。经过50、100、150、200次循环后，样品的峰型未发生变化，峰位置变化不大。样品的相变峰值温度最大变化值为3.1%，相变潜热的最大变化值为3.4%，显示添加CNT后样品在相变过程中热稳定性较好。

图5 不同循环次数下的DSC曲线Fig.5 DSC curves under different cycles

3 通风井通风效果分析

用制备的6#样品制作相变集热墙，安装在太阳能通风井壁进行实验测试。通风井道的尺寸为300 mm(L)×130 mm(W)×1 300 mm(H)，相变集热墙下部空气入口尺寸为300 mm(L)×130 mm(H)，玻璃盖板为4 mm的普通玻璃。集热墙尺寸为300 mm(L)×50 mm(W)×1 200 mm(H)，集热板外表面涂有吸收率较好的黑色油漆，两侧和背面贴附35 mm保温板，防止热量向室内散失。

井道内温度测试系统由热电偶(T型)和数据采集仪(Agilent 34972A)组成；井道出口风速采用热敏风速仪(testo 425)测试，井道通风量由风速及井道截面积计算。实验装置位于广州，测试日期为2016年8月17—19日，以18日00:00到24:00的数据进行分析。

3.1 壁面温度分析

图6是太阳能通风井壁面温度实测值，从中可知，随着室外大气环境的温度上升，通风井各壁面的温度也随之上升，并在16:00时室外大气、玻璃表面、集热面、相变蓄热材料温度均达到最大值，分别为36.6、49.4、59.7、57.1 ℃。集热面和相变蓄热材料在14:30—19:30时段温度均在50 ℃以上，其中最大值出现在16:00，比太阳辐射强度最大值延迟约1 h。

图6 太阳能通风井壁面温度值Fig.6 Wall temperature of solar ventilation shaft

3.2 通道中垂直方向温度分析

图7为井道中垂直方向上、中、下3个不同高度下的温度实测值，3个测点分别距底面1 200、800、400 mm处。在10:00—21:00时段，井道内空气平均温度比室外大气温度高5～13.7 ℃，最大温差出现在16:30，并且当太阳辐射逐渐减弱甚至消失后的一段时间，相变蓄热材料继续释放热量加热井道中的空气，为自然通风提供了较大的热压差。井道垂直方向上3个测点的温度在整个测试过程中都比集热面的温度低。在21:00之后，由于相变蓄热材料放热量的减少，井道内外温差逐渐减小，并在凌晨4:00—6:00时，达到最低，此时井道内的平均温度与室外温差约为3.0 ℃左右。

图7 井道中垂直方向不同高度温度实测值Fig.7 Measured temperatures of different height in the vertical direction in the shaft

在垂直方向上的温度变化依次为：通道上部>通道中部>通道下部。这说明在通风井工作时，井道中的空气温度主要受集热面的影响，接近集热面的空气被加热后向上运动，在井道垂直方向形成温度差，上部和中部的温度比下部的温度高。在10:00—21:00时段，通道上部与通道下部温差约为1.0～3.0 ℃。

3.3 通风井的通风量

图8是太阳能通风井风量值，在10:00—21:00时段，井道出风口处的风速为0.4～0.74 m/s，风量为55.0～103.9 m3/h，其中在17:00风速和风量达到最大值。21:00之后，风速逐渐降低至0.25～0.35 m/s之间(风量约为35～50 m3/h)，并且通风量的变化趋势与集热面温度的变化趋于一致。当白天太阳辐射增强时，集热面得热量随之增大，吸收的热量增加，用来加热通道内空气的热量增大，通风井道中空气的温度升高，井道内外热压差也逐渐增大，从而在井道中形成了较强的“烟囱效应”。

图8 太阳能通风井自然通风量Fig.8 Natural ventilation volume in a solar ventilation shaft

4 结论

根据太阳能通风井蓄热单元的技术需求，制备了含5%的CNT复合相变蓄热材料，其样品的热导率为0.65 W/m·K，相变潜热为107 J/g，样品经多次循环后相变温度和相变潜热衰减较小，具有较好的循环稳定性；将制备的复合相变蓄热材料应用于太阳能通风井实验系统，在10:00—21:00时段，自然通风量为55.0～103.9 m3/h，具有良好的自然通风效果。

参考文献：

[1] RAKESH K,LEI C W.A scaling investigation of the laminar convective flow in a solar chimney for natural ventilation [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2014,45(2):98-108.

[2] XU J L,LIU W H.Study on solar chimney used for room natural ventilation in Nanjing[J].Energy and Buildings,2013, 66: 467-469.

[3] CORDEAU, SEBASTIEN,BARRINGTON,et al.Heat balance for two commercial broiler barns with solar preheated ventilation air[J].Biosystems Engineering, 2010,107 (3): 232-241.

[4] RAKESH K,LEI C W.Solar chimney-A passive strategy for natural ventilation[J].Energy and Buildings,2011,43(8): 1811-1819.

[5] 苏亚欣，柳仲宝.太阳能烟囱自然通风的一维稳态模型[J].土木建筑与环境工程，2011，33(5)：102-107

SU Y X,LIU Z B.One dimensional steady model for natural ventilation of solar chimney [J].Joural of Civil,Architectural & Environmental Engineering,2011,33(5):102-107.(in Chinese)

[6] LIU Z Y,YAO Y P, WU H Y,et al.Numerical modeling for solid-liquid phase change phenomena in porous media: Shell-and-tube type latent heat thermal energy storage [J].Applied Energy,2013,112: 1222-1232.

[7] HARALD M.Enthalpy and temperature of the phase change solid-liquid - An analysis of data of compounds employing entropy[J].Solar Energy,2013,95:290-299.

[8] WANG W L,YANG X X,FANG Y T,et al.Preparation and performance of form-stable polyethylene glycol/silicon dioxide composites as solid-liquid phase change materials[J].Applied Energy,2009,86(2): 170-174.

[9] BEDECARRATS J P, CASTAING-LASVIGNOTTES J, STRUB F,et al.Study of a phase change energy storage using spherical capsules. Part Ⅰ: Experimental results [J].Energy Conversion & Management,2009,50(10):2486-2494.

[10] LU D F,DI Y Y,TAN Z C,et al.Low-temperature heat capacities, and thermodynamic properties of solid-solid phase change material bis(1-octylammonium) tetrachlorocuprate [J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2013,111(1):213-218.

[11] ZHOU X M.Preparation and characterization of PEG/MDI/PVA copolymer as solid-solid phase change heat storage material [J].Journal of Applied Polymer Science,2009,113(3): 2041-2045.

[12] CAO Q,LIU P S.Hyperbranched polyurethane as novel solid-solid phase change material for thermal energy storage [J].European Polymer Journal,2006,42(11):2931-2939.

[13] CHANG L,DOMINIC G.Experimental study of the phase change heat transfer inside a horizontal cylindrical latent heat energy storage system[J]. International Journal of Thermal Sciences,2014,82:100-110.

[14] MURRAY R E,GROLX D. Experimental study of the phase change and energy characteristics inside a cylindrical latent heat energy storage system: Part 2 simultaneous charging and discharging[J].Renewable Energy,2014,63:724-734.

[15] MING L,MARTIN BELUSKO N H. STEVEN T,et al.Impact of the heat transfer fluid in a flat plate phase change thermal storage unit for concentrated solar tower plants [J].Solar Energy, 2014,101(3):220-231.

[16] KHAMIS M M.Effect of natural convection on conjugate heat transfer characteristics in liquid minichannel during phase change material melting [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2014,228 (3): 491-513.

[17] 王元明.基于太阳能通风装置固-固相变蓄热材料的性能研究[D]. 广州:广州大学， 2016.

WANG Y M. Study on the properties of solid-solid phase change heat storage materials based on solar ventilation system[D]. Guangzhou: Guangzhou University, 2016.(in Chinese)