相变封装盒的实用效果研究

张爱莲, 张林春, 柳俊哲, 高小建, 汪 晖

(1.四川建筑职业技术学院 土木工程系, 四川 德阳 618000; 2.宁波大学 土木与环境工程学院, 浙江 宁波 315000; 3.哈尔滨工业大学 土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090)

中国是能源消耗大国,近年来,能源消耗随经济的发展处于上涨状态[1-2].据统计,建筑领域的能源消耗占所有能源消耗的30%以上,是继工业、交通之后的第3大社会能耗主体.长久以来,北方地区冬季气温长期低于0℃,在采暖方面大量能源被消耗掉[3],甚至某些地区为保证房屋舒适度所消耗的能量占建筑总消耗能量的62%以上[4].通常北方农村地区采用燃烧农作物秸秆或者煤炭来给火炕、火墙进行加热,但该方法所供能量的利用率低且污染严重.“十三五”后,中国进入了能源转型的新阶段,提高能量的利用效率成为亟待解决的问题.据统计,煤等化石燃料将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭[5-8],同时化石燃料的燃烧给环境带来了沉重的负担,造成酸雨、雾霾、温室效应等一系列问题.相变材料是一种利用潜热来储能的材料.相变材料在加热时能吸收能量将能量储存,并在停止加热后将储存能量释放,从而达到温度调节的目的.相变材料在建筑中最早的使用,是将其用在墙体中储存太阳能[9],后来又有研究人员将相变材料加入到地板和围护结构中提高房屋的舒适度[10-11].还有学者采用相变材料与导电材料制成发热储能一体化混凝土,将其应用于寒冷地区混凝土的养护中能保证混凝土的强度持续稳定地增长[12-16].

Kahwaji等[17-23]总结了癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、十八醇以及水合盐等无机材料的热物理性能、热稳定性及化学相容性.邱天[24]利用硬脂酸作为相变材料,采用不锈钢进行封装,不但密闭作用良好,而且提高了传热性能.姜益强等[25]利用CaC12·6H2O作为相变储能材料,制成了一种热泵系统.并将该系统在哈尔滨地区进行了实体安装.Kondo等[26]将95%的十八烷和5%的十六烷制成微胶囊,再将微胶囊放入石膏板中制成墙板.当前有关相变材料封装方法的研究发现：常用的封装方式价格昂贵、制作工艺复杂;此外,目前广泛使用的微胶囊和容器封装法,仍存在体积变化大、易泄露的缺点.

本文采用铁盒对相变材料进行封装,制成相变封装盒,将其应用于哈尔滨地区平房的火墙内,采用正常使用情况下的间歇性供热方式对火墙进行加热,利用TRM-WD120温度测试系统和Testo875-2i红外热像仪对室内温度进行全程监控,研究了相变封装盒的数量、封装盒中铜网的数量以及加热时间等因素对其储热调温效果的影响.此次试验中哈尔滨白天的温度为2～8℃,夜晚温度为-10～-4℃.

1 原材料与试验方案

根据硬脂酸相变潜热大(258.98J/g)且相变体积变化适宜的特点,本文选用天津市博迪化工有限公司生产的硬脂酸作为相变材料,其密度为0.9408kg/m3,熔点为70～71℃,具体掺量以及其他技术指标参考文献[27-29].采用500mm×250mm×35mm的中间开槽铁盒作为封装盒,封装盒外表面安装翅片,翅片表面使用高温胶粘贴岩棉进行封装[26].为提高相变封装盒的导热性能,在盒内置入500mm×250mm×10mm的铜网.

本试验在1个1500mm×1300mm×900mm的自采暖密闭建筑模型房屋内进行.室内温度测点的布置如图1所示,温度采用T型热电偶测量.通过TRM-WD120温度测试系统与热电偶得出室内温度随时间的变化;通过Testo875-2i红外热像仪测试墙体温度分布.室内温度测点分布如下：火墙所在墙面(near end)测点为3、6、9、14、18、23、26;火墙对面墙面(far end)测点为1、4、7、10、21、24;房屋中间空腔内(middle end)测点为2、5、8、11、12、13、15、16、17、18;房间上层(upper layer)测点为1、2、3、10、11、12、13、14、21、22、23;房间中层(middle layer)测点为4、5、6、15、16、17、18、24、25、26;房间下层(lower layer)测点为7、8、9、19、20;房间外测点为：00.不同位置的温度测试结果取各测点的平均值.

图1 室内温度测点布置图Fig.1 Layout of indoor temperature measuring points

本试验共制作4种保温封装盒.将封装盒加热至80～100℃,内部置入铜网的数量分别为1、1、2、2,然后倒入硬脂酸,灌入量为封装盒体积,对应相变封装盒的编号为①、②、③、④.

利用工具在火墙上凿开洞口,将相变封装盒嵌入,表面涂抹石膏将墙面填平.对火墙加热2.5h,利用TRM-WD120温度测试系统对室内温度进行实时监测.停止加热后,每隔1.0h利用Testo875-2i红外热像仪拍摄火墙表面温度分布,共计3.0h.试验共分5种工况：(1)火墙中未嵌相变封装盒(空白试验);(2)嵌入①号相变封装盒;(3)嵌入①+②号相变封装盒;(4)嵌入③号相变封装盒;(5)嵌入③+④号相变封装盒(此工况下加热时间分别取2.5、3.0h).

2 结果与分析

图2、3分别为火墙中未嵌相变封装盒与嵌入①号相变封装盒时,室内不同位置的温度时程曲线.比较图2、3发现：火墙中嵌入相变封装盒后,加热时能够降低墙体温度上升时的峰值,达到“削峰”的作用;当加热至2.5h停止供暖后,火墙中嵌入的相变封装盒能够延缓室内温度的过快降低,此时室内温度在15～22℃之间出现了平台.这是由于火墙中嵌入的相变封装盒内的相变材料在加热时能吸收热量,减缓了室内温度的上升速率,防止室内温度过高;当停止加热后,相变封装盒内的相变材料释放出加热时的相变储热,使室内温度的下降速率减缓,达到了对室内温度的“填谷”效果；室内温度分布随空间位置与火墙距离的增加呈现下降的趋势.图4、5为火墙停止加热2.0h后,未嵌相变封装盒和嵌入①号相变封装盒时火墙表面温度分布.比较图4、5发现,嵌入相变封装盒的火墙停止加热后,相变材料释放热量使火墙的温度继续上升.这进一步证实相变封装盒有储热的作用,并且在热源停止后兼具放热供暖的功能.综上得知，相变封装盒可以起到对室内温度削峰填谷的效果.

图2 火墙中未嵌相变封装盒时的温度时程曲线Fig.2 Temperature-time curves without phase transition encapsulation box in bag wall

图3 火墙中嵌入①号相变封装盒时的温度时程曲线Fig.3 Temperature-time curves with phase transition encapsulation box ① in bag wall

图4 未嵌相变封装盒时火墙表面温度分布Fig.4 Temperature distribution of bag wall without phase transition encapsulation box

图5 火墙上嵌入①号相变封装盒时火墙表面温度分布Fig.5 Temperature distribution of bag wall with phase transition encapsulation box ①

图6为火墙中嵌入③号相变封装盒时室内温度时程曲线.比较图6与图3发现,当相变封装盒内铜网数量为1时,室内温度达到20℃需128min,当铜网数量为2时,室内温度达到20℃需106min,这是由于铜网的导热能力强,在火墙加热的过程中,随着铜网数量的增加,能传递的热量增多,相变封装盒外界环境的传热速率加快,因此缩短了室内达到相同温度的时间,从而提高了相变封装盒的整体导热能力.图7为火墙停止加热3.0h后,嵌入③号相变封装盒时火墙表面温度分布.比较图3与图6,图5与图7发现,火墙中嵌入含2张铜网的相变封装盒时,20℃以上温度平台的持续时间明显缩短了,这是由于加热时间不变,室内供暖的总热量没有发生变化,然而铜网具有良好的传热作用,随着铜网数量的增加,相变封装盒的导热能力提高[24-25],因此停止加热时,相变封装盒内部热量的散失增加,20℃ 以上温度平台的持续时间明显缩短.

图6 火墙中嵌入③号相变封装盒时的温度时程曲线Fig.6 Temperature-time curves with phase transition encapsulation box ③ in bag wall

图7 火墙中嵌入③号相变封装盒时火墙表面温度分布Fig.7 Temperaturedistribution of bag wall with phase transition encapsulation box ③

图8为嵌有①+②号相变封装盒时的室内温度时程曲线.比较图8与图6发现,火墙中嵌入2个相变封装盒后,加热时温度升高的速率减慢.停止加热后,温度下降的速率减缓.由此得知,增加火墙中嵌入的相变封装盒数量,则相变材料含量增加,加热时储存的热量增多,因此室内温度上升的速率减慢;而停止加热后,相变封装盒释放的热量增加延缓了室内温度下降的速率.此外增加相变封装盒的数量能够延长20℃以上温度平台的持续时间.

图8 火墙中嵌入①+②号相变封装盒时的温度时程曲线Fig.8 Temperature-time curves with ①+② phase transition encapsulation boxes

图9为火墙中嵌入③+④号相变封装盒,加热时间为3.0h时的室内温度时程曲线.比较图9与图8发现：随着加热时间的延长,热源给火墙提供的总热量增加,加热时温度上升的幅度增加;停止加热后由于相变封装盒吸收的总热量增加,其释放的热量也增多,因此室内20℃以上温度平台的持续时间延长,达到提高了供暖效果的目的.

图9 火墙中嵌入③+④号相变封装盒时的温度时程曲线 (加热3.0h)Fig.9 Temperature-time curves with ③+④ phase transition encapsulation boxes with heating time of 3.0h

在火墙中嵌入③+④号相变封装盒后,分别加热2.5、3.0h,停止加热2.0h后的火墙表面温度分布见图10、11.

图10 火墙中嵌入③+④号相变封装盒时的表面温度分布 (加热2.5h)Fig.10 Temperature distribution of bag wall with ③+④ phase transition encapsulation boxes for heating time of 2.5h

图11 火墙中嵌入③+④号相变封装盒时的表面温度分布 (加热3.0h)Fig.11 Temperature distribution of bag wall with ③+④ phase transition encapsulation boxes for heating time of 3.0h

比较图10、11发现：火墙停止加热后,两者最高温度大致相同(图10中最高温度为252.5℃,图11中最高温度为258.2℃),但图11的黄色与红色部分面积要明显大于图10；图10中火墙温度的变化范围为16.8℃～252.5℃,图11中的温度范围为21.7℃～258.2℃.由此可见,加热时间可以提高火墙温度,从而提高室内的总体供暖效果.

3 结论

(1)相变封装盒能够延缓供暖过程中室内温度的上升和供暖停止后室内温度的下降,从而实现对室内温度的削峰填谷,可使室内温度均匀分布,改善居住环境的舒适度.

(2)相变封装盒内铜网数量的增加能够提高相变封装盒的导热能力,加热时铜网数量的增加提高了室内温度的上升速率,降低了停止加热后20℃以上温度平台的持续时间.

(3)增加相变封装盒的数量,可以延缓加热时室内温度上升的速率和停止加热后室内温度下降的速率,并且20℃以上温度平台的持续时间得以提高.延长加热时间可以提高室内温度上升的幅度,增加了20℃以上温度平台的持续时间.