脂肪酸相变储能板性能及控温效果模拟

李 琳，王 宇，钱雯艳，李东旭

（1宿迁学院建筑工程学院；2江苏省装配式建筑与智能建造工程研究中心，江苏 宿迁 223800；3南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

随着国民经济的飞速发展和生活水平的提高，人们对于居住环境舒适度也提出了更高的要求，用于采暖、通风、制冷等设备的能耗也随之逐年上升，目前，我国建筑能耗已接近能源消耗总量的三分之一[1-4]。为缓解能源大量消耗与使用需求之间的矛盾，近年来国家大力推广新型节能墙体材料，通过增加结构自身热容和蓄热能力来优化建筑的控温效果。储能技术可通过显热储能、潜热储能和化学反应储能3 种方式提高能源利用率而达到节能效果，被视为缓解能源短缺的重要手段之一[5-7]。其中，潜热储能技术以相变材料为功能介质，借助相变过程中吸收或释放环境热量实现控温作用，具有储热密度高、节能效果显著等优势[8-9]。

国内外学者研究成果表明将相变材料应用于建筑领域可以起到减小设备负荷、降低室内温度峰值、提高舒适度的作用，符合目前人们对于节能建筑围护结构的功能需求[10-15]。Kong等[16]采用真空吸附法制备了石蜡/膨胀珍珠岩复合材料，将其与嵌入铜管的板式蓄热器组合连接到太阳能加热系统，可延长太阳能热采暖系统的使用周期，对于提高建筑围护结构的控温效果和缓解温度波动有积极作用。Zhu 等[17]提出一种由相变材料与传统材料结合而成的三层夹心式新型复合墙体系统。该系统外层材料的相变温度适用于夏季，与室内相连的内层相变温度可在冬季工作，中间层是起到隔热作用的砖，研究结果有助于降低冬冷夏热地区建筑围护结构全年的空调设备能耗。Ascione 等[18]将相变材料应用于建筑围护外墙内壁，对5种地中海气候的逐时能耗展开了模拟研究，结果表明相变墙体传热效果受到季节、外墙朝向以及相变材料摆放位置等因素的影响。Sayyar等[19]采用脂肪酸和膨胀石墨制备了纳米PCMs，使用多层墙板设计将该纳米PCMs与石膏墙相结合后不仅缩短了室内温度波动范围，同时延迟了达到峰值温度的时间。Becker[20]对地中海气候下基于相变储能特性的建筑与普通传统建筑展开对比研究，结果显示，基于相变储能特性的建筑节能率高达57%，且夜间强化通风对于释放日间储能至关重要。

本工作制备了CA-MA/EP定形相变材料，并采用白乳胶对其进行包覆从而缓解了固液相变过程中脂肪酸的泄漏。将包覆后的定形相变材料以不同比例掺入石膏制备相变储能板，利用Energy Plus 软件对建筑围护结构的控温效果进行模拟分析，对比相变储能板和传统围护结构的控温效果之间的差异。

1 实 验

1.1 实验材料

本研究采用肉豆蔻酸和癸酸作为相变材料，两者均为化学纯，分别购于阿拉丁试剂(上海)有限公司和国药集团化学试剂有限公司，脂肪酸的热性能参数见表1。膨胀珍珠岩作为载体，白色颗粒状，吸附性强，无毒，购于信阳市厚普矿业材料厂。白乳胶作为包覆材料，购于绿松林黏合剂制品有限公司。建筑石膏购于优索化工科技有限公司。

表1 脂肪酸的热性能参数Table 1 Thermophysical parameters of the fatty acids

1.2 定形相变材料的制备

将膨胀珍珠岩进行12 h以上的烘干处理，待去除孔隙内水分后，将熔融态CA-MA 与膨胀珍珠岩在烧杯中混合后置于65 ℃烘箱加热1 h，为提高脂肪酸与膨胀珍珠岩的吸附程度，每20 min 搅拌一次。为进一步提高定形效果，选取白乳胶对冷却后的CA-MA/EP进行包覆，用玻璃棒搅拌均匀，待白乳胶完全包裹膨胀珍珠岩后将其平铺，在室温下通风晾干24 h，得到包覆处理的CA-MA/EP定形相变材料。

1.3 定形相变材料的渗出情况

为掌握脂肪酸与膨胀珍珠岩的吸附情况，分别称取0.5 g不同配比的CA-MA/膨胀珍珠岩放置于铺设定性滤纸的托盘内，在45 ℃的烘箱中加热30 min，根据滤纸吸附的脂肪酸渗漏油印比较渗出圈，并计算定形相变材料的质量损失率。

1.4 相变储能板的制备

首先将石膏粉和水按照0.6 的水膏比混合，然后加入减水剂后搅拌30 s，分别掺入不同质量的相变材料均匀搅拌后倒入300 mm×300 mm×30 mm的模具中压实并刮平，待浆体硬化后脱模得到成形的相变储能板，其配合比见表2。由于拌合物的和易性随着相变材料掺量的增加而逐渐变差，拌合过程中表2中的3#出现部分颗粒团聚和流动性降低的现象，硬化后的4#试样不易脱模，综合考虑选取2#相变储能板作为研究对象，讨论其储能特性及将其应用于建筑中的控温效果。

表2 相变储能板的配合比Table 2 Mix ratio of phase change energy storage board

1.5 性能测试

差示扫描量热分析：采用美国Perkin Elmer DSC6000 测试相变材料的相变潜热和相变温度，氮气保护，0～100 ℃，升温速率10 ℃/min，铝样品皿加盖；热导率测试：采用北京世纪建通科技股份有限公司生产的JTRG-111 型热导率测定仪对相变石膏板和普通石膏板的热导率进行测定。

2 实验结果与讨论

2.1 定形相变材料的液相渗漏分析

常压下采用熔融吸附法制备CA-MA/EP定形相变材料，由于脂肪酸和载体之间是依靠物理吸附作用工作，因此在固-液相变过程中会产生液态渗漏现象并影响相变材料的长期储能稳定性。为了缓解这一问题，本工作采用白乳胶对定形相变材料再次进行包覆，白乳胶具有常温固化速度快、粘结力强、干燥快、防水性能好等优点，能够有效提高定形相变材料的使用性能。

对CA-MA/EP定形相变材料进行渗出试验，通过渗出圈分析方法直观掌握载体对于脂肪酸的吸附情况，并通过称量渗出试验前后的样品质量m1和m2，根据式(1)计算质量损失率[21-22]。

当脂肪酸和载体之比为5∶5 时，质量损失率由包覆处理前的8%降至4%；当脂肪酸和载体之比为6∶4，质量损失率由包覆处理前的16%降至10%；当脂肪酸和载体之比为7∶3 时，质量损失率由包覆处理前的24%降至16%，结果见表3。采用渗出圈法观察渗漏情况，当脂肪酸和载体之比为5∶5 时，滤纸上脂肪酸渗出油迹明显较6∶4 时的小，如图1所示，为确保脂肪酸与载体共同稳定工作，选取5∶5 比例进行白乳胶包覆并制备相变石膏板。

表3 CA-MA/EP定形相变材料的渗出稳定性Table 3 The leakage stability of CA-MA/EP shaped phase change materials

图1 不同脂肪酸吸附量的定形相变材料渗出情况Fig. 1 The leakage comparison of shaped PCMs with different fatty acid content

2.2 相变储能板的热导率分析

本工作采用稳态法测试各相变储能板的热导率，稳态测试法需待脂肪酸完全吸热融化后并处于稳定状态，能反映相变储能板充分工作后的热导率。不同掺量相变材料(10%、20%、25%、30%)的相变储能板的热导率结果见表4。根据测试结果，各相变储能板的热导率均较普通石膏板的热导率要低，这是因为内含大量蜂窝状孔隙的膨胀珍珠岩的热导率约为0.05 W/(m·K)[23]，脂肪酸自身的热导率通常为0.15 W/(m·K)[24]，两者复合后所得到的定形相变材料掺入后会降低普通石膏板的热导率。白乳胶热导率约0.08 W/(m·K)[25]，对定形相变材料包覆后可降低其热导率，因此相变储能板的热导率随着相变定形材料掺量的增加而逐渐降低，当相变定形掺量为30%时，热导率较普通石膏板的降低17.41%。

表4 相变储能板热导率Table 4 Thermal conductivity of phase change energy storage board

2.3 相变储能板的热物性分析

采用DSC 测试了定形相变材料及相变储能板的相变潜热和相变温度，如图2 和图3 所示。根据图2可知，经过白乳胶包覆后CA-MA/EP定形相变材料的相变潜热和相变温度分别为58.07 J/g和20.86 ℃，较CA-MA 相变温度21.67 ℃降低了0.09 ℃，变化幅度较小，说明经过定形和包覆后对脂肪酸的相变温度影响不显著；而相变潜热与CA-MA相变潜热156.71 J/g相比减少了98.03 J/g，潜热降低幅度较大的主要原因是膨胀珍珠岩和白乳胶在DSC 测试温度范围内几乎无潜热，导致定形相变材料的单位储能密度降低，然而膨胀珍珠岩作为载体对于脂肪酸的吸附作用和白乳胶对于定形相变材料的二次包覆有助于缓解固液相变材料的液态渗漏，可以进一步有效保证相变材料长期的储能稳定性。表4中的2#相变储能板的相变温度和潜热分别为20.62 ℃和29.10 J/g，如图3所示。定形相变材料与传统建筑材料结合后可以得到具有储能功能的相变储能板，其保持CA-MA 相变芯材自身的相变温度，相变潜热测试结果较高的原因可能是因为待测试样搅拌过程中产生相变材料聚集导致其含量较多。

图2 CA-MA/EP的DSC曲线Fig. 2 DSC curve of CA-MA/EP

图3 相变储能板的DSC曲线Fig. 3 DSC curve of phase change energy storage board

复合相变材料的定压比热容为[26]：

式中，cp为定压比热容，J/(kg·K)；H为热量，J；T为温度，℃；m为复合相变材料的质量，kg。

根据式(2)计算得出，表4中的2#相变石膏板的比热容为1411.43 J/(kg·K)。根据文献[27-28]，脂肪酸的比热容约为1600 J/(kg·K)，混凝土材料的比热容约为920 J/(kg·K)，普通石膏板的比热容约为1050 J/(kg·K)。比热容越大，单位质量的物质能够吸收或释放的能力越强，因为相变材料的掺入导致相变石膏板的比热容明显较其他材料比热容高，说明当环境温度达到相变温度区间时，相变石膏板能够吸收和释放的热量更多，具有更为优异的控温能力，从而可以有效调节室内温度。

3 建筑控温效果模拟

3.1 Energy Plus软件

Energy Plus 是一款能够计算建筑冷热负荷和逐时能耗的模拟软件。该软件可基于Sketch Up建立三维模型，使用过程中通过鼠标即可完成坐标的精确定位，操作简单方便。软件利用Open Studio作为插件，将模型转化为IDF 文件，并在Energy Plus软件中编辑材料、参数等，完成模拟分析。

3.2 操作步骤

本工作采用Energy Plus 软件模拟分析江苏徐州地区夏季气候条件下，基于储能材料的建筑围护结构与传统围护结构的控温效果，其操作步骤主要如下。

（1）打开Sketch Up 软件，点击插件“OS”，新建一个建筑空间。

（2）建立矩形房间，点击New Zone Tool，设置房间及窗户尺寸。

（3）将模型保存为.idf 格式，打开EP-launch软件并输入已存文档，添加Sizing Period:Design Day对象，选择徐州地区的气象资料行运算。

（4）添加输出报告Output:Table:Summary Reports，添加输出报告表格查看方式Out put control:Table:Style，退出IDF 编辑器。点击“simulate”等待模拟结束，点击Tables 按钮，查看计算结果。

3.3 模型建立及参数设置

建立一幢建筑面积为1422 m2，总高为18 m的6 层办公楼模型。办公楼层高为3.3 m，窗墙比为0.15，墙体厚度为0.3 m，内墙厚度为0.24 m，窗尺寸为1200 mm×1500 mm，将空间模型划分42个区间，三维办公楼模型如图4所示。

图4 三维办公楼建筑模型Fig. 4 Three-dimensional office building model

通过Open Studio 设置建筑围护结构参数，见表5。

表5 建筑围护结构组成Table 5 Composition of building envelope

3.4 控温效果模拟

根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》将我国从北向南划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区等5个气候分区[29]。其中，江苏的南部和北部分别属于夏热冬冷地区和寒冷地区，但地域差异并非特别突出，江苏北部地区的夏季气温同样很高，因此对于制冷设备也有较大的需求。

以苏北地区徐州市为例，从Energy Plus 数据库获取夏季天气数据，对比分析基于传统石膏板和相变石膏板的建筑围护结构在江苏省寒冷地区典型城市气候条件下的控温效果。由图5(a)可知，在江苏徐州夏季最高温月份(7～8月)，室外最高日均温度为35.68 ℃，普通石膏板建筑的室内最高日均温度为34.63 ℃，相变石膏板建筑的室内最高日均温度为32.91 ℃；室外最低日均温度为27.05 ℃，使用普通石膏板的建筑室内最低日均温度为25.22 ℃，相变石膏板建筑的室内最低日均温度为23.33 ℃。与普通石膏板建筑室内日均温度相比，相变石膏板建筑的室内最高日均温度和最低日均温度分别低了1.72 ℃和1.89 ℃。相变石膏板建筑的室内日均温度均低于普通石膏板建筑室内日均温度，与使用普通石膏板建筑的室内最大日均温度差达3.59 ℃，证实了相变石膏板的调温作用。由图5(b)可知，7 月15日室外最低实时温度为27.65 ℃，最高实时温度32.99 ℃情况下，普通石膏板墙体建筑的室内最低实时温度为26.01 ℃，最高实时温度为30.66 ℃。与此相比，使用相变石膏板的建筑室内最低实时温度为25.34 ℃，最高实时温度为28.79 ℃，比普通石膏板建筑分别低0.67 ℃、1.87 ℃。当日室外平均气温为29.87 ℃，普通石膏板建筑室内平均气温为28.60 ℃，相变石膏板建筑为27.00 ℃，比室外平均温度低2.87 ℃，比普通石膏板建筑低1.60 ℃。证明相变石膏板能够有效吸收热能，起到良好的控温作用，并且相变石膏板建筑室内温度变化平缓，整体温度波动小，舒适性更强。

图5 徐州市夏季温控效果模拟Fig. 5 Simulation of summer temperature control in Xuzhou

4 结 论

（1）基于熔融吸附法制备了CA-MA/EP定形相变材料，并利用白乳胶进一步包敷定形相变材料。采用渗出稳定性评价证实了该定形相变材料经过热处理后的质量损失率由8%降至4%，可以有效缓解液态相变材料渗漏。

（2）制备了不同定形相变材料掺量的储能石膏板，当定形相变材料的掺量为20%时，相变储能板的相变温度和潜热分别为20.62 ℃和29.10 J/g，热导率为0.33 W/(m·K)，且储能石膏板的热导率随着定形相变材料掺量的增加而逐渐降低。储能石膏板依托脂肪酸的潜热蓄热能力，其比热容提高为1411.43 J/(kg·K)，较普通建筑围护结构材料表现出更优越的保温隔热效果。

（3）建立建筑三维模型，以徐州夏季气候条件为例，利用Energy Plus 软件模拟基于传统围护结构和相变围护结构的建筑室内温度变化，证实了相变储能围护结构能够缓解室内环境温度波动，具有一定控温作用。