相變儲(chǔ)能石膏板導(dǎo)熱系數(shù)2種測(cè)試方法的研究

李 悅，鮑振洲，秦憲明，謝靜超

（1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.廈門(mén)市宏業(yè)工程建設(shè)技術(shù)有限公司，福建 廈門(mén) 361012）

將復(fù)合相變材料（phase change material，PCM）摻入到石膏基體中制成的相變儲(chǔ)能石膏板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以在溫度較高時(shí)吸收熱量，在溫度較低時(shí)釋放熱量，從而有效地減少室外溫度波動(dòng)對(duì)于室內(nèi)溫度的影響，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性，減少空調(diào)等溫度調(diào)節(jié)工具的使用，起到節(jié)能的作用［1－3］.導(dǎo)熱系數(shù)是平衡蓄放熱時(shí)間的重要因素，根據(jù)不同地區(qū)的日照和氣候等條件選擇相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)是相變儲(chǔ)能石膏板應(yīng)用的前提.對(duì)于相變儲(chǔ)能材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試至今還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的方法.大部分的研究者采用非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法對(duì)相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法單一，且無(wú)法確定其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性.Ahmet等［4］用熱線法（hot－wire method）測(cè)試了分別摻加膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，4%，7%和10%的二十二烷石蠟復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著膨脹石墨摻量的提高而增大，其值的變化幅度較大.Wang等［5］利用Hotdisk測(cè)試儀測(cè)試了摻膨脹石墨的聚乙烯醇復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù).在固體狀態(tài)時(shí)，隨著膨脹石墨摻量的提高，2種混合物的導(dǎo)熱系數(shù)增加明顯，當(dāng)膨脹石墨摻量為10%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)增大幅度為344%.楊碩等［6］利用Hotdisk測(cè)試儀分別測(cè)試了納米鋁粉／石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)能材料在固態(tài)和液態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)試樣處于不同物相時(shí)，相同含量的納米鋁粉對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)提高的程度不同.Lin等［7］采用調(diào)制差示掃描量熱方法（MDSC）測(cè)量了18種典型有機(jī)物的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試結(jié)果與期望值相符.Pablo等［8］用激光法（laser flash methodology）測(cè)試了相變材料分別處于固態(tài)和液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，用于全尺寸房屋的PCM－空氣熱交換模型的建立.

在已有測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，一些研究者采用穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法對(duì)相變儲(chǔ)能構(gòu)件的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試.肖偉等［9］基于穩(wěn)態(tài)測(cè)試原理對(duì)輕質(zhì)建筑中相變儲(chǔ)能石膏板的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究，從相變溫度、相變材料含量和相變石膏板厚度3個(gè)方面對(duì)相變儲(chǔ)能石膏板的使用進(jìn)行了優(yōu)化.然而，這些導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法均有一定的局限性，所取得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和代表性值得商榷.本文通過(guò)穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法（防護(hù)熱板法）和非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法分別測(cè)試了相同試件的導(dǎo)熱系數(shù)（λ，W／（m·K）），并通過(guò)比較分析得出了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果不同的原因.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及試件的制作

PCM 采用石蠟復(fù)合相變材料，相變溫度為17～23℃，相變潛熱為109.9J／g；石膏為廈門(mén)產(chǎn)特級(jí)半水熟石膏，CaSO4·（H2O）0.5含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為64.9%，初凝時(shí)間為9min，終凝時(shí)間為16 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量（質(zhì)量比）為0.49；鋼纖維采用鍍銅鋼纖維，直徑為0.08～0.13mm，長(zhǎng)度為10mm，摻量為試模體積的1%；減水劑為聚羧酸液態(tài)減水劑，固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為33%，減水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為31%，摻量為石膏質(zhì)量的1%.試件的配合比如表1所示.

表1 試件配合比與尺寸Table 1 Mix proportion and size

將PCM 顆粒和石膏粉末分別按質(zhì)量比0∶1，1∶5，1∶3，1∶2混合均勻，然后撒入鋼纖維攪拌均勻，將稱(chēng)量好的水和減水劑（摻量為石膏質(zhì)量的1%）加入固體混合物中，快速攪拌均勻后注入試模成型，在室內(nèi)環(huán)境條件（24℃，相對(duì)濕度60%）下養(yǎng)護(hù)24h拆模，然后移至烘箱內(nèi)在70℃下烘干3d.試件烘干后密封，恒溫至12，16，20，24，28℃?zhèn)溆?

1.2 試驗(yàn)方法

穩(wěn)態(tài)測(cè)試：依據(jù)GB10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定—防護(hù)熱板法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器采用沈陽(yáng)紫微機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CDDR3030型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀.各初始溫度及對(duì)應(yīng)的冷、熱板溫度如表2所示.

非穩(wěn)態(tài)測(cè)試：采用湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)的DRM－Ⅱ?qū)嵯禂?shù)測(cè)試儀.測(cè)試結(jié)束后，將試件切成尺寸為200mm×200mm×20mm 的方塊，作為非穩(wěn)態(tài)測(cè)試用試件.待測(cè)試件和防護(hù)試件在70℃下烘干密封，分別恒溫至10.5，14.5，18.5，22.5，26.5℃.試件放置及測(cè)試原理如圖1所示.

表2 試件溫度及測(cè)試板溫度Table 2 Temperature of test－plasterboard and protection－plasterboard

圖1 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試原理Fig.1 Test theory of unsteady testing method

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果與分析

圖2為導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果.由圖2可見(jiàn)，當(dāng)初始溫度相同時(shí)，隨著PCM 摻量的增加，試件的導(dǎo)熱系數(shù)呈降低趨勢(shì).這是因?yàn)橄鄬?duì)于石膏的導(dǎo)熱系數(shù)，PCM 的導(dǎo)熱系數(shù)較小.本文將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到了導(dǎo)熱系數(shù)λ 與PCM 摻量w 的關(guān)系式（1）.由式（1）可以看出，試件的導(dǎo)熱系數(shù)變化與PCM 摻量具有一定的相關(guān)性，PCM 摻量增加，λ降低.

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果Fig.2 Thermal conductivity of steady testing method

由圖2還可以看出：初始溫度在相變區(qū)間時(shí)，試件的導(dǎo)熱系數(shù)最大，這是由于PCM 處于相變過(guò)程，除了熱傳導(dǎo)以外，在固液界面還有熱對(duì)流現(xiàn)象，故導(dǎo)熱系數(shù)較大［10］；當(dāng)初始溫度小于相變溫度時(shí)，試件的導(dǎo)熱系數(shù)最小，這是由于PCM 處于固體狀態(tài)，測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)為PCM 固態(tài)時(shí)試件的導(dǎo)熱系數(shù)，因此導(dǎo)熱系數(shù)較?。划?dāng)初始溫度大于相變溫度時(shí)，試件的導(dǎo)熱系數(shù)比初始溫度在相變溫度區(qū)間時(shí)小，比初始溫度小于相變溫度時(shí)大，這是因?yàn)镻CM 多成熔融狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)為PCM 熔融狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越激烈，因此導(dǎo)熱系數(shù)較大.

2.2 非穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果與分析

圖3為導(dǎo)熱系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果.由圖3可見(jiàn)，采用非穩(wěn)態(tài)方法測(cè)試相同配合比試件得到的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律與穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法得到的結(jié)果一致：在初始溫度相同時(shí)，隨著PCM 摻量的增加，試件的導(dǎo)熱系數(shù)呈降低趨勢(shì).由非穩(wěn)態(tài)平面熱源法測(cè)量原理［11］可知，非穩(wěn)態(tài)測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)λ可用下式計(jì)算：

式中：a為待測(cè)試件的熱擴(kuò)散率；Q 為加熱功率；t為停止加熱后降溫時(shí)間；ΔT 為試件冷卻后溫度與初始溫度的溫差；A 為常數(shù)項(xiàng).

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果Fig.3 Thermal conductivity of unsteady testing method

由于ΔT 與PCM 摻量成正比，因此隨著PCM摻量的增加，試件的導(dǎo)熱系數(shù)減小.此外，由圖3還可以看出：當(dāng)試件的初始溫度在相變溫度區(qū)間時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)最大，初始溫度在相變溫度區(qū)間以外時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)變小.試件的比定壓熱容cp與導(dǎo)熱系數(shù)λ之間的關(guān)系［12］為：

式中：ρ為密度.

當(dāng)試件初始溫度處于相變溫度區(qū)間時(shí)，PCM 的相變潛熱最大，此時(shí)cp最大，因此其λ變大.

2.3 2種測(cè)試方法的比較

圖4為不同PCM 摻量試件的導(dǎo)熱系數(shù)比較.由圖4可見(jiàn)，2種測(cè)試方法均能反映石膏基相變儲(chǔ)能試件導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)，即測(cè)試溫度處于相變材料的相變溫度區(qū)間時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最大，測(cè)試溫度小于或大于相變材料的相變溫度時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)變小.2 種測(cè)試方法得到的導(dǎo)熱系數(shù)不同，非穩(wěn)態(tài)的測(cè)試結(jié)果大于穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果，這是因?yàn)樵跍y(cè)試過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法要求試件處于穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)，由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，試件中的PCM已經(jīng)全部參與吸放熱過(guò)程，測(cè)試結(jié)果反映的是試件在固定溫度時(shí)的穩(wěn)定導(dǎo)熱系數(shù)，而非穩(wěn)態(tài)測(cè)試則是反映試件瞬時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，即試件在加熱和停止加熱這一時(shí)間區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)，由于時(shí)間較短，PCM 不能充分吸放熱，導(dǎo)致待測(cè)試件在該時(shí)間區(qū)間對(duì)溫度的反映具有一定的滯后性，因此相對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)，其值較大.

圖4 不同PCM 摻量的試件導(dǎo)熱系數(shù)比較Fig.4 Thermal conductivity comparison with different PCM contents

3 結(jié)論

（1）在0%～33%的范圍內(nèi)，隨著相變材料摻量的增加，石膏基相變儲(chǔ)能試件的導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì).

（2）當(dāng)石膏基相變儲(chǔ)能試件初始溫度處于不同的溫度區(qū)間時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，且初始溫度在相變溫度區(qū)間的導(dǎo)熱系數(shù)最大.

（3）穩(wěn)態(tài)測(cè)試得到的石膏基相變儲(chǔ)能試件導(dǎo)熱系數(shù)與非穩(wěn)態(tài)測(cè)試得到的不同，后者測(cè)試得到的導(dǎo)熱系數(shù)較大，但穩(wěn)態(tài)測(cè)試更能反映試件的真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù).

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