基于復(fù)合相變材料的室內(nèi)自調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李勝，劉立磊，王宇彤，張晗，杜博士，馬新偉

[哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209]

1 研制背景及意義

建筑能耗已占我國(guó)整體能源消耗的30%以上，且以每年1%的速度增長(zhǎng)，因此，尋找新型建筑節(jié)能的方法對(duì)我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?？照{(diào)、供暖等是建筑耗能的主要形式?；诖颂岢?，利用“儲(chǔ)能”原理，在溫度波動(dòng)的明顯時(shí)期（如換季或晝夜溫差較大時(shí)等情況），通過實(shí)現(xiàn)建筑物溫度的自調(diào)節(jié)來減少能源消耗。

在儲(chǔ)能技術(shù)中，利用相變材料的固-液相變潛熱來儲(chǔ)存和釋放熱能已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[1]。近些年來也開始應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，多作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件原料如相變砂漿、相變混凝土等，但其切入點(diǎn)僅可針對(duì)擬建的新建筑，且對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度有較大影響。另有相變涂料、相變保溫板等，制作工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，效果并不顯著。

目前，所用裝飾材料往往以飾面美化為主要目的，雖具有隔熱、防火等功能，但不具備主動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的功能。本項(xiàng)目將相變調(diào)溫材料與室內(nèi)空心裝飾材料（空心吊頂板、環(huán)保集成內(nèi)隔墻板、踢腳板等）結(jié)合起來，形成一套自調(diào)溫系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)溫度的高效“主動(dòng)控制”。

在室外熱量向室內(nèi)傳遞的過程中，相變材料遇熱熔融并吸收熱量，減緩室溫上升速度的同時(shí)儲(chǔ)存能量，當(dāng)室溫下降時(shí)，熔融的相變材料凝固，同時(shí)向室內(nèi)釋放熱量，緩解室內(nèi)溫度劇烈變化，使室內(nèi)溫度保持在23～28℃附近。此系統(tǒng)在短期溫度突變，晝夜溫度變化，季節(jié)交替等情況下效果更為顯著。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）自調(diào)控溫：隨室內(nèi)溫度變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的主動(dòng)控制；

（2）效果明顯：分布面積廣，接觸面積大，熱交換性能好；

（3）適用面廣：可采用現(xiàn)有的多種裝飾材料并直接應(yīng)用于現(xiàn)有及擬建的各類建筑；

（4）相容性好：復(fù)合相變材料不易泄露，對(duì)裝飾材料基體無腐蝕性；

（5）耐久性好：抗老化性較其他相變材料強(qiáng)，不易變質(zhì)；

（6）節(jié)能環(huán)保：生產(chǎn)、施工及使用過程中無有害物產(chǎn)生，材料可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；

（7）經(jīng)濟(jì)性好：原料成本低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可工業(yè)化生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)大范圍推廣。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 相變?cè)?/h3>

處于相變過程中的相變材料會(huì)在一個(gè)比較狹窄的溫度范圍放出（降溫過程）或吸收（升溫過程）較多的熱量。該現(xiàn)象從表觀上看等效于材料比熱容在相變過程中突然增大,而在相變過程完成又恢復(fù)原來狀態(tài)。因此，可以采用等效比熱容的概念描述相變材料的相變過程。在發(fā)生相變之前和之后，相變等效比熱容ceff為0，在相變過程中，相變等效比熱容ceff為ch，即

式中：Ts——相變開始時(shí)溫度，℃；

Te——相變結(jié)束時(shí)溫度，℃；

ch=hm/（Te-Ts）；

hm——相變焓，J/g。

此溫度模型表示，當(dāng)相變材料溫度在Ts～Te的范圍內(nèi)時(shí)等效比熱容變得很大，相變材料可以有效地阻礙室內(nèi)溫度的變化，也就是說相變材料可以起到盡量讓室內(nèi)溫度停留在Ts～Te的范圍的作用。作用的大小可以用模型中相變焓hm來衡量，亦即相變潛熱。因此，制備具有合適的Ts～Te（相變溫度范圍）以及盡量高的hm（相變潛熱）的相變材料是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 相變材料設(shè)計(jì)

2.2.1 相變材料的選擇

液體石蠟：天津方正化工公司；48#固體石蠟：茂名市寶潤(rùn)化工公司；氯化石蠟：滄州興達(dá)化工公司；十二醇：淮安和元化工公司；石墨纖維；室內(nèi)空心裝飾材料：塑料類空心吊頂板、塑料空心隔墻板、薄壁方鋼管等。

通過查閱資料及初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目前常用的相變材料有十水硫酸鈉、六水氯化鈣、多元醇、脂肪酸和石蠟等[2]。無機(jī)相變材料潛熱大，但存在過冷和過熱現(xiàn)象，易析出，對(duì)建筑材料有腐蝕作用。脂肪酸穩(wěn)定性強(qiáng)，但其變化規(guī)律性差，不利于控制。相較之下，石蠟因無毒，無刺激性氣味，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，儲(chǔ)熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，更適合應(yīng)用于本自調(diào)溫系統(tǒng)[3-4]。

不同種類石蠟具有不同熔點(diǎn)[2]，正十七烷（22℃）、正十八烷（27℃）相變溫度合適，但價(jià)格昂貴，不利于推廣。采用固體石蠟與液體石蠟及十二醇混合的方法制得相變材料，價(jià)格低廉，且相變溫度、相變潛熱能夠充分滿足需求。

從經(jīng)濟(jì)角度選取48#固體石蠟與液體石蠟，并按不同配比混合[1]，通過步冷曲線實(shí)驗(yàn)得到材料的相變溫度，通過DSC實(shí)驗(yàn)得到材料的相變潛熱（見表1）。

表1 不同配比固液石蠟的相變溫度和相變潛熱

由表1可知，在固體石蠟中加入液體石蠟，混合物的相變溫度和相變潛熱隨液體石蠟摻量的增加整體呈下降趨勢(shì)。為滿足本系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度在25℃左右，并盡可能提高相變潛熱，最終選擇固液石蠟比為60∶40的方案。該配比下相變溫度在28℃左右，相變潛熱為130.4 J/g。

為進(jìn)一步降低相變溫度，在此配比下加入十二醇進(jìn)行改善。通過改變十二醇的含量比較相變潛熱和相變溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 十二醇配復(fù)比例對(duì)相變溫度和相變潛熱的影響

由表2可見，隨著十二醇用量的增加，相變溫度不斷下降，相變潛熱有一定提高。當(dāng)十二醇與混合石蠟質(zhì)量比大于1∶5時(shí)，相變溫度下降速度變緩?？紤]經(jīng)濟(jì)性，最終確定實(shí)驗(yàn)配比為 m（固體石蠟）∶m（液體石蠟）∶m（十二醇）=6∶4∶2。

經(jīng)DSC實(shí)驗(yàn)分析（見圖1），按以上配比加入十二醇后，出現(xiàn)2個(gè)相變峰，第2個(gè)峰相變溫度在25℃左右，相變潛熱約140 J/g，較為合適。與未加入十二醇的試樣相比，相變溫度更加適宜，可利用相變潛熱增加。

圖1 加入十二醇前后相變材料的DSC分析

2.2.2 相變材料的制備

稱取48#固體石蠟30 g置于燒杯中，使用酒精燈加熱至固體石蠟融化，取20 g液體石蠟加入燒杯進(jìn)行混合，用玻璃棒攪拌至混合均勻，繼續(xù)使用酒精燈加熱溶液。將十二醇10 g加入混合液中，攪拌均勻后停止加熱。待溶液自然冷卻至室溫（15℃左右）后，使用水浴鍋進(jìn)行二次加熱，維持溫度在60～70℃，在混合物呈糊狀后使用玻璃棒不斷攪拌，待溶液呈現(xiàn)清澈透明即停止加熱。自然冷卻后制得復(fù)合相變材料初步樣品。

2.2.3 相變材料的性能優(yōu)化

通過查閱資料及理論、實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)該樣品的各項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該樣品的均勻性、相容性、穩(wěn)定性、耐久性及膨脹率等基本達(dá)到使用要求，但在導(dǎo)熱、阻燃等方面存在缺陷，故對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化。

（1）相變材料的阻燃處理

針對(duì)樣品易燃的特性，進(jìn)行了相關(guān)燃燒試驗(yàn)，最終選擇可與相變材料充分互溶且無毒無害的氯化石蠟作為阻燃劑。加入12.3%的氯化石蠟，在基本不影響相變材料效果的前提下，極大地降低了材料的可燃性[4]。

（2）相變材料熱傳導(dǎo)性能優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，以石蠟為主體的相變材料熱傳遞效率較低，為使系統(tǒng)對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏，加入石墨纖維進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 石墨纖維摻量對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能的影響

由表3可見，石墨纖維摻量超過4%后易沉降，影響相變材料的均質(zhì)性，故最終確定摻量為3%，以此提高材料的導(dǎo)熱性從而提高了系統(tǒng)的靈敏性。

2.3 相變調(diào)溫裝飾材料設(shè)計(jì)

相變材料在設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變，在固態(tài)和液態(tài)間反復(fù)變化，相態(tài)不穩(wěn)定，不利于在建筑裝飾材料中單獨(dú)使用，因此本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路是把相變材料與中空的裝飾材料復(fù)合形成具有相變調(diào)溫功能的裝飾材料。

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上可利用的裝飾材料有空心吊頂板、環(huán)保集成內(nèi)隔墻板、用于吊頂和內(nèi)隔墻的薄壁方鋼管及踢腳板等裝飾材料（見圖2）。

圖2 選用的建筑裝飾材料

以上裝飾材料都具有空心空間較大、與空氣接觸面積大且與復(fù)合相變材料結(jié)合性好的特點(diǎn)，均可作為自調(diào)溫系統(tǒng)載體。將相變材料加入裝飾材料形成一整套可廣泛應(yīng)用且效果顯著的自調(diào)溫系統(tǒng)。兩者結(jié)合時(shí)采用玻璃膠進(jìn)行封裝[1]，實(shí)際工廠化生產(chǎn)時(shí)可采用橡膠條塞集中封裝，如圖3所示。

該系統(tǒng)既可自由組合，又可單獨(dú)使用某部分，在經(jīng)濟(jì)實(shí)用節(jié)能環(huán)保的前提下可為使用者提供了健康舒適的室內(nèi)環(huán)境，見圖4。

圖3 相變調(diào)溫裝飾材料

圖4 相變調(diào)溫裝飾系統(tǒng)示意

3 相變調(diào)溫裝飾材料性能試驗(yàn)研究

3.1 復(fù)合相變材料的相變溫度

取復(fù)合材料50 g放置于100 ml燒杯中，加熱至45℃左右，將溫度傳感器插入燒杯中，并將燒杯放入0℃恒溫箱進(jìn)行降溫，放置3 h后將樣品取出，樣品由透明液體變?yōu)槿榘咨腆w，通過溫度記錄儀可記錄樣品溫度變化（見圖5）。

圖5 復(fù)合相變材料升溫溫度變化曲線

由圖5可見，樣品在25℃左右維持較長(zhǎng)時(shí)間，并在此溫度段放出較多熱量，相變溫度約在25℃左右；將樣品冷藏至0℃左右放入40℃左右恒溫箱重復(fù)同樣過程，可得樣品由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的相變過程及溫度變化（見圖6）。

圖6 樣品降溫溫度變化曲線

由圖6可見，樣品同樣在25℃左右維持較長(zhǎng)時(shí)間。綜上所述，此復(fù)合相變材料在25℃左右時(shí)可吸收或釋放較多能量，從而減緩周圍環(huán)境溫度變化。

3.2 相變調(diào)溫裝飾材料的DSC分析

為了驗(yàn)證復(fù)合相變材料的熱工性能，對(duì)本課題所得到的復(fù)合相變材料進(jìn)行了DSC分析，見圖7、圖8。

圖7 復(fù)合相變材料的升溫DSC曲線

圖8 復(fù)合相變材料的降溫DSC曲線

由圖7、圖8可見，該相變材料在混合后仍具有良好相變性能且可重復(fù)使用，在升溫過程中，相變溫度在26℃左右，相變潛熱約為133.3 J/g；在降溫過程中，相變溫度在25℃左右，相變潛熱約為138.7 J/g。在溫度跨越21.0～29.0℃溫度段時(shí)，可使材料發(fā)生相變吸收或釋放能量，緩解溫度變化。當(dāng)室溫偏離人體適宜溫度時(shí)，可進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到系統(tǒng)自調(diào)溫的目的。

3.3 計(jì)算機(jī)ANSYS分析

為了驗(yàn)證相變材料的吸熱或放熱效果，利用熱分析軟件對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行傳熱行為分析。建立復(fù)合相變材料熱傳導(dǎo)模型，在層狀復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)模型上利用ANSYS Workbench進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)值模擬。制作200 mm×200 mm×5 mm相變材料模型片在開始溫度為20℃時(shí)靠近30℃的熱源，熱源放置在左下方拐角處，圖9為5 min后相變材料體表溫度變化。

圖9 ANSYS熱分析單數(shù)值模擬

由圖9可以看出，開始溫度為20℃的相變材料規(guī)劃片在5 min后只有約1/8達(dá)到21℃，約1/32達(dá)到22℃，極小的一部分達(dá)到了24℃以上，說明復(fù)合相變材料裝飾板在短期溫度變化時(shí)自身溫度改變極小。當(dāng)用于裝飾材料調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度時(shí)，傳熱介質(zhì)為空氣，復(fù)合相變材料裝飾板的溫度變化會(huì)比傳導(dǎo)模型中的溫度變化速度慢，從而復(fù)合相變材料裝飾板可以更長(zhǎng)時(shí)間停留在適宜溫度范圍，起到有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用。

3.4 復(fù)合相變材料的溫度調(diào)節(jié)效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證自調(diào)溫系統(tǒng)的作用效果，設(shè)計(jì)黑箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)建筑環(huán)境下溫度改變時(shí)產(chǎn)品的實(shí)際效果，利用溫度記錄儀對(duì)放有相變裝飾板的密封箱進(jìn)行調(diào)溫效果實(shí)測(cè)。

給定以下試驗(yàn)參數(shù)：

（1）相變材料摻量為1 kg/m2。

（2）環(huán)境溫度：實(shí)驗(yàn)利用恒溫箱設(shè)計(jì)3種環(huán)境溫度，高溫控制為60℃，適宜室溫環(huán)境25℃，低溫控制為10℃。

（3）墻體熱阻：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)黑箱熱阻為 1.0（m2·K）/W。

（4）相變材料位置：利用混凝土及隔熱材料等制作成載體模擬建筑物室內(nèi)環(huán)境，將相變裝飾板置于黑箱內(nèi)，具體見圖10。

圖10 自制測(cè)試系統(tǒng)

首先通過溫控儀將密封箱調(diào)至低溫15℃，持續(xù)一段時(shí)間后提升溫控系統(tǒng)熱源溫度至60℃持續(xù)向箱內(nèi)輸入能量，維持到1 h，1 h后按照同樣速率進(jìn)行降溫至10℃并維持一段時(shí)間。利用溫度記錄儀自動(dòng)記錄密封箱內(nèi)溫度變化，并設(shè)置空白樣對(duì)比。

對(duì)加入相變材料裝飾板與空白對(duì)照的黑箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見圖11。

圖11 自制黑箱試驗(yàn)材料控溫曲線

由圖11可見，加入相變材料裝飾板后可明顯減緩溫度變化產(chǎn)生的影響，并在23～28℃維持較長(zhǎng)時(shí)間。升溫及降溫過程中，2組在23℃之前及28℃之后的溫度段內(nèi)，溫度改變速率差別不大；但實(shí)驗(yàn)組在23～28℃的溫度范圍內(nèi)維持的時(shí)間為13 min，約是對(duì)照組維持時(shí)間的2.2倍，說明相變材料裝飾板對(duì)溫度變化起到了明顯的緩沖效果，能使溫度在適宜溫度范圍停留較長(zhǎng)時(shí)間。現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)分析對(duì)理論分析結(jié)果起到了很好的驗(yàn)證作用。

4 效益分析

（1）據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料，每年日溫差較大的天數(shù)約30 d。以空調(diào)為主要調(diào)溫電器為例，在這些天內(nèi)，利用自調(diào)溫系統(tǒng)，每天可減少空調(diào)使用時(shí)間2 h，全年可減少60 h；同時(shí)，以100 m2的一般家庭住房為例，可放入380 kg相變材料，理論相變潛熱可達(dá)5.2×105kJ，當(dāng)相變潛熱完全釋放時(shí)，可使8.1×103m3空氣溫度改變5℃?？諝鈨?nèi)外流通每日更換2次，可更換15 d，即相變潛熱可使一般住房溫度改變5℃達(dá)15 d；春夏交替和秋冬交替時(shí)，均可推遲15 d使用空調(diào)，按每天8 h計(jì)算，全年可節(jié)省約使用空調(diào)時(shí)間240 h；按平均每家2臺(tái)空調(diào)計(jì)算，空調(diào)功率為1 kW，全年總計(jì)可減少使用空間時(shí)間約600 h，節(jié)省600 kW·h。生產(chǎn)1 kW·h電可折算為0.12 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，會(huì)產(chǎn)生0.904 kg二氧化碳，故利用自調(diào)溫系統(tǒng)，每戶每年可節(jié)約用煤72 kg，減少約542 kg的碳排放量。

（2）系統(tǒng)在室內(nèi)溫度偏離人體適宜溫度時(shí)能給予及時(shí)主動(dòng)的調(diào)節(jié)——在短期溫度突變時(shí)，系統(tǒng)自發(fā)減緩溫度改變以維持室溫在人體適宜溫度，改善居住的舒適程度，顯著提高生活質(zhì)量；在季節(jié)交替溫度差較大時(shí)，可延遲空調(diào)等供熱系統(tǒng)的開啟時(shí)間，利于節(jié)能。系統(tǒng)在春冬季節(jié)室溫普遍偏離人體適宜溫度的情況下，可使室溫自動(dòng)向適宜溫度調(diào)節(jié)2～3℃，減輕空調(diào)等室內(nèi)調(diào)溫系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。還可在夜間電負(fù)荷低谷期利用調(diào)溫系統(tǒng)余熱進(jìn)行蓄熱，并將熱量在次日白天用電高峰時(shí)釋放使用，達(dá)到少用或不用電的目的，從而“削峰填谷[2]”，緩解電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，確保電網(wǎng)負(fù)荷平衡。

（3）選用固、液石蠟及十二醇等原料成本低廉，每100 m2建筑完全裝配該系統(tǒng)時(shí)成本約5000元；按50年房屋使用期，依據(jù)上述能量效益分析數(shù)據(jù)可計(jì)算出裝配該系統(tǒng)后節(jié)約費(fèi)用約3萬(wàn)元，用戶經(jīng)濟(jì)效益良好。

（4）該相變自調(diào)溫系統(tǒng)高效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，具有以下創(chuàng)新性：①設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新，將建筑裝飾材料與相變材料結(jié)合，既可針對(duì)新建建筑，又可用于已建建筑改造，充分利用現(xiàn)有建筑空間；②材料的創(chuàng)新，利用常見相變材料，通過配比的設(shè)計(jì)以及性能改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)材料與系統(tǒng)的充分適用，設(shè)計(jì)所得材料性能穩(wěn)定，具有良好的導(dǎo)熱性、防火性。相變材料成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，可工業(yè)化生產(chǎn)。系統(tǒng)產(chǎn)品可直接投入市場(chǎng)使用，市場(chǎng)潛力較大。

5 結(jié)論

（1）以48#固體石蠟、液體石蠟、十二醇、氯化石蠟、石墨纖維等為原材料制成了建筑調(diào)溫相變材料，該材料的相變溫度在25℃，當(dāng)室溫由較低溫度升高至25℃以上時(shí)，相變材料開始發(fā)生固-液相變，并吸收熱量，并使室溫長(zhǎng)時(shí)間保持在25℃左右；當(dāng)溫度由較高溫度降低至25℃以下時(shí)，材料開始發(fā)生液-固相變，并使室溫長(zhǎng)時(shí)間保持在25℃左右，大大提高了居住舒適性。

（2）通過理論及實(shí)驗(yàn)分析，該相變材料具有相變潛熱大，導(dǎo)熱性較好，均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)建筑裝飾材料與相變材料結(jié)合，既可充分發(fā)揮相變材料的作用，穩(wěn)定高效地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，又可有效利用現(xiàn)有裝飾材料，使室內(nèi)裝飾材料兼具美觀和實(shí)用的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于建筑的節(jié)能減排，每年每百戶小區(qū)可節(jié)約6萬(wàn)kW·h電，降低碳排放約50 t。原料價(jià)格低廉，可大規(guī)模生產(chǎn)，成本低，并可直接對(duì)現(xiàn)有裝飾材料進(jìn)行改造，使用前景廣泛。

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