脂肪酸相變儲(chǔ)能板性能及控溫效果模擬

李 琳，王 宇，錢(qián)雯艷，李東旭

（1宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院；2江蘇省裝配式建筑與智能建造工程研究中心，江蘇 宿遷 223800；3南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)于居住環(huán)境舒適度也提出了更高的要求，用于采暖、通風(fēng)、制冷等設(shè)備的能耗也隨之逐年上升，目前，我國(guó)建筑能耗已接近能源消耗總量的三分之一[1-4]。為緩解能源大量消耗與使用需求之間的矛盾，近年來(lái)國(guó)家大力推廣新型節(jié)能墻體材料，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)自身熱容和蓄熱能力來(lái)優(yōu)化建筑的控溫效果。儲(chǔ)能技術(shù)可通過(guò)顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能3 種方式提高能源利用率而達(dá)到節(jié)能效果，被視為緩解能源短缺的重要手段之一[5-7]。其中，潛熱儲(chǔ)能技術(shù)以相變材料為功能介質(zhì)，借助相變過(guò)程中吸收或釋放環(huán)境熱量實(shí)現(xiàn)控溫作用，具有儲(chǔ)熱密度高、節(jié)能效果顯著等優(yōu)勢(shì)[8-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果表明將相變材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域可以起到減小設(shè)備負(fù)荷、降低室內(nèi)溫度峰值、提高舒適度的作用，符合目前人們對(duì)于節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能需求[10-15]。Kong等[16]采用真空吸附法制備了石蠟/膨脹珍珠巖復(fù)合材料，將其與嵌入銅管的板式蓄熱器組合連接到太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)，可延長(zhǎng)太陽(yáng)能熱采暖系統(tǒng)的使用周期，對(duì)于提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的控溫效果和緩解溫度波動(dòng)有積極作用。Zhu 等[17]提出一種由相變材料與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成的三層夾心式新型復(fù)合墻體系統(tǒng)。該系統(tǒng)外層材料的相變溫度適用于夏季，與室內(nèi)相連的內(nèi)層相變溫度可在冬季工作，中間層是起到隔熱作用的磚，研究結(jié)果有助于降低冬冷夏熱地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年的空調(diào)設(shè)備能耗。Ascione 等[18]將相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)外墻內(nèi)壁，對(duì)5種地中海氣候的逐時(shí)能耗展開(kāi)了模擬研究，結(jié)果表明相變墻體傳熱效果受到季節(jié)、外墻朝向以及相變材料擺放位置等因素的影響。Sayyar等[19]采用脂肪酸和膨脹石墨制備了納米PCMs，使用多層墻板設(shè)計(jì)將該納米PCMs與石膏墻相結(jié)合后不僅縮短了室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍，同時(shí)延遲了達(dá)到峰值溫度的時(shí)間。Becker[20]對(duì)地中海氣候下基于相變儲(chǔ)能特性的建筑與普通傳統(tǒng)建筑展開(kāi)對(duì)比研究，結(jié)果顯示，基于相變儲(chǔ)能特性的建筑節(jié)能率高達(dá)57%，且夜間強(qiáng)化通風(fēng)對(duì)于釋放日間儲(chǔ)能至關(guān)重要。

本工作制備了CA-MA/EP定形相變材料，并采用白乳膠對(duì)其進(jìn)行包覆從而緩解了固液相變過(guò)程中脂肪酸的泄漏。將包覆后的定形相變材料以不同比例摻入石膏制備相變儲(chǔ)能板，利用Energy Plus 軟件對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的控溫效果進(jìn)行模擬分析，對(duì)比相變儲(chǔ)能板和傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的控溫效果之間的差異。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究采用肉豆蔻酸和癸酸作為相變材料，兩者均為化學(xué)純，分別購(gòu)于阿拉丁試劑(上海)有限公司和國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，脂肪酸的熱性能參數(shù)見(jiàn)表1。膨脹珍珠巖作為載體，白色顆粒狀，吸附性強(qiáng)，無(wú)毒，購(gòu)于信陽(yáng)市厚普礦業(yè)材料廠。白乳膠作為包覆材料，購(gòu)于綠松林黏合劑制品有限公司。建筑石膏購(gòu)于優(yōu)索化工科技有限公司。

表1 脂肪酸的熱性能參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of the fatty acids

1.2 定形相變材料的制備

將膨脹珍珠巖進(jìn)行12 h以上的烘干處理，待去除孔隙內(nèi)水分后，將熔融態(tài)CA-MA 與膨脹珍珠巖在燒杯中混合后置于65 ℃烘箱加熱1 h，為提高脂肪酸與膨脹珍珠巖的吸附程度，每20 min 攪拌一次。為進(jìn)一步提高定形效果，選取白乳膠對(duì)冷卻后的CA-MA/EP進(jìn)行包覆，用玻璃棒攪拌均勻，待白乳膠完全包裹膨脹珍珠巖后將其平鋪，在室溫下通風(fēng)晾干24 h，得到包覆處理的CA-MA/EP定形相變材料。

1.3 定形相變材料的滲出情況

為掌握脂肪酸與膨脹珍珠巖的吸附情況，分別稱取0.5 g不同配比的CA-MA/膨脹珍珠巖放置于鋪設(shè)定性濾紙的托盤(pán)內(nèi)，在45 ℃的烘箱中加熱30 min，根據(jù)濾紙吸附的脂肪酸滲漏油印比較滲出圈，并計(jì)算定形相變材料的質(zhì)量損失率。

1.4 相變儲(chǔ)能板的制備

首先將石膏粉和水按照0.6 的水膏比混合，然后加入減水劑后攪拌30 s，分別摻入不同質(zhì)量的相變材料均勻攪拌后倒入300 mm×300 mm×30 mm的模具中壓實(shí)并刮平，待漿體硬化后脫模得到成形的相變儲(chǔ)能板，其配合比見(jiàn)表2。由于拌合物的和易性隨著相變材料摻量的增加而逐漸變差，拌合過(guò)程中表2中的3#出現(xiàn)部分顆粒團(tuán)聚和流動(dòng)性降低的現(xiàn)象，硬化后的4#試樣不易脫模，綜合考慮選取2#相變儲(chǔ)能板作為研究對(duì)象，討論其儲(chǔ)能特性及將其應(yīng)用于建筑中的控溫效果。

表2 相變儲(chǔ)能板的配合比Table 2 Mix ratio of phase change energy storage board

1.5 性能測(cè)試

差示掃描量熱分析：采用美國(guó)Perkin Elmer DSC6000 測(cè)試相變材料的相變潛熱和相變溫度，氮?dú)獗Ｗo(hù)，0～100 ℃，升溫速率10 ℃/min，鋁樣品皿加蓋；熱導(dǎo)率測(cè)試：采用北京世紀(jì)建通科技股份有限公司生產(chǎn)的JTRG-111 型熱導(dǎo)率測(cè)定儀對(duì)相變石膏板和普通石膏板的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 定形相變材料的液相滲漏分析

常壓下采用熔融吸附法制備CA-MA/EP定形相變材料，由于脂肪酸和載體之間是依靠物理吸附作用工作，因此在固-液相變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生液態(tài)滲漏現(xiàn)象并影響相變材料的長(zhǎng)期儲(chǔ)能穩(wěn)定性。為了緩解這一問(wèn)題，本工作采用白乳膠對(duì)定形相變材料再次進(jìn)行包覆，白乳膠具有常溫固化速度快、粘結(jié)力強(qiáng)、干燥快、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高定形相變材料的使用性能。

對(duì)CA-MA/EP定形相變材料進(jìn)行滲出試驗(yàn)，通過(guò)滲出圈分析方法直觀掌握載體對(duì)于脂肪酸的吸附情況，并通過(guò)稱量滲出試驗(yàn)前后的樣品質(zhì)量m1和m2，根據(jù)式(1)計(jì)算質(zhì)量損失率[21-22]。

當(dāng)脂肪酸和載體之比為5∶5 時(shí)，質(zhì)量損失率由包覆處理前的8%降至4%；當(dāng)脂肪酸和載體之比為6∶4，質(zhì)量損失率由包覆處理前的16%降至10%；當(dāng)脂肪酸和載體之比為7∶3 時(shí)，質(zhì)量損失率由包覆處理前的24%降至16%，結(jié)果見(jiàn)表3。采用滲出圈法觀察滲漏情況，當(dāng)脂肪酸和載體之比為5∶5 時(shí)，濾紙上脂肪酸滲出油跡明顯較6∶4 時(shí)的小，如圖1所示，為確保脂肪酸與載體共同穩(wěn)定工作，選取5∶5 比例進(jìn)行白乳膠包覆并制備相變石膏板。

表3 CA-MA/EP定形相變材料的滲出穩(wěn)定性Table 3 The leakage stability of CA-MA/EP shaped phase change materials

圖1 不同脂肪酸吸附量的定形相變材料滲出情況Fig. 1 The leakage comparison of shaped PCMs with different fatty acid content

2.2 相變儲(chǔ)能板的熱導(dǎo)率分析

本工作采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試各相變儲(chǔ)能板的熱導(dǎo)率，穩(wěn)態(tài)測(cè)試法需待脂肪酸完全吸熱融化后并處于穩(wěn)定狀態(tài)，能反映相變儲(chǔ)能板充分工作后的熱導(dǎo)率。不同摻量相變材料(10%、20%、25%、30%)的相變儲(chǔ)能板的熱導(dǎo)率結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，各相變儲(chǔ)能板的熱導(dǎo)率均較普通石膏板的熱導(dǎo)率要低，這是因?yàn)閮?nèi)含大量蜂窩狀孔隙的膨脹珍珠巖的熱導(dǎo)率約為0.05 W/(m·K)[23]，脂肪酸自身的熱導(dǎo)率通常為0.15 W/(m·K)[24]，兩者復(fù)合后所得到的定形相變材料摻入后會(huì)降低普通石膏板的熱導(dǎo)率。白乳膠熱導(dǎo)率約0.08 W/(m·K)[25]，對(duì)定形相變材料包覆后可降低其熱導(dǎo)率，因此相變儲(chǔ)能板的熱導(dǎo)率隨著相變定形材料摻量的增加而逐漸降低，當(dāng)相變定形摻量為30%時(shí)，熱導(dǎo)率較普通石膏板的降低17.41%。

表4 相變儲(chǔ)能板熱導(dǎo)率Table 4 Thermal conductivity of phase change energy storage board

2.3 相變儲(chǔ)能板的熱物性分析

采用DSC 測(cè)試了定形相變材料及相變儲(chǔ)能板的相變潛熱和相變溫度，如圖2 和圖3 所示。根據(jù)圖2可知，經(jīng)過(guò)白乳膠包覆后CA-MA/EP定形相變材料的相變潛熱和相變溫度分別為58.07 J/g和20.86 ℃，較CA-MA 相變溫度21.67 ℃降低了0.09 ℃，變化幅度較小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)定形和包覆后對(duì)脂肪酸的相變溫度影響不顯著；而相變潛熱與CA-MA相變潛熱156.71 J/g相比減少了98.03 J/g，潛熱降低幅度較大的主要原因是膨脹珍珠巖和白乳膠在DSC 測(cè)試溫度范圍內(nèi)幾乎無(wú)潛熱，導(dǎo)致定形相變材料的單位儲(chǔ)能密度降低，然而膨脹珍珠巖作為載體對(duì)于脂肪酸的吸附作用和白乳膠對(duì)于定形相變材料的二次包覆有助于緩解固液相變材料的液態(tài)滲漏，可以進(jìn)一步有效保證相變材料長(zhǎng)期的儲(chǔ)能穩(wěn)定性。表4中的2#相變儲(chǔ)能板的相變溫度和潛熱分別為20.62 ℃和29.10 J/g，如圖3所示。定形相變材料與傳統(tǒng)建筑材料結(jié)合后可以得到具有儲(chǔ)能功能的相變儲(chǔ)能板，其保持CA-MA 相變芯材自身的相變溫度，相變潛熱測(cè)試結(jié)果較高的原因可能是因?yàn)榇郎y(cè)試樣攪拌過(guò)程中產(chǎn)生相變材料聚集導(dǎo)致其含量較多。

圖2 CA-MA/EP的DSC曲線Fig. 2 DSC curve of CA-MA/EP

圖3 相變儲(chǔ)能板的DSC曲線Fig. 3 DSC curve of phase change energy storage board

復(fù)合相變材料的定壓比熱容為[26]：

式中，cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；H為熱量，J；T為溫度，℃；m為復(fù)合相變材料的質(zhì)量，kg。

根據(jù)式(2)計(jì)算得出，表4中的2#相變石膏板的比熱容為1411.43 J/(kg·K)。根據(jù)文獻(xiàn)[27-28]，脂肪酸的比熱容約為1600 J/(kg·K)，混凝土材料的比熱容約為920 J/(kg·K)，普通石膏板的比熱容約為1050 J/(kg·K)。比熱容越大，單位質(zhì)量的物質(zhì)能夠吸收或釋放的能力越強(qiáng)，因?yàn)橄嘧儾牧系膿饺雽?dǎo)致相變石膏板的比熱容明顯較其他材料比熱容高，說(shuō)明當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到相變溫度區(qū)間時(shí)，相變石膏板能夠吸收和釋放的熱量更多，具有更為優(yōu)異的控溫能力，從而可以有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

3 建筑控溫效果模擬

3.1 Energy Plus軟件

Energy Plus 是一款能夠計(jì)算建筑冷熱負(fù)荷和逐時(shí)能耗的模擬軟件。該軟件可基于Sketch Up建立三維模型，使用過(guò)程中通過(guò)鼠標(biāo)即可完成坐標(biāo)的精確定位，操作簡(jiǎn)單方便。軟件利用Open Studio作為插件，將模型轉(zhuǎn)化為IDF 文件，并在Energy Plus軟件中編輯材料、參數(shù)等，完成模擬分析。

3.2 操作步驟

本工作采用Energy Plus 軟件模擬分析江蘇徐州地區(qū)夏季氣候條件下，基于儲(chǔ)能材料的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的控溫效果，其操作步驟主要如下。

（1）打開(kāi)Sketch Up 軟件，點(diǎn)擊插件“OS”，新建一個(gè)建筑空間。

（2）建立矩形房間，點(diǎn)擊New Zone Tool，設(shè)置房間及窗戶尺寸。

（3）將模型保存為.idf 格式，打開(kāi)EP-launch軟件并輸入已存文檔，添加Sizing Period:Design Day對(duì)象，選擇徐州地區(qū)的氣象資料行運(yùn)算。

（4）添加輸出報(bào)告Output:Table:Summary Reports，添加輸出報(bào)告表格查看方式Out put control:Table:Style，退出IDF 編輯器。點(diǎn)擊“simulate”等待模擬結(jié)束，點(diǎn)擊Tables 按鈕，查看計(jì)算結(jié)果。

3.3 模型建立及參數(shù)設(shè)置

建立一幢建筑面積為1422 m2，總高為18 m的6 層辦公樓模型。辦公樓層高為3.3 m，窗墻比為0.15，墻體厚度為0.3 m，內(nèi)墻厚度為0.24 m，窗尺寸為1200 mm×1500 mm，將空間模型劃分42個(gè)區(qū)間，三維辦公樓模型如圖4所示。

圖4 三維辦公樓建筑模型Fig. 4 Three-dimensional office building model

通過(guò)Open Studio 設(shè)置建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成Table 5 Composition of building envelope

3.4 控溫效果模擬

根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》將我國(guó)從北向南劃分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等5個(gè)氣候分區(qū)[29]。其中，江蘇的南部和北部分別屬于夏熱冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)，但地域差異并非特別突出，江蘇北部地區(qū)的夏季氣溫同樣很高，因此對(duì)于制冷設(shè)備也有較大的需求。

以蘇北地區(qū)徐州市為例，從Energy Plus 數(shù)據(jù)庫(kù)獲取夏季天氣數(shù)據(jù)，對(duì)比分析基于傳統(tǒng)石膏板和相變石膏板的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在江蘇省寒冷地區(qū)典型城市氣候條件下的控溫效果。由圖5(a)可知，在江蘇徐州夏季最高溫月份(7～8月)，室外最高日均溫度為35.68 ℃，普通石膏板建筑的室內(nèi)最高日均溫度為34.63 ℃，相變石膏板建筑的室內(nèi)最高日均溫度為32.91 ℃；室外最低日均溫度為27.05 ℃，使用普通石膏板的建筑室內(nèi)最低日均溫度為25.22 ℃，相變石膏板建筑的室內(nèi)最低日均溫度為23.33 ℃。與普通石膏板建筑室內(nèi)日均溫度相比，相變石膏板建筑的室內(nèi)最高日均溫度和最低日均溫度分別低了1.72 ℃和1.89 ℃。相變石膏板建筑的室內(nèi)日均溫度均低于普通石膏板建筑室內(nèi)日均溫度，與使用普通石膏板建筑的室內(nèi)最大日均溫度差達(dá)3.59 ℃，證實(shí)了相變石膏板的調(diào)溫作用。由圖5(b)可知，7 月15日室外最低實(shí)時(shí)溫度為27.65 ℃，最高實(shí)時(shí)溫度32.99 ℃情況下，普通石膏板墻體建筑的室內(nèi)最低實(shí)時(shí)溫度為26.01 ℃，最高實(shí)時(shí)溫度為30.66 ℃。與此相比，使用相變石膏板的建筑室內(nèi)最低實(shí)時(shí)溫度為25.34 ℃，最高實(shí)時(shí)溫度為28.79 ℃，比普通石膏板建筑分別低0.67 ℃、1.87 ℃。當(dāng)日室外平均氣溫為29.87 ℃，普通石膏板建筑室內(nèi)平均氣溫為28.60 ℃，相變石膏板建筑為27.00 ℃，比室外平均溫度低2.87 ℃，比普通石膏板建筑低1.60 ℃。證明相變石膏板能夠有效吸收熱能，起到良好的控溫作用，并且相變石膏板建筑室內(nèi)溫度變化平緩，整體溫度波動(dòng)小，舒適性更強(qiáng)。

圖5 徐州市夏季溫控效果模擬Fig. 5 Simulation of summer temperature control in Xuzhou

4 結(jié) 論

（1）基于熔融吸附法制備了CA-MA/EP定形相變材料，并利用白乳膠進(jìn)一步包敷定形相變材料。采用滲出穩(wěn)定性評(píng)價(jià)證實(shí)了該定形相變材料經(jīng)過(guò)熱處理后的質(zhì)量損失率由8%降至4%，可以有效緩解液態(tài)相變材料滲漏。

（2）制備了不同定形相變材料摻量的儲(chǔ)能石膏板，當(dāng)定形相變材料的摻量為20%時(shí)，相變儲(chǔ)能板的相變溫度和潛熱分別為20.62 ℃和29.10 J/g，熱導(dǎo)率為0.33 W/(m·K)，且儲(chǔ)能石膏板的熱導(dǎo)率隨著定形相變材料摻量的增加而逐漸降低。儲(chǔ)能石膏板依托脂肪酸的潛熱蓄熱能力，其比熱容提高為1411.43 J/(kg·K)，較普通建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的保溫隔熱效果。

（3）建立建筑三維模型，以徐州夏季氣候條件為例，利用Energy Plus 軟件模擬基于傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑室內(nèi)溫度變化，證實(shí)了相變儲(chǔ)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠緩解室內(nèi)環(huán)境溫度波動(dòng)，具有一定控溫作用。