相變材料在建筑墻體中的應用分析

胡孝彭,常允艷,郭建軍

(1.重慶水利電力職業技術學院,重慶 402160; 2.重慶交通大學 河海學院,重慶 400074)

近年來,人們對美好舒適建筑空間的追求不斷深入,加大了空調、地暖等設備的能耗,有超過30%的能耗來自于建筑空間能耗。相變材料(PCM)在建筑節能領域的應用優勢日益凸顯。根據相變狀態的不同,PCM可劃分為氣-液、氣-固、固-液和固-固相變材料[1]。以固-液相變材料為例,當環境溫度升高時,PCM從固相變為液相,吸收并貯存能量,隨著環境溫度的下降,從液相變為固相,前一階段吸收的能量會釋放出來,實現了能量供給的“削峰填谷”。將PCM應用于建筑圍護結構,可以達到改善居住空間舒適度,減少建筑空間能耗的目的[2],對我國實現“碳中和”和“碳達峰”的工作目標大有裨益。

墻體作為建筑圍護結構中的主體部分,它與相變材料結合后的熱工性能一直是研究熱點。目前PCM與墻體的結合方式主要有兩種[3-4],一是以“相變層”的形式布置于墻體內部或外側(夾層法),作為墻體構造的一部分,二是將封裝的PCM顆粒(多孔吸附法、微膠囊法等)與傳統建筑材料混合,制備相變建材搭建墻體。涂航等[5]研究了不同太陽輻射強度下PCM層位置對相變混凝土組合墻體溫度和熱流波動的影響,發現相變材料宜布置于靠近墻體外表面一側,以更好發揮其熱工性能。樊智軒等[6]研究了PCM層在墻體中的布置方式,提出PCM層的位置對隔熱效果影響很大,PCM層的位置布局與相變溫度、相變潛熱、導熱系數和蓄放熱持續時間等諸多因素相關。常釗[7]對比研究了普通墻體與相變墻體的傳熱特性,發現PCM層越厚,儲熱保溫效果越明顯,PCM層厚度30 mm時,相變墻體的綜合熱工性能最好。Marani等[8]通過研究位于伊朗3個地區的相變混凝土墻體的熱工性能,發現墻體內表面溫度下降明顯,降溫幅度超過5℃。Ren等[9]使用三元脂肪酸,制作了陶?；透∈南嘧兓炷?發現其對室內模型的溫度波動調峰作用顯著,平均降低了6.7℃。丁芳林[10]搭建了相變混凝土試驗房,研究發現相變混凝土可以推遲房間墻體中心內側溫度峰值的出現,而對墻體中心外側溫度的影響不明顯。Djamai等[11]向混凝土中加入玻璃纖維和PCM制作改性混凝土板,發現加入PCM提高了混凝土的蓄熱性能,降低了相變混凝土墻體溫差變化速率,不僅可以減少建筑能耗,而且能盡可能削弱大體積混凝土溫度裂縫的產生?？梢?無論以哪種方式在墻體中加入PCM,都可以有效降低房屋能耗,但同時帶來了墻體材料物理力學性能降低的問題。研究表明[12-14],PCM摻量的增加,幾乎造成相變混凝土抗壓強度的線性降低。冉真真[15]采用正交試驗對膨脹珍珠巖-碳棒粉末相變混凝土進行力學性能試驗,發現相變混凝土的抗壓和抗拉性能都有所降低,最大比例均超過40%。Yang等[16]使用不同質量分數的復合相變材料制作了相變混凝土,發現既能滿足承載力要求,又滿足熱工性能要求時,PCM的質量分數為15%。

為更好地實現建筑墻體的節能減排功效,同時考慮相變材料的成本和相變墻體的熱工性能和力學性能,通過試驗研究微膠囊法和夾層法制備而成的不同形式相變混凝土墻體,對比分析其傳熱性能和力學性能,以期為PCM在建筑墻體實用中提供參考依據。

1 試驗材料與方法

作為有機相變材料,石蠟憑其安全無毒、相變潛熱大、可循環使用、價格適宜等優點,被廣泛應用于建筑領域。本次試驗選用的石蠟相變溫度為27℃,相變潛熱202 J/g,對應熱性能參數如表1所示。從工業廢料中篩選出的粉煤灰漂珠,化學性能較為穩定,不僅表面具有大量微孔隙,而且內部包含真空腔體。試驗采用真空吸附法[10],在壓差的作用下將液態石蠟經表面微孔進入漂珠載體的內腔,從而制備出石蠟漂珠基相變微膠囊,此方法既在一定程度上解決了相變材料泄露的問題,又減弱了粉煤灰導致的環境污染。

表1 試驗用石蠟熱性能參數

本次試驗混凝土設計強度等級為C20,依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)確定基準混凝土配合比為水泥∶砂子∶石子(mc∶ms∶mg)=1∶2.06∶3.08,水灰比w/c=0.54。按照0%、5%、10%、20%的比例,使用制備的相變微膠囊等體積替代普通混凝土中的細骨料砂子(密度為1 563 kg/m3)。相變混凝土材料配合比如表2所示,相變混凝土墻體構造及熱性能測試方案如圖1所示。對應表2中的原材料配合比和圖1尺寸大小,使用定制的模具500 mm×300 mm×100 mm,制作O型、O-Ⅰ型、O-Ⅱ、O-Ⅱ-O型、Ⅲ型5種不同類型的相變混凝土墻體,如圖2所示。

圖1 相變混凝土墻體構造及熱性能測試方案

圖2 相變墻體試件

表2 相變混凝土材料配合比設計 單位:kg/m3

采用防護熱板裝置[17]測量相變墻體熱物性,為盡可能減少環境溫度變化的影響,進行熱工性能測試時,將標準養護28 d齡期的相變混凝土墻體模型放入室溫為23℃的恒溫間,再在試驗墻體周圍包裹3 cm～5 cm厚的保溫棉。參考本地氣象站獲得的氣候條件歷史數據,考慮晴好天氣(2022年7月28日0時—2022年7月30日0時,共計72 h)的太陽輻射強度,在溫控箱上通過控制器設定不同時段的加熱溫度,對相變墻體(A面)進行加熱,在墻體另外一側(B面)均勻布置6個T型熱電偶,記錄B面6個測點的溫度變化,得出不同時段的測點平均溫度值,具體布置如圖1所示。

為測定相變混凝土的抗壓強度,按照圖1所示的相變混凝土墻體的截面構造形式,分層裝入模具振搗密實,制作壓縮試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊,成型24 h后拆模標準養護3 d、7 d、28 d,使用全自動壓力試驗機測定其抗壓強度。

2 試驗結果分析

2.1 相變墻體熱工性能對比分析

結合表2的相變混凝土材料配合比和圖1墻體構造方案可知,理論上,除O型外,其他四種類型的試件中含有相等質量的原材料,僅相變層厚度存在差異。圖3為相同摻量下不同相變層厚度墻體的傳熱變化情況,從圖中可以看出,7 h～14 h區間電熱板加熱溫度不斷升高,11 h前,墻體B面溫度變化不大,之后測點溫度開始攀升,O型墻溫度攀升速率和溫度峰值要高于其他墻體,從材料組成上看,其他墻體中使用相變微膠囊替代了部分細骨料,相變材料吸收了大量熱,發生固-液相變現象,降低了其溫度峰值,延緩了熱量向墻體另外一側的傳遞,證明相變墻體的熱惰性勝于普通混凝土墻體。對比O-Ⅰ型墻、O-Ⅱ型墻和Ⅲ型墻,三種類型墻體中相變微膠囊摻加量相等,O-Ⅰ型墻相變夾層厚度最小,測點溫升速率0.255℃/h和溫度峰值28.1℃均較大,18 h之前Ⅲ型和O-Ⅱ型墻的溫升速率差別不大,18 h之后O-Ⅱ型墻的溫升速率0.126℃/h,溫度峰值27.4℃,均最小,這很可能是因為在加熱升溫過程中Ⅲ型墻體中PCM更快達到相變溫度,石蠟液化,部分孔隙被石蠟填充,熱量傳導從空氣導熱變為液態石蠟導熱,而空氣導熱系數小于石蠟,導致Ⅲ型墻體導熱系數大于O-Ⅱ型墻。

圖3 不同相變層厚度下墻體的傳熱變化

與O型墻相比,升降溫階段三種不同類型相變墻體的溫升/溫降速率、溫度峰值/谷值以及其延遲時間如表3所示,O-Ⅰ型墻、O-Ⅱ型墻和Ⅲ型墻B面溫度峰值降幅分別為0.2℃、0.8℃和0.7℃,溫度谷值升幅分別為0.1℃、0.3℃和0.2℃,其溫降速率均低于O型墻,內部PCM將吸收的熱量緩慢釋放出來,溫度峰值/谷值出現的延遲時間基本是0.4 h、2.9 h和1.8 h,O-Ⅱ型墻總體熱工性能表現最為優異?？梢?在相同墻體厚度和等量相變材料的情況下,相變層位置分布和厚度的不同,相變材料儲熱性能會直接表現出時空差異。本次試驗墻體的厚度為100 mm,不同厚度墻體的表現可能存在一定的差異。

表3 不同類型墻體測點平均溫度變化

O-Ⅱ型墻與O-Ⅱ-O型墻的根本區別在于相變夾層所處位置的不同,O-Ⅱ型墻相變夾層處于墻體內側,O-Ⅱ-O型墻相變夾層位于墻體中間。相變夾層置于墻體外側及中間時,加熱時將熱量傳遞給相變夾層,一旦達到相變溫度,PCM開始液化,待夾層相變材料全部液化,熱量繼續向墻體B面傳遞。圖4為兩類墻體傳熱變化曲線,從圖中可以明顯看出,18 h之前兩者差異不大,18 h之后O-Ⅱ-O型墻升溫速率明顯大于O-Ⅱ型墻,溫度峰值差值0.5℃左右,說明相同摻量和夾層厚度情況下,相變夾層位于墻體內側時的熱工性能要優于墻體中間。

圖4 相變夾層位置對墻體傳熱變化的影響

2.2 相變混凝土抗壓強度分析

依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)的規定,對所有類型的相變混凝土墻體留置的試塊,在相應齡期內進行抗壓強度試驗。經過換算得到的標準立方體抗壓強度值如圖5所示,可以看出,隨著養護齡期的增大,抗壓強度值均有所提高,但O型混凝土強度值明顯高于其他類型的混凝土強度,3 d、7 d和28 d抗壓強度的最大差值分別為4.4 MPa、6.5 MPa和12.3 MPa,說明無論是混凝土硬化的早期還是后期,PCM的摻入都在一定程度上削弱了其抗壓強度,主要原因是,與被替代的細骨料相比,摻入的相變微膠囊強度和彈性模量都較低,且在混凝土配制過程中的振搗攪拌等,使得相變微膠囊存在破碎和結團的現象,其較大的比表面積又要求較高的用水量。

圖5 相變混凝土標準立方體抗壓強度

與O型混凝土相比,28 d齡期時其他四類相變混凝土抗壓強度分別下降了14.2%、29.8%、41.4%和44.7%,此時僅有O-Ⅱ型混凝土滿足設計強度等級C20的要求?？梢?探尋出一種能普遍保證混凝土強度要求的新型相變材料至關重要。若單獨隔離出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類混凝土,其PCM的摻量依次減小,分別為20%、10%和5%,在相同齡期下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類混凝土的抗壓強度應依次增大。所以,與O類混凝土組合后,同一齡期下O-Ⅱ型混凝土的抗壓強度高于O-Ⅰ型。3 d齡期時O-Ⅱ型與Ⅲ型混凝土強度僅相差0.5 MPa,7 d齡期時兩者相差1.5 MPa,28 d齡期時O類混凝土的強度優勢得以發揮,強度差值接近5 MPa。

3 結 論

(1) 相同PCM摻量,O-Ⅰ型墻溫升速率和溫度峰值均較大,Ⅲ型墻體導熱系數大于O-Ⅱ型墻。

(2) 相同PCM摻量和夾層厚度情況下,O-Ⅱ-O型墻升溫速率明顯大于O-Ⅱ型墻,相變夾層位于墻體中間位置時,熱工性能要稍遜一籌,O-Ⅱ型墻熱工性能表現最為優異。

(3) 與O型混凝土相比,同一齡期下其他四類相變混凝土抗壓強度均有所降低,同一齡期下混凝土的抗壓強度大小順序為:O型>O-Ⅱ型>Ⅲ型>O-Ⅱ-O型>O-Ⅰ型,28 d齡期時僅有O-Ⅱ型混凝土滿足設計強度等級的要求。