张 源1，胡自成1，葛风华1，王-漾1，何嘉鹏2
（1．江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013；2．南京工业大学城市建设学院，南京210009）
[摘要]本文选用1种典型结构的混凝土空心砌块以及常用的相变材料( PCM)，提出1种复合PCM空心砌块的制作方法，将PCM放入空心砌块内的不同厚度位置制成多种形式的复合砌块，采用变温热箱法对不含PCM及含有PCM的空心砌块墙体进行了多组不同温度条件下的实验测试，分析了各墙体热工性能差异的原因。研究结果表明：含PCM空心砌块墙体的温度衰减量、衰减倍数与延迟时间均较不合PCM、相同结构的空心砌块墙体显著增加；若能保持墙体中PCM的温度始终没有超越其相变温度区间，则可使复合PCM空心砌块墙体达到较好的非稳态热工性能。
[关键词]相变材料；空心砌块；围护结构；热工性能；实验分析 [中图分类号] TU55+1.1
0 引 言
由于建筑能耗的逐年上升，建筑节能技术已成为当今世界的热门研究领域之一；同时，人们对建筑室内热环境的要求也在逐年提高。解决上述问题的传统方法之一，是向建筑围护结构内放入一定量的绝热材料，以达到建筑节能的目的。然而，尽管传统的绝热材料具有较低的导热系数值，可以有效减少通过围护结构的热流，但同时也具有较低的比热容值；另外，传统绝热材料还具有火灾安全隐患，不能做到与建筑同寿命（有机保温材料的使用寿命大多
为10～20 a）等。因此，人们开始寻找新的、更好的建筑节能方式。
将相变材料( PCM)应用于建筑围护结构就是极具潜力的方法之一。通过合理利用PCM的相变潜热，可以大幅度增加围护结构的热容量，起到蓄能的作用，从而使夏季进入围护结构的热量储存于PCM中，待到夜间室外温度较低时，再由PCM放热，将一部分热量放回至室外；这样，在一天之中进入室内的热流将显著减少，并且，白天进入围护结构的峰值热流也因为PCM的衰减和延迟作用而以较低的峰值、较长的延迟时间，于傍晚甚至夜间才进入室内，而此时的室内冷负荷已较低，并且处于峰谷电价的谷时时段，有利于提高室内热舒适度和节约电费。
目前，有很多学者对向围护结构中放入PCM层后的热工性能进行了研究。Aelenei采用一种新型的光伏板与PCM板墙体结构的建筑在冬季气候条件下的运用效果进行了计算和测试，结果表明，该种墙体结构可以节约10%电能、具有12%的热效率，并且整个系统的效率可以达到20%。Ahmed将PCM（石蜡）放入用于冷藏储物的卡车拖车的箱体壁体中。测试表明，当各朝向的壁体均使用PCM时，进入箱体的热流率的峰值平均降低29.1%；对于单一朝向的壁体来说，热流率可降低11.3%~43.8%；每天进入箱体的热流率可降低16.3%。Alqallaf对某含有PCM的混凝土屋顶板的热工性能进行了分析。测试表明，所用的PCM越多，所减少的得热量也越多；并且得热量受到PCM的熔化温度的影响。Bontemps将PCM应用于一个双箱结构实验箱的隔墙中，将实验箱放于当地典型的室外环境条件下。结果表明，使用了PCM的实验箱内部的温度波动显著小于不使用PCM的情况。Borreguero对含PCM的石膏板进行了热工性能测试。结果表明，石膏板中PCM的含量越高，石膏板的蓄热能力就越强，同时，墙体内温度波动的幅度也越小；另外，板内的PCM含量每增加5%（质量分数），在保持相同热工性能的情况下，石膏板的厚度可以减少8.5%。Cabeza建造了具有实际尺寸的混凝土房间，房间的南、西向墙及屋顶含有质量分数为5%的PCM，且房间暴露于自然环境条件下。结果表明，含PCM的墙体的热惰性显著高于不含PCM的墙体，且含PCM的墙体具有更低的内表面温度（降低了0~2℃）；相变墙使得峰值热流转移了约2 h。Castell用2种传统的多孔砖分别砌筑了含有PCM与不含PCM的具有实际尺寸的房子，在西班牙典型的气候条件下进行测试。结果表明，PCM使得室内峰值温度降低了约0.9℃与0. 73 0C，并且，
室内用能量减少了约15%与17%。
由以上的研究可以看到，含有PCM的围护结构可以达到更好的热工性能；目前对于PCM传热的研究大多基于单层平壁的一维传热过程。然而，PCM以单独层的形式存在于围护结构中，具有易损坏、易泄露、占用围护结构厚度等缺点。当前，有很多地区的建筑普遍采用空心砖或空心砌块墙体。若将PCM放置于空心砖或空心砌块的孔中，则可以在保持较好热工性能的同时，简化施工步骤、避免这些不利因素的影响。
鉴于上述原因，本文选用一种典型结构的混凝土空心砌块以及常用的PCM（癸酸）研制成复合PCM空心砌块，并将PCM放入空心砌块内的不同厚度位置制成多种形式的复合砌块，采用变温热箱法对不含PCM以及含有PCM的空心砌块墙体进行了多组不同温度条件下的实验测试。将含有PCM空心砌块墙体与不含PCM空心砌块墙体的热工性能、以及PCM处于不同厚度位置的空心砌块墙体的热工性能进行了比较，并分析了墙体热工性能差异的原因，为复合PCM空心砌块的研制及相应墙体的工程应用提供了基础与数据参考。
1 复合PCM空心砌块的研制
1.1 坐浆法封底
采用规格为390 mm×190 mm×190 mm的某典型轻集料混凝土空心砌块，如图1a所示。为了确保PCM放入空心砌块孔中后不发生泄露，采用坐浆法对空心砌块下底面相应孔端进行封闭抹平处理。方法如下：
1)将玻璃板置于试件制备平台上，其上铺设一张湿垫纸，纸上铺设一层厚度不超过5 mm的用强度等级为32.5的普通硅酸盐水泥调制成的稠度适宜的水泥净浆；
2)将砌块的下底面在水中浸泡10~20 min并滴水3～5 min后，将砌块下底面平稳坐放在水泥浆上，在上底面稍加压力，使整个水泥层与砌块下底面相互粘结，同时在加压粘结的时候注意确保砌块的侧面垂直于玻璃板平面；
3)将砌块连同水泥浆放置于20 0C左右的不通风的室内养护7d后，完成砌块下底面孔端的封闭抹平处理。制成后砌块的底面情况如图1b所示。
1.2 孔内的PCM
用坐浆法对砌块下底面相应孔端进行封闭抹平处理后，向砌块不同排所封闭的孔中分别放入PCM材料（癸酸），放置过程如下：
1)放人边孔内的PCM
考虑到边孔的体积较小(5. 32×10-4m3)，并且坐浆法会有少量水泥浆溢入孔中，同时应确保PCM具有相对足够的量；另外，由于砌块边孔的厚度为20 mm，PCM熔化后不会产生明显的对流效应，因此称取质量为0. 314 kg纯PCM固体，将其熔化并倒入孔中后凝固。制成砌块如图2a所示。
2)放人中孔内的复合PCM
为了便于比较，向砌块中孔内放入与边孔内相同质量的PCM (0. 314 kg)。不同的是，中孔内的材料由0. 314 kg PCM、0.416 kg石膏以及300 ml水混合制成石膏基复合PCM。制成的砌块如图2b所示。
图3为用于实验的4种砌块示意图（图中的阴影部分为PCM），它们是：不含PCM的砌块（砌块1)、PCM在靠近左表面（将砌块墙体的左侧作为室外侧，右侧作为室内侧）的一排孔内的砌块(砌块2)、PCM在中间一排孔内的砌块（砌块3）、PCM在靠近右表面的一排孔内的砌块（砌块4）。将PCM放在砌块内不同排的孔中，并以不含PCM的砌块作为参照，分析PCM复合空心砌块的热工性能。实验所用的混凝土砌块的骨料为轻集料混凝土，其密度为1 600 kg/m3，比热为600 J/( kg - K)，导热系数为0. 62 W/(m．K)（物性参数均为测试得到）；所用PCM是癸酸，其物性参数如表1所示。
2 实验方法
2.1 实验方法
本研究的实验采用变温热箱法进行。在墙体两侧制造不同的温度环境，利用均匀分布的热电偶得到墙面各点温度随时间的变化情况，所得数据由建筑热工巡回检测仪记录。实验墙体及实验装置如图4、图5所示。墙面的热电偶布置情况如图6所示：实验墙体的左、右两表面各布置9个热电偶，以测试墙体两表面的温度变化情况（由于灰缝所占墙面的面积较小，且其导热系数与混凝土砌块材料较为接近，因此，温度测点尽量避开灰缝处，均粘贴在墙体中部的空心砌块位置处）；另外，在左、右箱的空间中央处各悬挂有2个热电偶，以测试左、右两侧空气温度的变化。
2.2 实验条件
实验中，左箱和右箱均被绝热材料包裹。为了研究PCM处于空心砌块内的不同厚度位置时各墙体在不同变化幅度的边界温度区间影响下的热工性能，选取如表2所示的4个左侧边界温度区间进行实验。每种砌块墙体均在该4个边界温度区间条件下（左箱内的热条件）各进行4组实验。为了去除干扰因素，更加精确地研究各墙体在不同左边界条件下的热响应，墙体右侧（右箱内的热条件）为绝热、封闭但不控温的空间。墙体左、右两侧均为对流热边界条件。实验前，经多次测试，墙体左、右表面的对流换热系数分别稳定在20.0 W/( m2．K)与11. 0 W/( m2 K) 。
2.3 实验数据的不确定度
实验中需要用到的主要装置有：左／右箱、温控仪、数据采集仪、热电偶、制冷与加热装置等。其中，左／右箱箱内空气温度波动≤±0.5℃，箱体热损失< 5%。由于所测得的数据为逐时温度值，因此唯一影响测试数据准确度的装置是热电偶。该热电偶为T型热电偶，其测量范围为- 50~100 0C，精度等级为0.2级，分辨率为0.1℃，不确定度≤±0.5℃。所以，实验数据的不确定度≤±0.5℃。
3热工分析
图7、图8分别为图3所示的各砌块处于表2所示的不同边界温度区间下的表面温度变化情况以及衰减倍数、延迟时间曲线。各实验砌块的温度衰减量、衰减倍数、延迟时间数值如表3所示。
由图7、图8及表3可以看到，对于各砌块墙体的4组实验，含有PCM的各砌块墙体（砌块2—砌块4）的温度衰减量、衰减倍数与延迟时间均明显大于不含PCM的砌块（砌块1），含有PCM砌块墙体的温度衰减量普遍比不含PCM的砌块墙体增加1.5~5.0 0C，衰减倍数增加1.0~2.5，延迟时间增加0.5~3.0 h。这表明PCM的使用发挥了其相变蓄能作用，增大了墙体的热容值，这对墙体非稳态热工性能的提升具有显著效果。另外还可以看到，随着边界温度区间宽度的逐渐增大，各砌块墙体的衰减倍数与延迟时间总体呈缓慢下降的趋势，造成这种现象的主要原因是：1）对于各砌块中的空气间层来说，由于边界温度区间宽度的增大在一定程度上增加了孔内冷、热表面间的温度差，这样就增强了孔内的对流与辐射传热，使整个墙体的热工性能有所下降，从而使其衰减倍数与延迟时间也有所减小；2)对于有PCM的砌块，当外界环境使墙体中PCM的温度没有超越其相变温度区间时（PCM没有完全相变），PCM墙体可以达到较好的非稳态热工性能；当边界温度区间宽度的增大使这些砌块中PCM位置的温度逐渐超越了PCM熔化、凝固温度区间，此时，PCM的相变过程已结束，也就是说，其潜热量已用尽，只能依靠相变之后的液体或者固体的显热来发挥作用，由于PCM的显热值比其潜热值至少低一个数量级，因此相变结束后墙体的热工性能大打折扣，PCM的作用随着边界温度区间宽度的增大逐渐减弱，这也使墙体的衰减倍数与延迟时间有所降低。
砌块2墙体与砌块4墙体的温度衰减量、衰减倍数与延迟时间相差无几、互有高低。
4 结 论
本文选用一种典型结构的混凝土空心砌块以及常用的PCM（癸酸）研制成复合PCM空心砌块，并将PCM放入空心砌块内的不同厚度位置制成多种形式的复合砌块，采用变温热箱法对不含PCM以及含有PCM的空心砌块墙体进行了多组不同温度条件下的实验测试。将含有PCM空心砌块墙体与不含PCM空心砌块墙体的热工性能、以及PCM处于不同厚度位置的空心砌块墙体的热工性能进行了比较，并分析了墙体热工性能差异的原因，为复合PCM空心砌块的研制及相应墙体的工程应用提供了基础与数据参考。通过本文的分析，得到如下结论：
1)介绍了一种复合PCM空心砌块的制作方法；该方法简便易行，是制作复合PCM空心砌块的有效方法。
2)含有PCM的空心砌块墙体的非稳态热工性能均明显高于不含PCM的相同结构的空心砌块墙体（在本文的研究中，含有PCM空心砌块墙体的温度衰减量增加1.5~5.0℃，衰减倍数增加1.0~
2.5．延迟时间增加0.5~ 3.0 h）。
3)若可以保持墙体中PCM的温度始终没有超越其相变温度区间，则可以使复合PCM空心砌块墙体达到较好的非稳态热工性能。
下一篇:返回列表
