相变材料在建筑墙体中的应用分析

胡孝彭,常允艳,郭建军

(1.重庆水利电力职业技术学院,重庆 402160; 2.重庆交通大学 河海学院,重庆 400074)

近年来,人们对美好舒适建筑空间的追求不断深入,加大了空调、地暖等设备的能耗,有超过30%的能耗来自于建筑空间能耗。相变材料(PCM)在建筑节能领域的应用优势日益凸显。根据相变状态的不同,PCM可划分为气-液、气-固、固-液和固-固相变材料[1]。以固-液相变材料为例,当环境温度升高时,PCM从固相变为液相,吸收并贮存能量,随着环境温度的下降,从液相变为固相,前一阶段吸收的能量会释放出来,实现了能量供给的“削峰填谷”。将PCM应用于建筑围护结构,可以达到改善居住空间舒适度,减少建筑空间能耗的目的[2],对我国实现“碳中和”和“碳达峰”的工作目标大有裨益。

墙体作为建筑围护结构中的主体部分,它与相变材料结合后的热工性能一直是研究热点。目前PCM与墙体的结合方式主要有两种[3-4],一是以“相变层”的形式布置于墙体内部或外侧(夹层法),作为墙体构造的一部分,二是将封装的PCM颗粒(多孔吸附法、微胶囊法等)与传统建筑材料混合,制备相变建材搭建墙体。涂航等[5]研究了不同太阳辐射强度下PCM层位置对相变混凝土组合墙体温度和热流波动的影响,发现相变材料宜布置于靠近墙体外表面一侧,以更好发挥其热工性能。樊智轩等[6]研究了PCM层在墙体中的布置方式,提出PCM层的位置对隔热效果影响很大,PCM层的位置布局与相变温度、相变潜热、导热系数和蓄放热持续时间等诸多因素相关。常钊[7]对比研究了普通墙体与相变墙体的传热特性,发现PCM层越厚,储热保温效果越明显,PCM层厚度30 mm时,相变墙体的综合热工性能最好。Marani等[8]通过研究位于伊朗3个地区的相变混凝土墙体的热工性能,发现墙体内表面温度下降明显,降温幅度超过5℃。Ren等[9]使用三元脂肪酸,制作了陶粒基和浮石基的相变混凝土,发现其对室内模型的温度波动调峰作用显著,平均降低了6.7℃。丁芳林[10]搭建了相变混凝土试验房,研究发现相变混凝土可以推迟房间墙体中心内侧温度峰值的出现,而对墙体中心外侧温度的影响不明显。Djamai等[11]向混凝土中加入玻璃纤维和PCM制作改性混凝土板,发现加入PCM提高了混凝土的蓄热性能,降低了相变混凝土墙体温差变化速率,不仅可以减少建筑能耗,而且能尽可能削弱大体积混凝土温度裂缝的产生。可见,无论以哪种方式在墙体中加入PCM,都可以有效降低房屋能耗,但同时带来了墙体材料物理力学性能降低的问题。研究表明[12-14],PCM掺量的增加,几乎造成相变混凝土抗压强度的线性降低。冉真真[15]采用正交试验对膨胀珍珠岩-碳棒粉末相变混凝土进行力学性能试验,发现相变混凝土的抗压和抗拉性能都有所降低,最大比例均超过40%。Yang等[16]使用不同质量分数的复合相变材料制作了相变混凝土,发现既能满足承载力要求,又满足热工性能要求时,PCM的质量分数为15%。

为更好地实现建筑墙体的节能减排功效,同时考虑相变材料的成本和相变墙体的热工性能和力学性能,通过试验研究微胶囊法和夹层法制备而成的不同形式相变混凝土墙体,对比分析其传热性能和力学性能,以期为PCM在建筑墙体实用中提供参考依据。

1 试验材料与方法

作为有机相变材料,石蜡凭其安全无毒、相变潜热大、可循环使用、价格适宜等优点,被广泛应用于建筑领域。本次试验选用的石蜡相变温度为27℃,相变潜热202 J/g,对应热性能参数如表1所示。从工业废料中筛选出的粉煤灰漂珠,化学性能较为稳定,不仅表面具有大量微孔隙,而且内部包含真空腔体。试验采用真空吸附法[10],在压差的作用下将液态石蜡经表面微孔进入漂珠载体的内腔,从而制备出石蜡漂珠基相变微胶囊,此方法既在一定程度上解决了相变材料泄露的问题,又减弱了粉煤灰导致的环境污染。

表1 试验用石蜡热性能参数

本次试验混凝土设计强度等级为C20,依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)确定基准混凝土配合比为水泥∶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,使用制备的相变微胶囊等体积替代普通混凝土中的细骨料砂子(密度为1 563 kg/m3)。相变混凝土材料配合比如表2所示,相变混凝土墙体构造及热性能测试方案如图1所示。对应表2中的原材料配合比和图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种不同类型的相变混凝土墙体,如图2所示。

图1 相变混凝土墙体构造及热性能测试方案

图2 相变墙体试件

表2 相变混凝土材料配合比设计 单位:kg/m3

采用防护热板装置[17]测量相变墙体热物性,为尽可能减少环境温度变化的影响,进行热工性能测试时,将标准养护28 d龄期的相变混凝土墙体模型放入室温为23℃的恒温间,再在试验墙体周围包裹3 cm～5 cm厚的保温棉。参考本地气象站获得的气候条件历史数据,考虑晴好天气(2022年7月28日0时—2022年7月30日0时,共计72 h)的太阳辐射强度,在温控箱上通过控制器设定不同时段的加热温度,对相变墙体(A面)进行加热,在墙体另外一侧(B面)均匀布置6个T型热电偶,记录B面6个测点的温度变化,得出不同时段的测点平均温度值,具体布置如图1所示。

为测定相变混凝土的抗压强度,按照图1所示的相变混凝土墙体的截面构造形式,分层装入模具振捣密实,制作压缩试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块,成型24 h后拆模标准养护3 d、7 d、28 d,使用全自动压力试验机测定其抗压强度。

2 试验结果分析

2.1 相变墙体热工性能对比分析

结合表2的相变混凝土材料配合比和图1墙体构造方案可知,理论上,除O型外,其他四种类型的试件中含有相等质量的原材料,仅相变层厚度存在差异。图3为相同掺量下不同相变层厚度墙体的传热变化情况,从图中可以看出,7 h～14 h区间电热板加热温度不断升高,11 h前,墙体B面温度变化不大,之后测点温度开始攀升,O型墙温度攀升速率和温度峰值要高于其他墙体,从材料组成上看,其他墙体中使用相变微胶囊替代了部分细骨料,相变材料吸收了大量热,发生固-液相变现象,降低了其温度峰值,延缓了热量向墙体另外一侧的传递,证明相变墙体的热惰性胜于普通混凝土墙体。对比O-Ⅰ型墙、O-Ⅱ型墙和Ⅲ型墙,三种类型墙体中相变微胶囊掺加量相等,O-Ⅰ型墙相变夹层厚度最小,测点温升速率0.255℃/h和温度峰值28.1℃均较大,18 h之前Ⅲ型和O-Ⅱ型墙的温升速率差别不大,18 h之后O-Ⅱ型墙的温升速率0.126℃/h,温度峰值27.4℃,均最小,这很可能是因为在加热升温过程中Ⅲ型墙体中PCM更快达到相变温度,石蜡液化,部分孔隙被石蜡填充,热量传导从空气导热变为液态石蜡导热,而空气导热系数小于石蜡,导致Ⅲ型墙体导热系数大于O-Ⅱ型墙。

图3 不同相变层厚度下墙体的传热变化

与O型墙相比,升降温阶段三种不同类型相变墙体的温升/温降速率、温度峰值/谷值以及其延迟时间如表3所示,O-Ⅰ型墙、O-Ⅱ型墙和Ⅲ型墙B面温度峰值降幅分别为0.2℃、0.8℃和0.7℃,温度谷值升幅分别为0.1℃、0.3℃和0.2℃,其温降速率均低于O型墙,内部PCM将吸收的热量缓慢释放出来,温度峰值/谷值出现的延迟时间基本是0.4 h、2.9 h和1.8 h,O-Ⅱ型墙总体热工性能表现最为优异。可见,在相同墙体厚度和等量相变材料的情况下,相变层位置分布和厚度的不同,相变材料储热性能会直接表现出时空差异。本次试验墙体的厚度为100 mm,不同厚度墙体的表现可能存在一定的差异。

表3 不同类型墙体测点平均温度变化

O-Ⅱ型墙与O-Ⅱ-O型墙的根本区别在于相变夹层所处位置的不同,O-Ⅱ型墙相变夹层处于墙体内侧,O-Ⅱ-O型墙相变夹层位于墙体中间。相变夹层置于墙体外侧及中间时,加热时将热量传递给相变夹层,一旦达到相变温度,PCM开始液化,待夹层相变材料全部液化,热量继续向墙体B面传递。图4为两类墙体传热变化曲线,从图中可以明显看出,18 h之前两者差异不大,18 h之后O-Ⅱ-O型墙升温速率明显大于O-Ⅱ型墙,温度峰值差值0.5℃左右,说明相同掺量和夹层厚度情况下,相变夹层位于墙体内侧时的热工性能要优于墙体中间。

图4 相变夹层位置对墙体传热变化的影响

2.2 相变混凝土抗压强度分析

依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)的规定,对所有类型的相变混凝土墙体留置的试块,在相应龄期内进行抗压强度试验。经过换算得到的标准立方体抗压强度值如图5所示,可以看出,随着养护龄期的增大,抗压强度值均有所提高,但O型混凝土强度值明显高于其他类型的混凝土强度,3 d、7 d和28 d抗压强度的最大差值分别为4.4 MPa、6.5 MPa和12.3 MPa,说明无论是混凝土硬化的早期还是后期,PCM的掺入都在一定程度上削弱了其抗压强度,主要原因是,与被替代的细骨料相比,掺入的相变微胶囊强度和弹性模量都较低,且在混凝土配制过程中的振捣搅拌等,使得相变微胶囊存在破碎和结团的现象,其较大的比表面积又要求较高的用水量。

图5 相变混凝土标准立方体抗压强度

与O型混凝土相比,28 d龄期时其他四类相变混凝土抗压强度分别下降了14.2%、29.8%、41.4%和44.7%,此时仅有O-Ⅱ型混凝土满足设计强度等级C20的要求。可见,探寻出一种能普遍保证混凝土强度要求的新型相变材料至关重要。若单独隔离出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类混凝土,其PCM的掺量依次减小,分别为20%、10%和5%,在相同龄期下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类混凝土的抗压强度应依次增大。所以,与O类混凝土组合后,同一龄期下O-Ⅱ型混凝土的抗压强度高于O-Ⅰ型。3 d龄期时O-Ⅱ型与Ⅲ型混凝土强度仅相差0.5 MPa,7 d龄期时两者相差1.5 MPa,28 d龄期时O类混凝土的强度优势得以发挥,强度差值接近5 MPa。

3 结 论

(1) 相同PCM掺量,O-Ⅰ型墙温升速率和温度峰值均较大,Ⅲ型墙体导热系数大于O-Ⅱ型墙。

(2) 相同PCM掺量和夹层厚度情况下,O-Ⅱ-O型墙升温速率明显大于O-Ⅱ型墙,相变夹层位于墙体中间位置时,热工性能要稍逊一筹,O-Ⅱ型墙热工性能表现最为优异。

(3) 与O型混凝土相比,同一龄期下其他四类相变混凝土抗压强度均有所降低,同一龄期下混凝土的抗压强度大小顺序为:O型>O-Ⅱ型>Ⅲ型>O-Ⅱ-O型>O-Ⅰ型,28 d龄期时仅有O-Ⅱ型混凝土满足设计强度等级的要求。