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張  源1，胡自成1，葛風(fēng)華1，王-漾1，何嘉鵬2

（1．江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2．南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京210009）

[摘要]本文選用1種典型結(jié)構(gòu)的混凝土空心砌塊以及常用的相變材料( PCM)，提出1種復(fù)合PCM空心砌塊的制作方法，將PCM放入空心砌塊內(nèi)的不同厚度位置制成多種形式的復(fù)合砌塊，采用變溫?zé)嵯浞▽?duì)不含PCM及含有PCM的空心砌塊墻體進(jìn)行了多組不同溫度條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了各墻體熱工性能差異的原因。研究結(jié)果表明：含PCM空心砌塊墻體的溫度衰減量、衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間均較不合PCM、相同結(jié)構(gòu)的空心砌塊墻體顯著增加；若能保持墻體中PCM的溫度始終沒(méi)有超越其相變溫度區(qū)間，則可使復(fù)合PCM空心砌塊墻體達(dá)到較好的非穩(wěn)態(tài)熱工性能。

  [關(guān)鍵詞]相變材料；空心砌塊；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；熱工性能；實(shí)驗(yàn)分析  [中圖分類(lèi)號(hào)] TU55+1.1  

0  引  言

 由于建筑能耗的逐年上升，建筑節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)今世界的熱門(mén)研究領(lǐng)域之一；同時(shí)，人們對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的要求也在逐年提高。解決上述問(wèn)題的傳統(tǒng)方法之一，是向建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)放入一定量的絕熱材料，以達(dá)到建筑節(jié)能的目的。然而，盡管傳統(tǒng)的絕熱材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)值，可以有效減少通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流，但同時(shí)也具有較低的比熱容值；另外，傳統(tǒng)絕熱材料還具有火災(zāi)安全隱患，不能做到與建筑同壽命（有機(jī)保溫材料的使用壽命大多

為10～20 a）等。因此，人們開(kāi)始尋找新的、更好的建筑節(jié)能方式。

 將相變材料( PCM)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)就是極具潛力的方法之一。通過(guò)合理利用PCM的相變潛熱，可以大幅度增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱容量，起到蓄能的作用，從而使夏季進(jìn)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量?jī)?chǔ)存于PCM中，待到夜間室外溫度較低時(shí)，再由PCM放熱，將一部分熱量放回至室外；這樣，在一天之中進(jìn)入室內(nèi)的熱流將顯著減少，并且，白天進(jìn)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)的峰值熱流也因?yàn)镻CM的衰減和延遲作用而以較低的峰值、較長(zhǎng)的延遲時(shí)間，于傍晚甚至夜間才進(jìn)入室內(nèi)，而此時(shí)的室內(nèi)冷負(fù)荷已較低，并且處于峰谷電價(jià)的谷時(shí)時(shí)段，有利于提高室內(nèi)熱舒適度和節(jié)約電費(fèi)。

 目前，有很多學(xué)者對(duì)向圍護(hù)結(jié)構(gòu)中放入PCM層后的熱工性能進(jìn)行了研究。Aelenei采用一種新型的光伏板與PCM板墻體結(jié)構(gòu)的建筑在冬季氣候條件下的運(yùn)用效果進(jìn)行了計(jì)算和測(cè)試，結(jié)果表明，該種墻體結(jié)構(gòu)可以節(jié)約10%電能、具有12%的熱效率，并且整個(gè)系統(tǒng)的效率可以達(dá)到20%。Ahmed將PCM（石蠟）放入用于冷藏儲(chǔ)物的卡車(chē)拖車(chē)的箱體壁體中。測(cè)試表明，當(dāng)各朝向的壁體均使用PCM時(shí)，進(jìn)入箱體的熱流率的峰值平均降低29.1%；對(duì)于單一朝向的壁體來(lái)說(shuō)，熱流率可降低11.3%~43.8%；每天進(jìn)入箱體的熱流率可降低16.3%。Alqallaf對(duì)某含有PCM的混凝土屋頂板的熱工性能進(jìn)行了分析。測(cè)試表明，所用的PCM越多，所減少的得熱量也越多；并且得熱量受到PCM的熔化溫度的影響。Bontemps將PCM應(yīng)用于一個(gè)雙箱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)箱的隔墻中，將實(shí)驗(yàn)箱放于當(dāng)?shù)氐湫偷氖彝猸h(huán)境條件下。結(jié)果表明，使用了PCM的實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的溫度波動(dòng)顯著小于不使用PCM的情況。Borreguero對(duì)含PCM的石膏板進(jìn)行了熱工性能測(cè)試。結(jié)果表明，石膏板中PCM的含量越高，石膏板的蓄熱能力就越強(qiáng)，同時(shí)，墻體內(nèi)溫度波動(dòng)的幅度也越��；另外，板內(nèi)的PCM含量每增加5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在保持相同熱工性能的情況下，石膏板的厚度可以減少8.5%。Cabeza建造了具有實(shí)際尺寸的混凝土房間，房間的南、西向墻及屋頂含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PCM，且房間暴露于自然環(huán)境條件下。結(jié)果表明，含PCM的墻體的熱惰性顯著高于不含PCM的墻體，且含PCM的墻體具有更低的內(nèi)表面溫度（降低了0~2℃）；相變墻使得峰值熱流轉(zhuǎn)移了約2 h。Castell用2種傳統(tǒng)的多孔磚分別砌筑了含有PCM與不含PCM的具有實(shí)際尺寸的房子，在西班牙典型的氣候條件下進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，PCM使得室內(nèi)峰值溫度降低了約0.9℃與0. 73 0C，并且，

室內(nèi)用能量減少了約15%與17%。

 由以上的研究可以看到，含有PCM的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更好的熱工性能；目前對(duì)于PCM傳熱的研究大多基于單層平壁的一維傳熱過(guò)程。然而，PCM以單獨(dú)層的形式存在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，具有易損壞、易泄露、占用圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度等缺點(diǎn)。當(dāng)前，有很多地區(qū)的建筑普遍采用空心磚或空心砌塊墻體。若將PCM放置于空心磚或空心砌塊的孔中，則可以在保持較好熱工性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化施工步驟、避免這些不利因素的影響。

 鑒于上述原因，本文選用一種典型結(jié)構(gòu)的混凝土空心砌塊以及常用的PCM（癸酸）研制成復(fù)合PCM空心砌塊，并將PCM放入空心砌塊內(nèi)的不同厚度位置制成多種形式的復(fù)合砌塊，采用變溫?zé)嵯浞▽?duì)不含PCM以及含有PCM的空心砌塊墻體進(jìn)行了多組不同溫度條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將含有PCM空心砌塊墻體與不含PCM空心砌塊墻體的熱工性能、以及PCM處于不同厚度位置的空心砌塊墻體的熱工性能進(jìn)行了比較，并分析了墻體熱工性能差異的原因，為復(fù)合PCM空心砌塊的研制及相應(yīng)墻體的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)參考。

1  復(fù)合PCM空心砌塊的研制

1.1  坐漿法封底

 采用規(guī)格為390 mm×190 mm×190 mm的某典型輕集料混凝土空心砌塊，如圖1a所示。為了確保PCM放入空心砌塊孔中后不發(fā)生泄露，采用坐漿法對(duì)空心砌塊下底面相應(yīng)孔端進(jìn)行封閉抹平處理。方法如下：

 1)將玻璃板置于試件制備平臺(tái)上，其上鋪設(shè)一張濕墊紙，紙上鋪設(shè)一層厚度不超過(guò)5 mm的用強(qiáng)度等級(jí)為32.5的普通硅酸鹽水泥調(diào)制成的稠度適宜的水泥凈漿；

 2)將砌塊的下底面在水中浸泡10~20 min并滴水3～5 min后，將砌塊下底面平穩(wěn)坐放在水泥漿上，在上底面稍加壓力，使整個(gè)水泥層與砌塊下底面相互粘結(jié)，同時(shí)在加壓粘結(jié)的時(shí)候注意確保砌塊的側(cè)面垂直于玻璃板平面；

 3)將砌塊連同水泥漿放置于20 0C左右的不通風(fēng)的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7d后，完成砌塊下底面孔端的封閉抹平處理。制成后砌塊的底面情況如圖1b所示。

1.2  孔內(nèi)的PCM

  用坐漿法對(duì)砌塊下底面相應(yīng)孔端進(jìn)行封閉抹平處理后，向砌塊不同排所封閉的孔中分別放入PCM材料（癸酸），放置過(guò)程如下：

 1)放人邊孔內(nèi)的PCM

 考慮到邊孔的體積較小(5. 32×10-4m3)，并且坐漿法會(huì)有少量水泥漿溢入孔中，同時(shí)應(yīng)確保PCM具有相對(duì)足夠的量；另外，由于砌塊邊孔的厚度為20 mm，PCM熔化后不會(huì)產(chǎn)生明顯的對(duì)流效應(yīng)，因此稱(chēng)取質(zhì)量為0. 314 kg純PCM固體，將其熔化并倒入孔中后凝固。制成砌塊如圖2a所示。

 2)放人中孔內(nèi)的復(fù)合PCM

 為了便于比較，向砌塊中孔內(nèi)放入與邊孔內(nèi)相同質(zhì)量的PCM (0. 314  kg)。不同的是，中孔內(nèi)的材料由0. 314 kg PCM、0.416 kg石膏以及300 ml水混合制成石膏基復(fù)合PCM。制成的砌塊如圖2b所示。

 圖3為用于實(shí)驗(yàn)的4種砌塊示意圖（圖中的陰影部分為PCM），它們是：不含PCM的砌塊（砌塊1)、PCM在靠近左表面（將砌塊墻體的左側(cè)作為室外側(cè)，右側(cè)作為室內(nèi)側(cè)）的一排孔內(nèi)的砌塊(砌塊2)、PCM在中間一排孔內(nèi)的砌塊（砌塊3）、PCM在靠近右表面的一排孔內(nèi)的砌塊（砌塊4）。將PCM放在砌塊內(nèi)不同排的孔中，并以不含PCM的砌塊作為參照，分析PCM復(fù)合空心砌塊的熱工性能。實(shí)驗(yàn)所用的混凝土砌塊的骨料為輕集料混凝土，其密度為1 600 kg/m3，比熱為600 J/( kg - K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0. 62 W/(m．K)（物性參數(shù)均為測(cè)試得到）；所用PCM是癸酸，其物性參數(shù)如表1所示。

2  實(shí)驗(yàn)方法

2.1  實(shí)驗(yàn)方法

 本研究的實(shí)驗(yàn)采用變溫?zé)嵯浞ㄟM(jìn)行。在墻體兩側(cè)制造不同的溫度環(huán)境，利用均勻分布的熱電偶得到墻面各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況，所得數(shù)據(jù)由建筑熱工巡回檢測(cè)儀記錄。實(shí)驗(yàn)墻體及實(shí)驗(yàn)裝置如圖4、圖5所示。墻面的熱電偶布置情況如圖6所示：實(shí)驗(yàn)墻體的左、右兩表面各布置9個(gè)熱電偶，以測(cè)試墻體兩表面的溫度變化情況（由于灰縫所占?jí)γ娴拿娣e較小，且其導(dǎo)熱系數(shù)與混凝土砌塊材料較為接近，因此，溫度測(cè)點(diǎn)盡量避開(kāi)灰縫處，均粘貼在墻體中部的空心砌塊位置處）；另外，在左、右箱的空間中央處各懸掛有2個(gè)熱電偶，以測(cè)試左、右兩側(cè)空氣溫度的變化。

2.2  實(shí)驗(yàn)條件

 實(shí)驗(yàn)中，左箱和右箱均被絕熱材料包裹。為了研究PCM處于空心砌塊內(nèi)的不同厚度位置時(shí)各墻體在不同變化幅度的邊界溫度區(qū)間影響下的熱工性能，選取如表2所示的4個(gè)左側(cè)邊界溫度區(qū)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每種砌塊墻體均在該4個(gè)邊界溫度區(qū)間條件下（左箱內(nèi)的熱條件）各進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)。為了去除干擾因素，更加精確地研究各墻體在不同左邊界條件下的熱響應(yīng)，墻體右側(cè)（右箱內(nèi)的熱條件）為絕熱、封閉但不控溫的空間。墻體左、右兩側(cè)均為對(duì)流熱邊界條件。實(shí)驗(yàn)前，經(jīng)多次測(cè)試，墻體左、右表面的對(duì)流換熱系數(shù)分別穩(wěn)定在20.0 W/( m2．K)與11. 0 W/( m2  K) 。

2.3  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度

 實(shí)驗(yàn)中需要用到的主要裝置有：左／右箱、溫控儀、數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶、制冷與加熱裝置等。其中，左／右箱箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)≤±0.5℃，箱體熱損失< 5%。由于所測(cè)得的數(shù)據(jù)為逐時(shí)溫度值，因此唯一影響測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的裝置是熱電偶。該熱電偶為T(mén)型熱電偶，其測(cè)量范圍為- 50~100 0C，精度等級(jí)為0.2級(jí)，分辨率為0.1℃，不確定度≤±0.5℃。所以，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度≤±0.5℃。

3熱工分析

 圖7、圖8分別為圖3所示的各砌塊處于表2所示的不同邊界溫度區(qū)間下的表面溫度變化情況以及衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間曲線。各實(shí)驗(yàn)砌塊的溫度衰減量、衰減倍數(shù)、延遲時(shí)間數(shù)值如表3所示。

由圖7、圖8及表3可以看到，對(duì)于各砌塊墻體的4組實(shí)驗(yàn)，含有PCM的各砌塊墻體（砌塊2—砌塊4）的溫度衰減量、衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間均明顯大于不含PCM的砌塊（砌塊1），含有PCM砌塊墻體的溫度衰減量普遍比不含PCM的砌塊墻體增加1.5~5.0 0C，衰減倍數(shù)增加1.0~2.5，延遲時(shí)間增加0.5~3.0 h。這表明PCM的使用發(fā)揮了其相變蓄能作用，增大了墻體的熱容值，這對(duì)墻體非穩(wěn)態(tài)熱工性能的提升具有顯著效果。另外還可以看到，隨著邊界溫度區(qū)間寬度的逐漸增大，各砌塊墻體的衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間總體呈緩慢下降的趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是：1）對(duì)于各砌塊中的空氣間層來(lái)說(shuō)，由于邊界溫度區(qū)間寬度的增大在一定程度上增加了孔內(nèi)冷、熱表面間的溫度差，這樣就增強(qiáng)了孔內(nèi)的對(duì)流與輻射傳熱，使整個(gè)墻體的熱工性能有所下降，從而使其衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間也有所減��；2)對(duì)于有PCM的砌塊，當(dāng)外界環(huán)境使墻體中PCM的溫度沒(méi)有超越其相變溫度區(qū)間時(shí)（PCM沒(méi)有完全相變），PCM墻體可以達(dá)到較好的非穩(wěn)態(tài)熱工性能；當(dāng)邊界溫度區(qū)間寬度的增大使這些砌塊中PCM位置的溫度逐漸超越了PCM熔化、凝固溫度區(qū)間，此時(shí)，PCM的相變過(guò)程已結(jié)束，也就是說(shuō)，其潛熱量已用盡，只能依靠相變之后的液體或者固體的顯熱來(lái)發(fā)揮作用，由于PCM的顯熱值比其潛熱值至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此相變結(jié)束后墻體的熱工性能大打折扣，PCM的作用隨著邊界溫度區(qū)間寬度的增大逐漸減弱，這也使墻體的衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間有所降低。

砌塊2墻體與砌塊4墻體的溫度衰減量、衰減倍數(shù)與延遲時(shí)間相差無(wú)幾、互有高低。

4  結(jié)  論

 本文選用一種典型結(jié)構(gòu)的混凝土空心砌塊以及常用的PCM（癸酸）研制成復(fù)合PCM空心砌塊，并將PCM放入空心砌塊內(nèi)的不同厚度位置制成多種形式的復(fù)合砌塊，采用變溫?zé)嵯浞▽?duì)不含PCM以及含有PCM的空心砌塊墻體進(jìn)行了多組不同溫度條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將含有PCM空心砌塊墻體與不含PCM空心砌塊墻體的熱工性能、以及PCM處于不同厚度位置的空心砌塊墻體的熱工性能進(jìn)行了比較，并分析了墻體熱工性能差異的原因，為復(fù)合PCM空心砌塊的研制及相應(yīng)墻體的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)參考。通過(guò)本文的分析，得到如下結(jié)論：

 1)介紹了一種復(fù)合PCM空心砌塊的制作方法；該方法簡(jiǎn)便易行，是制作復(fù)合PCM空心砌塊的有效方法。

 2)含有PCM的空心砌塊墻體的非穩(wěn)態(tài)熱工性能均明顯高于不含PCM的相同結(jié)構(gòu)的空心砌塊墻體（在本文的研究中，含有PCM空心砌塊墻體的溫度衰減量增加1.5~5.0℃，衰減倍數(shù)增加1.0~

2.5．延遲時(shí)間增加0.5~ 3.0 h）。

 3)若可以保持墻體中PCM的溫度始終沒(méi)有超越其相變溫度區(qū)間，則可以使復(fù)合PCM空心砌塊墻體達(dá)到較好的非穩(wěn)態(tài)熱工性能。