用于建筑节能形状稳定相变材料的设计与应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240173

摘要/Abstract

摘要：

相变储能材料具有储能密度大、性能稳定、可循环使用和对环境友好等优点，在建筑领域具有广阔的应用前景。以棕榈酸甲酯-月桂酸共熔相变材料为研究对象，以白炭黑、十二醇作为稳定剂，以氢化聚苯乙烯-丁二烯-聚苯乙烯（SEBS）作为支撑材料，研究不同原料配比对相变材料的相变温度和相变潜热的影响规律，并采用微胶囊技术将棕榈酸甲酯-月桂酸共熔相变材料与磷石膏建筑材料相结合，制作相变模拟房间，探究其在建筑领域的应用可行性。研究结果表明， m（棕榈酸甲酯）∶m（月桂酸）=6∶4时，其相变温度为24.5~28.5 ℃和相变潜热为172.0 kJ/kg均适用于建筑领域；相变材料熔融过程中的原始相变焓为172.0 kJ/kg，200次循环后变为167.3 kJ/kg，导热系数为0.256 W/（m·K）；没有添加相变材料的模拟房间在红外灯模拟太阳光照射下无论是升温还是降温均要比加入有机共熔相变材料的模拟房间要快，相变储能材料的掺入对建筑室内温度具有明显的调控效果。

关键词: 建筑节能, 相变材料, 微胶囊技术, 温度调控

Abstract:

Phase change energy storage materials have advantages such as high energy storage density， stable performance， recyclability and environmental friendliness， making them promising for wide applications in the field of construction. This paper focuses on the research of palm oil methyl ester-lauric acid eutectic phase change materials with white carbon black and dodecanol as stabilizers and SEBS as supporting materials. It investigates the influence of different material ratios on the phase transition temperature and latent heat of the phase change materials. Additionally， microencapsulation technology is employed to combine the palm oil methyl ester-lauric acid eutectic phase change materials with gypsum building materials， creating a phase change simulation room to explore its feasibility in the construction field. The research results show that when m （methyl palmitate）∶m（lauric acid）=6∶4， the phase transition temperature is 24.5~28.5 ℃ and the latent heat of phase transition is 172.0 kJ/kg， both of which are suitable for the construction field； The original enthalpy of phase change during the melting process of phase change materials is 172.0 kJ/kg， which changes to 167.3 kJ/kg after 200 cycles， and the thermal conductivity is 0.256 W/（m·K）； The simulated room without adding phase change materials heats up and cools down faster under simulated sunlight from infrared lamps than the simulated room with organic eutectic phase change materials. The addition of phase change energy storage materials has a significant regulating effect on indoor temperature in buildings.

Key words: Building energy conservation, Phase change materials, Microencapsulation technology, Temperature regulation

中图分类号:

O621

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图/表 16

表1 无机相变材料配比

Table 1 Inorganic phase change material raw material ratio

No	m（raw material）/g∣w（raw material）/%
No	Na₂SO₄·10H₂O	Na₂HPO₄·12H₂O	KCl	CMC	Deionized water	Graphite
1	2.100∣19.4	6.303∣58.2	0.427∣3.9	0.500∣4.6	1.000∣9.2	0.500∣4.6
2	2.000∣20.1	6.000∣61.3	0.500∣5.1	0.090∣0.9	0.700∣7.2	0.500∣5.1
3	2.500∣23.2	6.500∣60.4	0.500∣4.6	0.070∣0.7	0.700∣6.5	0.500∣4.6

表2 有机相变材料原料配比

Table 2 Organic phase change material raw material ratio

No	m（raw material）/g∣w（raw material）/%
No	C₁₇H₃₄O₂	C₁₂H₂₄O₂	C₁₂H₂₆O	SiO₂	SEBS
1	1∣9.6	9∣86.5	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
2	2∣19.2	8∣77.0	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
3	3∣28.9	7∣67.3	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
4	4∣38.5	6∣57.7	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
5	5∣48.1	5∣48.1	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
6	6∣57.7	4∣38.5	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
7	7∣67.3	3∣28.9	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
8	8∣77.0	2∣19.2	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9
9	9∣86.5	1∣9.6	0.1∣1.0	0.1∣1.0	0.2∣1.9

表3 相变包覆材料的原料配比

Table 3 Material ratio of phase change encapsulation materials

No	Wax melting point/℃	m（raw material）/g∣w（raw material）/%
No	Wax melting point/℃	Wax	SEBS
1	20	16∣80.0	4∣20.0
2	32	16∣80.0	4∣20.0
3	48	16∣80.0	4∣20.0

表4 模型砖原料配比

Table 4 Raw material ratio of model bricks

No	m（raw material）/g∣w（raw material）/%		Phase change material （piece）	m（raw material）/g∣w（raw material）/%		Phase change material （piece）
No	CaHPO₄·0.5H₂O	Deionized water	Phase change material （piece）	CaHPO₄·0.5H₂O	Deionized water	Phase change material （piece）
1	18.0∣57.1	13.5∣42.9	0	149.4∣57.1	112.1∣42.9	0
2	15.5∣57.2	11.6∣42.8	4	128.7∣57.2	96.3∣42.8	33
3	14.2∣57.0	10.7∣43.0	6	117.9∣57.0	88.8∣43.0	50
4	12.9∣56.8	9.8∣43.0	8	107.1∣56.8	81.4∣43.2	67

表5 不同原料配比的相变材料相变温度及相变潜热

Table 5 Phase transition temperature and latent heat of phase change materials with different raw material ratios

No	m（raw material）/g∣w（raw material）/%		Phase transition temperature/℃	Latent heat of phase transformation/（kJ·kg^-1）
No	C₁₇H₃₄O₂	C₁₂H₂₄O₂	Phase transition temperature/℃	Latent heat of phase transformation/（kJ·kg^-1）
1	1∣9.6	9∣86.5	34.5~41.5	187.0
2	2∣19.2	8∣77.0	31.0~37.5	184.0
3	3∣28.9	7∣67.3	28.0~36.0	181.0
4	4∣38.5	6∣57.7	26.5~33.5	178.0
5	5∣48.1	5∣48.1	25.5~32.0	175.0
6	6∣57.7	4∣38.5	24.5~28.5	172.0
7	7∣67.3	3∣28.9	23.5~27.5	169.0
8	8∣77.0	2∣19.2	21.5~24.5	166.0
9	9∣86.5	1∣9.6	/	163.0

图1 样品凝固降温曲线A. Corresponds to Group 1； B. Corresponds to Group 2； C. Corresponds to Group 3； D. Corresponds to Group 4； E. Corresponds to Group 5； F. Corresponds to Group 6； G. Corresponds to Group 7； H. Corresponds to Group 8

Fig.1 Sample solidification cooling curve

图2 热循环试验后相变材料的DSC曲线

Fig.2 DSC curve of phase change materials after thermal cycling test

表6 不同热循环次数后相变材料的热性能

Table 6 Thermal performance of CCTPF-PW after different cycles

Phase change materials	Number of cycles/frequency	Latent heat/（kJ·kg^-1）
C₁₇H₃₄O₂-C₁₂H₂₄O₂	0	172.0
	100	169.6
	200	167.3

表7 相变材料的导热系数

Table 7 Thermal conductivity of phase change materials

Samples	λ/（W·m^-1·K^-1）
SiO₂·nH₂O	0.075
C₁₇H₃₄O₂-C₁₂H₂₄O₂	0.256
C₁₇H₃₄O₂-C₁₂H₂₄O₂/SiO₂	0.145

图3 包覆材料的凝固降温曲线

Fig.3 Solidification and cooling curve of coating material

图4 包覆材料的切片接触角

Fig.4 Slice contact angle of coating material

图5 包覆材料的切片图

Fig.5 Slice diagram of coating material

图6 40 ℃下包覆与不包覆相变材料形状稳定情况A. Represents the melting state of phase change materials； B. The unmelted state of the coating material

Fig.6 Shape stability of coated and uncoated phase change materials at 40 ℃

图7 模拟房间内温度随时间的变化

Fig.7 Simulation of the variation of temperature in a room over timeNote： Red， blue， green， and purple respectively represent the temperature changes over time in a simulated room constructed with no added phase change material bricks， 4 added small ball phase change material bricks， 6 added small ball phase change material bricks， and 8 added small ball phase change material bricks

图8 在40 ℃下模拟砖块表面泄漏情况A. The brick with added uncoated phase change material； B. The brick with added coated phase change material

Fig.8 Simulation of leakage on the surface of bricks at 40 ℃

图9 在40 ℃下模拟砖块内部相变材料稳定情况A. The brick with added uncoated phase change material； B. The brick with added coated phase change material

Fig.9 Simulation of the stability of phase change materials inside bricks at 40 ℃

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