CN103669622A - 一种各向异性相变储能复合板 - Google Patents
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Abstract
本发明一种各向异性相变储能复合板，其特征在于由相变层（3）和绝热层（4）组成；其中相变层（3）由相变材料和胶凝材料混合后制成的，绝热层（4）由与相变层（3）相同胶凝材料制成的。相变层和绝热层均可制作成实心或者发泡形式，以适应外保温或者内保温的实际需求，使其效果发挥至最大化。复合板的安装位置及复合板中相变层的朝向决定了其应用方向，复合板用于外保温时，相变层朝向室外，能更快地对环境热扰进行缓冲，降低相变材料在降温放热阶段热量向室内迁移的速率，以减小夜间室内制冷负荷；用于内保温时相变层朝向室内，则能提高室内蓄冷蓄热效率。经优化后的相变储能复合板能较大地提高建筑围护结构的热惰性和室内能量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料、功能材料领域，尤其涉及一种各向异性相变储能复合板。
技术背景
相变储能材料因其相变时具有蓄放热这一特性使得其在建筑节能领域具有广阔的应用前景。为实现相变储能材料的节能效果，普遍的做法是将相变储能材料与其它胶凝材料掺混或者吸附制成复合板，以满足建筑工程的要求。作为一种非常规的墙体围护材料，使用相变储能复合型墙体是满足建筑节能需求的重要技术手段。保温墙体根据保温层的位置主要分为：外保温、内保温和夹芯保温。相变储能复合板根据实际需求可适用于上述三种保温方式。通常，适用外保温的相变储能复合板用于冬季太阳能蓄热或夏季隔热，即：冬季白天吸收辐射热，晚上环境温度低于相变温度时放出热量，提高建筑物的热惰性。而夏季吸收太阳辐射热，延缓室内温度升高，对进入室内的热量起到缓冲作用，间接提高建筑围护结构的隔热性能；适用内保温的相变储能复合板则通常用于室内主动蓄冷及蓄热，提高建筑的能量利用率及舒适度；而适用于夹芯保温的则介于两者之间。然而，不管何种类型的相变储能复合板，相变材料在其内部皆为均匀分布，根据传热学规律，在复合板吸收外界或室内热量后，在放热阶段的放热方向是双向的，以相变复合板内保温室内主动蓄冷为例，当相变墙体吸收足够冷量之后，在室内温度升高时释放冷量，而释放过程是双向的，向室内释放的同时也向外墙释放，由此造成的结果是蓄冷利用率较低。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统相变复合板上述缺点，而提出一种相变材料在基体材料中非均匀分布的复合板类型，即各向异性相变储能复合板，能较大地提高建筑围护结构的热惰性和室内能量利用率。
本发明的技术方案为：一种各向异性相变储能复合板，其特征在于由相变层3和绝热层4组成；其中相变层3由相变材料和胶凝材料混合后制成的，绝热层4由与相变层3相同胶凝材料制成的；其中相变层3与绝热层4的厚度比为1：（1～5）。
优选所述的相变材料为月桂酸、癸酸、棕榈酸或石蜡其中的一种或几种。所述的胶凝材料为石膏或水泥。
优选相变层3中相变材料与胶凝材料的质量比为1：（4～10）。
相变层由相变材料与胶凝材料混合后可以做成实心或发泡的形式。
绝热层可以由胶凝材料制成实心或发泡的形式。
本发明所述材料的制备方法为：1）.将相变材料与胶凝材料混合搅拌均匀后，不经发泡处理或经发泡处理后倒入模具成型，制备得到相变层3。由于相变层3与绝热层4的厚度之比为1：1至1：5，因此相变层或绝热层在模具中均不占满整个模具。
2）.将与相变层3相同的胶凝材料不经发泡或经过发泡处理之后倒入模具，覆盖在相变层3之上，制成绝热层4。由于胶凝材料本身具有粘接性，相变层3与绝热层4之间无需经过额外粘接处理即有力学性能。
相变层和绝热层在同一模具中制得，因此相变层或绝热层单独在模具中均不占满整个模具。
以上步骤可以先制得相变层3再制得绝热层4，也可以先制得绝热层4再制得相变层3，制备的先后顺序不影响复合板的基本性能。
该复合板分成二层，经过二次成型而制成，其内部相变材料偏向一侧，密度分布不均匀，另一侧无相变材料。根据实际应用要求，无相变材料那一侧的基体材料可以是实心也可以是发泡处理，有相变材料那一侧的基体材料可以是实心材料也可以发泡处理。该板与相变材料掺量相同的传统相变板相比具有更优异的隔热性能和室内能量利用率。
其原理及技术方案如下：根据傅立叶导热定律：q=-λ(dt/dx)，导热系数λ一定时，温度梯度dt/dx越大则热流密度越大，传热越强。基于这个规律并结合相变材料的特殊热物理性质，对传统相变储能复合板（即相变材料在基体材料中均匀分布的情况）的传热过程进行分析，并作出优化。
通常相变储能复合板用于内保温时，其主要作用是室内蓄冷或蓄热，以达到减小室内温度波动、节约用电能耗的目的。通常在相变复合板积蓄足够能量后，在室内发生变化时，相变板在适当的温度发生相变释放所储蓄的能量，而这个能量的释放过程是双向的，向室内释放的同时也向外释放。一方面，由于相变板用于内保温时本身的温度接近室温，其与室温的温度梯度小于其与外墙的温度梯度，根据傅立叶导热定律中温度梯度是导热推动力这一规律，相变板在放热时，向室内放热的热流将小于向外墙放热的热流；另一方面，相变板放热时其与空气的热量交换属于对流换热，而相变板与墙体的热量交换属于接触传热即热传导，通常情况下墙板与空气对流换热的速率小于接触传热。综合上述两个方面，相变板在相变放热时，向室内释放的热量将小于向外释放的热量，因此，相变材料分布均匀的相变储能复合板在积蓄一定热量后在其再次释放能量时效率较低。
相变复合板用于外保温时，通常用作保温材料起到冬夏季隔热的作用。以夏季为例，相变储能墙体在外界高温环境发生相变抵挡足够热量后，在放热阶段的放热方向也是双向的，即向外环境放热的同时也向内墙放热。对于日平均气温较低且昼夜温差较大的北方地区，外墙上应用相变墙体能提高建筑热惰性，降低建筑物内部温度波动幅度。对于日平均气温较高且昼夜温差较小的南方地区，相变墙体主要作用则是缓冲外界进入建筑内部的热量，减小热扰，通过相变的作用间接增大墙体热阻。然而，相变墙体昼间吸收的热量在夜间释放出势必会增大室内空调制冷负荷，显然，这部分积蓄的能量向室内释放得越少越快则越好。因而相变材料均匀分布的相变储能复合板无法克服该弱点。
需要指出的是，为了提高相变传热速率，降低多维传热，相变层通常可制成薄板状，越薄效果越好；一般制成3～5cm，根据尺寸大小和需要可稍作调整。
有益效果：
复合板用于外保温时，相变层朝向室外，能更快地对环境热扰进行缓冲，降低相变材料在降温放热阶段热量向室内迁移的速率，减小夜间室内制冷负荷；用于内保温时相变层朝向室内，则能提高室内蓄冷蓄热效率。经优化后的相变储能复合板能较大地提高建筑围护结构的热惰性和室内能量利用率，具有一定工程应用价值。
附图说明
图1为各向异性相变储能复合板示意图：1-基体材料；2-相变材料；3-相变层；4-绝热层；
图2普通相变复合板与实施例1所制备的各向异性相变复合板温度模拟值对比图；
图3普通板和实施例3所制备的各向异性板内表面温度曲线图。
具体实施方式
实施例1
采用石蜡相变储能材料与普通建筑石膏粉制备各向异性相变储能石膏板。在本实例中，复合板中绝热层为实心石膏板，相变层为石蜡与建筑石膏粉掺混制得的实心相变层。相变层与绝热层的厚度之比为1：5。相变层中所用相变材料为石蜡，其相变温度为28℃左右，在相变层中，相变材料与胶凝材料的质量比为1：4。称取石膏粉400，水220g，石蜡100g，混合搅拌后加入深度为3cm的模具中，制成厚度约为0.5cm实心相变层；再取石膏粉2000g，水1100g，混合搅拌均匀后加入模具中，覆盖于相变层之上作为绝热层。待相变层和绝热层硬化后，将凸出模具部分石膏切除，脱模制得石蜡各向异性相变储能复合板。该板可用作内保温也可用作外保温。
图2为通过有效热容法数值模型模拟得到的掺有相同含量石蜡的普通相变复合板与各向异性相变复合板在交变温度下内表面的温度响应曲线，尽管两者石蜡掺入量相同，但从图中可看出各向异性相变复合板在环境温度波动下其内表面最高温度低于均质相变板，表明了各向异性复合板有一定隔热性并间接体现其节能性。
实施例2
采用月桂酸相变储能材料与普通建筑石膏粉制备外保温用各向异性相变储能石膏板。在本实例中，复合板中绝热层为发泡石膏板，相变层为相变材料与建筑石膏粉掺混制得的发泡相变层。相变层与绝热层的厚度之比为1：1.9。相变层中所用相变材料为月桂酸，其相变温度为41℃左右，相变材料与胶凝材料的质量比为1：6.7。制备步骤如下：取建筑石膏粉300g，月桂酸固体粉末53g，混合后经发泡处理，倒入深度为5cm模具，制得厚度为1.7cm的发泡相变层。再取建筑石膏粉600g，经发泡处理后倒入模具，覆于相变层之上，并将凸出模具部分切除，制得厚度为3.3cm的发泡绝热层。硬化彻底后脱模制得厚度为5cm的内保温用各向异性相变储能石膏板。其中相变层与绝热层的厚度之比为1：1.9，该复合板用于外保温时，绝热层朝向室内，相变层朝向室外。经制得的各向异性复合板与普通板相比，在环境温度热扰下其内表面温度要低0.3-0.5℃，体现出更优异的热惰性与绝热性，因此该板用于外保温中能较好地提高建筑隔热性能，提高节能效率。
实施例3
采用月桂酸-癸酸二元相变材料与普通建筑石膏粉制备内保温用各向异性相变储能石膏板。在本实例中，复合板中绝热层为发泡石膏板制成，相变层为二元相变材料与建筑石膏粉掺混制得的实心复合层。相变层与绝热层的厚度之比为1：1。相变层中相变材料为月桂酸与癸酸熔化后混合制得，两者摩尔比为6：4，相变温度为28.3℃，相变层中相变材料与胶凝材料的质量比为1：9.2。称取普通建筑石膏粉1.2kg，水650g，二元相变材料130g，混合搅拌后加入深度为3cm的模具中，制成厚度约为1.5cm实心相变层；再取600g石膏粉，经发泡处理后作为绝热层覆盖在实心相变储能复合石膏板上，待发泡石膏充满整个模具后将凸出模具部分切除，硬化彻底后脱模制得厚度为3cm的内保温用各向异性相变储能石膏板。使用时，实心相变层朝向室内，绝热层朝向室外。
图3为月桂酸-癸酸二元相变材料掺量相同的普通板和各向异性复合板放到交变温度环境中实测得到的内表面温度曲线图。从实测结果可看出，各向异性板的内表面温度峰值要比普通板低0.5℃左右，表明通过各向异性板的热量较普通板少，能取得较好的节能效果。
需要指出的是，上述实施例仅用于说明本发明，其中所用材料，材料配比等等都可有所变化，凡是在本发明所提技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种各向异性相变储能复合板，其特征在于由相变层（3）和绝热层（4）组成；其中相变层（3）由相变材料和胶凝材料混合后制成的，绝热层（4）由与相变层（3）相同胶凝材料制成的；其中相变层（3）与绝热层（4）的厚度比为1：（1～5）。
2.根据权利要求1所述的各向异性相变储能复合板，其特征在于所述的相变材料为月桂酸、癸酸、棕榈酸或石蜡其中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的各向异性相变储能复合板，其特征在于所述的胶凝材料为石膏或水泥。
4.根据权利要求1所述的各向异性相变储能复合板，其特征在于相变层（3）中相变材料与胶凝材料的质量比为1：（4～10）。
5.根据权利要求1所述的各向异性相变储能复合板，其特征在于相变层由相变材料与胶凝材料混合后做成实心或发泡的形式。
6.根据权利要求1所述的各向异性相变储能复合板，其特征在于绝热层由胶凝材料制成实心或发泡的形式。
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20140326 |