（材料物理与化学专业论文）储能基元材料及调温节能混凝土的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文针对目前建筑使用过程中耗能过高，开展了储能基元材料及调温节 能混凝土的研究。制备了沸石基和颗粒型两种储能基元材料，以颗粒型储能 基元材料作功能组分制备了相变储能混凝；以石墨为导电功能基元材料制 备了电热混凝土，通过相变储能混凝土、电热混凝土和素混凝土三者复合， 制备了复合型调温节能混凝土。 在沸石基储能基元材料中，研究了吸附温度、搅拌时间和有机溶液浓度 等对相变储能材料含量的影响。运用x r d 、i r 、d s c 等对其进行了分析和性能 评价。结果表明：相变储能材料和沸石载体之间仅仅是简单的嵌合关系，沸 石基储能基元材料的相交温度有一定的降低，并且熔融峰交宽；对颗粒型储 能基元材料研究表明：多孔材料孔隙率、孔的连通性决定了其容纳相变储能 材料的最大量，孔径分布则影响相变储能材料渗入孔隙的速度，大孔分布多 的孔材料宜作为储能载体。孔径空间对相变储能材料的相变行为具有调节作 用，对比较纯的相变储能材料，该调节作用使得相交温度范围宽化，且随着 相变储能材料储藏量的增加，相变温度向高温区偏移，移动的幅度增大；对 于成分复杂的相交储能材料，多孔介质孔空间对其相变行为的调节作用比较 复杂，甚至会出现相反的变化规律。对颗粒型储能基元材料表面进行包覆， 有效降低了储藏在多孔介质中的相变储能材料渗漏，提高了其耐久性。 调温节能混凝土的研究表明：以颗粒型储能基元材料作为功能组分制备 的相变储能混凝土比热容有较大的提高，比热容增加了一倍多。颗粒型储能 基元材料同混凝土基体具有较好的相容性，它的加入延缓了混凝土块表面的 升温和降温速率，在保温曲线和隔热曲线上出现了拐点和恒温过程，且相变 点同样出现了随着硬脂酸丁酯含量的增加向高温区移动的现象，但相变储能 混凝土抗压强度较低，在冻融循环实验中有的出现了开裂。以石墨为导电功 能基元材料的电热混凝土虽然电阻率下降了几个数量级，变成了良导体，但 由于石墨的硬度小，磨擦系数小，同混凝土的其它原料结合性差，加之水灰 比增大，同样存在强度过低的问题，不适合在高强度领域应用；复合型调温 节能混凝土可以把电能作为能量来源，利用电价峰谷差，具有潜在实用价值， 拓宽节能建材的应用领域。 关键词：相变储能材料；储能基元材料；相变储能混凝土；电热混凝土； 调温节能 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t b a s e do nt h eo v e r - c o n s u m p t i o no fe n e r g yi nt h ec o n s t r u c t i o nf i e l d n o w a d a y s ，t h ee n e r g y - s t o r a g ee l e m e n t a r ym a t e r i a l sa n dt h e r m o - r e g u l a t i n ga n d e n e r g y - s a v i n gc o n c r e t ew e r es t u d i e di nt h ep a p e r t w ok i n d so fe n e r g y - s a v i n g e l e m e n t a r ym a t e r i a l s ，z e o l i t e b a s e da n dg r a n u l a t e d ，w e r ep r e p a r e d h e r e ，u s i n g g r a n u l a t e de n e r g y s a v i n ge l e m e n t a r ym a t e r i a l sa sf u n c t i o n a lc o m p o s i t et o m a k e p h a s e - c h a n g i n ge n e r g y - s t o r a g e c o n c r e t ea n d g r a p h i t e a s e l e c t r i c i t y c o n d u c t i v ee l e m e n t a r ym a t e r i a l st og e te l e c t r i c i t y h e a t i n gc o n c r e t e t h ec o m p o s i t et h e r m o r e g u l a t i n ga n de n e r g y - s a v i n gc o n c r e t ew e r ep r o d u c e d b ym i x i n gp h a s e c h a n g i n ge n e r g y - s t o r a g ec o n c r e t e ，e l e c t r i c i t y h e a t i n g c o n c r e t ea n dp l a i nc o n c r e t et o g e t h e r t h ef a c t o r si n c l u d ea b s o r p t i o n t e m p e r a t u r e ，s t i r r i n gt i m ea n do r g a n i c s o l u t i o n sc o n c e n t r a t i o ne t c ，w h i c hi n f l u e n c e t h ec o n t e n to fz e o l i t e b a s e d e n e r g y s t o r a g ee l e m e n t a r ym a t e r i a l s ，a r ea n a l y z e d i t sp r o p e r t i e sw e r e c h a r a c t e r i z e dv i ax r d ，i ra n dd s ce t c ，t h er e s u l t si n d i c a t e d ：也er e l a t i o n s h i p b e t w e e np c e m sa n dz e o l i t ev e c t o r si s s i m p l et a b l e ，t h ep h a s e c h a n g i n g t e m p e r a t u r eo fz e o l i t e - b a s e de l e m e n t a r ym a t e r i a l sg o e sd o w nal i t t l e ，a n d m e a n w h i l ei t sm e l t i n gp e a ki sg e t t i n gw i d e r 1 1 1 er e s u l t so fg r a n u l a t e dp c e m s s h o w n ：t h em a x i m u mc o n t e n to fp c e m sw a sd e t e r m i n e db yt h ep o r o s i t ya n dt h e p o r ec o n n e c t i v i t yo fp o r o u sm a t e r i a l s ，t h ei n f i l t r a t i o nv e l o c i t yo fp c e m sw a s d e c i d e db yt h ep o r o s i t ya n dp o r es i z ed i s t r i b u t i o n s o ，t h ep o r o u sm a t e r i a lw i t h m u c hb i g g e rh o l ei ss u i t a b l ef o rp c e m ss u p p o r t i n gm a t e r i a l a n dt h et u n i n g e f f e c to ft h ep o r o u ss t r u c t u r eo nt h ep h a s e - c h a n g i n gb e h a v i o r so fo r g a n i c p h a s e c h a n g i n gm a t t e r sa r ea n a l y z e d f o rr e l a t i v ep u r eo r g a n i cp h a s ec h a n g i n g m a t t e r ，t h ep h a s ec h a n g i n gt e m p e r a t u r e r a n g ei s w i d e n e db yt h e p o r o u s s t r u c t u r e , a n dt h ep h a s ec h a n g i n gt e m p e r a t u r em o v e st ot h ed i r e c t i o no fh i g h e r t e m p e r a t u r ea tap a c ew h i c hi sp r o p o r t i o n a la p p r o x i m a t e l yt ot h ev o l u m ef r a c t i o n o fo r g a n i cp h a s ec h a n g i n gm a t t e ri np o r o u sm e d i a b u tf o ri m p u r eo r g a n i cp h a s e c h a n g i n g m a t t e r ，t h e t u n i n g e f f e c ti sr a t h e r c o m p l i c a t e d 。 e v e n c o n t r a r y d u r a b i l i t ya n dt h ep r o b l e mo fp c e m se x u d a t i o nw e r ei m p r o v e db y p a c k a g i n ge n e r g y - s t o r a g ee l e m e n t a r ym a t e r i a l s t h er e s u l t so f t h e r m o - r e g u l a t i n ge n e r g y - s a v i n gc o n c r e t ee x p l i c a t e d ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s p e c i f i ch e a t i n gc a p a c i t yo fp h a s e - c h a n g i n gc o n c r e t ei n c r e a s e do b v i o u s l yb y a d d i n gg r a n u l a t e dp h a s e - c h a n g i n ge n e r g y s t o r a g ee l e m e n t a r ym a t e r i a l sa n di s t w ot i m e st h a nc o m m o nc o n c r e t e s t h ep r o p e r t i e so fh e a t i n gp r e s e r v a t i o na n d h e a t i n gi n s u l a t i o nw e r ea l t e r e db yt h e m t h eh e a t i n gr a t ea n dc o o l i n gr a t eo f c o n c r e t ea l s os t a y e d i n f l e x i o na n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ep r o c e s s p r e s e n ti nc u r v e o fh e a t i n gr a t ea n dc o o l i n gr a t e ，p h a s e c h a n g i n gt e m p e r a t u r er e a c ha h i g h e ro n e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e b u t y l e s t e rs t e a r a t e b u tf r a c t u r es t r e n g t hd r o p p e d q u i c k l yw i t ht h ev o l u m ef r a c t i o no fe n e r g y s t o r a g ee l e m e n t a r ym a t e r i a li nt h e c o n c r e t e ，a n da p p e a r e ds p l i ti nf r e e z e t h a wc y c l ee x p e r i m e n t s r e s i s t a n c er a t e d e c r e a s e dm u c hm a g n i t u d eb ya d d i n gg r a p h i t ei ne l e c t r i c i t y - h e a t i n gc o n c r e t e ， b u ti tw a sc h a n g e di n t og o o dh e a tc o n d u c t o r b e c a u s eo ft h el o w e rh a r d n e s sa n d f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n t so fg r a p h i t e ，m i s c i b i l i t yw i t ho t h e rm a t e r i a l so fc o n c r e t ei s u n d e s i r a b l e ，a n dw a t e rc e m e n tr a t i og ou pb ya d d i n gm o r eg r a p h i t e ，f r a c t u r e s t r e n g t ho fe l e c t r i c i t y - h e a t i n gc o n c r e t ei sq u i t el o w s ot h ee l e c t r i c i t y h e a t i n g c o n c r e t ei su n s u i t a b l et ob ea p p l i e di nt h ef i e l dr e q u i r e dh i g h - s t r e n g t h c o m p l e x t h e r m o r e g u l a t i n ge n e r g y - s a v i n gc o n c r e t ec a nu s e de l e c t r i c a le n e r g ya st h e e n e r g ys o u r c e e n e r g y - s a v i n gb u i l d i n gm a t e r i a l sc a nb ea p p l i e di naw i d e ra r e a ， a n di tw o u l dp o s s e s sa p r o m i s i n gv a l u ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p h a s ec h a n g i n gm a t e r i a l s ( p c m s ) ：e l e m e n t a r ym a t e r i a lf o r e n e r g ys t o r a g e ( e m f e s ) ；p h a s e c h a n g i n ge n e r g y - s t o r i n g c o n c j t e t f ；e l e c t r i c h e a t i n g c o n c r e t ei t h e r m o r e g u l a t e e n e r g y - s a v i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本文研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可 以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 混凝土已成为目前世界范围内应用最广、用量最大的建筑材料。在普通 混凝土中加入功能组分，可使混凝土成为一种集功能性与结构性为一体、高 性价比的新型功能材料，并可充分发挥功能组分的智能性。功能混凝土的诞 生开辟了混凝土材料应用的新时代。 建筑物在其使用过程中，耗能占总耗能的3 0 4 0 。随着生活水平的提 高，人们对环境的舒适度要求愈来愈高。相应的建筑能耗( 包括空调能耗) 也随之增高。造成能源消耗过快，环境污染加剧。如何在人的舒适度、能耗、 环保中找到合理的平衡点己成为建筑设计、建筑节能等领域的永恒主题。将 储能材料应用在建筑中，可以提高室内舒适度，减少电力峰谷差，优化电力 负荷，对室内冷热环境具有调温功能；将一种或几种导电功能基元材料作为 功能组分填加到混凝土中，可使混凝土的电阻大幅降低，当与外部电源连通 后，混凝土变成优良的致热体，可以作室内采暖，解决了传统的采暖方式需 要安装金属散热片，并建设锅炉房一次性投资大的问题。且施工工艺简单、 性能稳定，不失为建筑采暖的又一新途径。另外，利用其热效应还可用做作 路面的除雪化冰，从而保障道路畅通和行车安全。还能减少除冰盐的使用及 消除除冰盐给混凝土结构和环境所带来的负面效应。储能混凝土和电热混凝 土在建筑中的应用，赋予了建筑自调温的功能，为低成本清洁能源在供暖、 空调系统中的应用创造了条件，具有重要现实意义和巨大潜在应用价值。 i 1国内外研究现状 1 1 1 相变储能与储能建筑材料 1 1 i 。1 相变储能 利用相变材料的相变潜热进行能量贮存和应用，近年来受到了广泛重视， 相变储能在太阳能、废热、废冷等节能领域中都有着诱人的应用前景。研究 表明，相变材料的温控系统有如下优点：( 1 ) 装置简单，不需要成套的管路装 置和设备；( 2 ) 管理和维修简便，方便使用；( 3 可充分利用太阳能和废热( 冷) ， 有显著的节能效率；( 4 ) 在大规模推广前提下，价格会相当便宜m 。目前，相 变材料已被广泛运用于冰箱和空调的制冷和蓄冷、智能建筑物的自动恒温m 、 太阳能应用中的能量储存和交换技术以及日用品( 如保暖服装) ，电器防热外 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 壳、保鲜盒、保温盒、取暖器、储能炊具“，等。 美国在相变储能研究和应用领域一直处于领先地位，日本仅次于美国。 美国在马萨诸塞州建立了世界 上第一座被动太阳房，并在相交 材料配置和性能研究、相平衡、 结晶、相变传热、相变材料性能 改善、相变材料的封装方式嘲 变储能系统设计等方面做了卓 有成效的工作。上世纪7 0 年代， 日本三菱电子公司和东京电力 公司联合对用于采暖和制冷系 统的相变材料进行了研究。在应 图1 - 1 德国o 。8 b 。g 公司研制的蓄热电取暖嚣 用方面重点研究了制冷和空调 g 1 - 1 ak i n do f 。7 i 。8 。8 o 8 9 。 系统中的储能。德国0 1 s b e r g 8 d5 8 o f o “o 8 b 。go 。8 ”y 公司利用相变材料，研制出蓄热电取暖器。此外，法国、瑞典、意大利和前 苏联在这方面也进行了大量研究工作。 近年来，土耳其的a h m e ts a r i 和k a m i ik a y g u s u z 对有机相变材料的物 性及传热特性了做了大量实验工作，他们通过d s c 分析及充放热实验分别对 棕榈酸“- 、肉豆蔻酸”，、月桂酸n ，等酸类有机物进行了研究，分析了这些酸类 有机物的融化和凝固过程，绘制了大量物性曲线。土耳其g a z i o s m a n p a s a 大 学的a h m e ts a r y 对脂肪酸的稳定性进行了测试“。2 0 0 0 年k e n d a l lt h a r r i s 用焓分析模型对多孔介质中的相变过程进行了研究，得出预测相变程度随时 间变化的方法。x a v i e rp y 等人研究制备了用石蜡作相变物质多孔石墨作支 撑载体的复合相变材料，石蜡的质量百分数可达到6 5 9 5 ，复合相交材 料的导热系数相对于纯石蜡也有很大提高”1 。另有文献n ”报道把圃一液相变 材料与适当的高分子材料( 如高密聚乙烯) 在超过载体熔解温度以上，熔融混 合，然后冷却成型，冷却时，高熔点的载体先结晶，形成网状结构，低熔点 的相变储能材料凝固在网状结构中，由此形成定形相变储能复合材料；还有 研究者将硬脂酸及其它脂肪酸经特殊的处理，融入二氧化硅溶胶中，形成了 以s i o ：无机盐为核周围吸附着脂肪酸分子的稳定结构“”。脂肪酸可随温度的 变化而发生相转变，但不会形成流淌的液体，成为一种类似于固一固相变的 p c m 粉末，相交焓约为5 0 j g 1 5 0 j g 。 我国贮能相交材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱，但也有 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 相变贮能电锅，电饭锅，“冰箱贮冷器”，“速冻保温容器”，“相交恒温取暖器” 等专利问世。王剑峰等人“”，研究了组合式相变材料贮能系统的性能。并对 变温相变材料贮能进行了理论探讨和数值模拟，为该领域的进一步研究和实 际应用提供了依据。重庆大学张洪济教授对相变热传导进行过系统研究n ”。 华中理工大学陈文振教授等对水平矩形管、圆管、椭圆管中p c m 的接触融化 问题进行了研究n ”。中国科技大学的陈则韶教授对p c m 潜热测定做了系统化 的研究m ，。张寅平教授等在共晶p c m 熔点及其融解热的预测方面，在堆积床 相变换热器性能研究方面，在蓄热相变材料制备及改善相变材料导热性能方 面也进行了一些工作m 一，。另外由于我国许多地方已实施利用削峰填谷缓解 电网负荷过重，蜂谷负荷差过大的电价昼夜分计制，使相变贮能成为研究和 应用热点。 i 1 1 2 储能建筑材料 一涨 a ) 系统示惹图b ) 主机照片 图1 - 2 分散式相变供热蓄能系统示意围与照片 f i g 1 - 2 d is t r i b u t j n gt h e m a | s t o r a g es y s t e mu 8 i n gp e na ss t o r a g em e d j a 普通建筑材料的热容小，使用过程中消耗大量能能，研究表明：社会一 次能源总消耗量的三分之一被用于建筑领域。将储能材料加入到建筑材料中， 能增强轻质结构的热容，减小室内温度波动范围，有效改善室内热环境舒适 度，降低空调的负荷，具有节能、环保的功能。近年来相变储能及化学反应 储能在建筑领域( 包括建筑空调和供暖) 的应用已成为各国研究的热点。有研 究者估计若能在建筑物中广泛采用含p c m 的建筑材料，能减少用于加热和制 冷的5 0 的电力消耗m ，。美国研究者开发了一系列p c m 复合建筑材料，用于 房屋空调节能。包括无定形p c i 硅混合干粉、h d p e 颗粒和p c m 浸制的多孔材 料( 如塑料板、混凝土等) ，有效解决了液态p c m 的泄漏、体积变化和阻燃问 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 题，并起到强化传热的作用，开发成果获得多项专利。日本的k a n a g a w a 大学 的t a k e s h ik o n d o 和t o k y od e n k i 大学的t a d a h i k oi b a m o t o 等人用9 5 的 十八烷和5 的十六烷作相变材料，将装有相变材料( p c m ) 的交键聚乙烯小球 加到石膏板中制备出相交墙板。p e i p p o 等m ，对一个应用了储能建筑材料的 1 2 0 m 2 的屋子研究表明，每年能够节约4 g j 的能量( 即1 5 的年能量消费) 。 h a d j i e v a ”用浸渗法，以五水硫代硫酸钠作为p c m ，渗入多孔的混凝土 中，在p c m 基本充满混凝土的毛细管和孔时，p c m 的含量可达原重的6 0 。 他认为具有高吸收率的多孔混凝土可以作为五水硫代硫酸钠理想载体，通过 改善n a s ：s 。5 h 。0 的储热性能，在热循环过程中其结构表现出较高的稳定性。 这种工艺方法简单有效，并能消除因使用水合盐所带来的相关问题。f a r i d 和k o n g ”用c a c l ：6 h 。0 做p c m ，以封装成塑科小球的形式混入混凝土中。对 含有p c m 的混凝土地板与普通混凝土地板的热性能进行了对比，结果表明： 嵌镶有p c m 小球的混凝土熟容量明显提高，含p c m 的混凝土地板在加热仅8 小时后，白天都能维持有效的蓄放热能力，普通混凝土地板在几小时后，便 失去了储蓄的大部分热量。德国巴斯夫公司对一幢已有7 0 年历史的旧建筑物 进行全面改造，内墙采用了相变蓄热砂浆技术，3 c m 厚的这种砂浆的热容量 相当于4 0 c m 厚水泥墙体”，这种隔热砂浆的蓄热作用如同室内空气调节系 统，使室内温度平均保持在2 2 ，湿度保持在4 0 6 0 之间，冬暖夏凉，舒 适宜人，成为第一幢“3 升房”。美国s u n t e kr e s e a r c ha s s o c i a t e s 公司成 功研制出储热墙体块材，它是将相变储能材料悬浮于混凝土砌块中，作为恒 温储热建筑构件。d a r i u s zh e l m “”将相变石膏板用于被动式太阳能房间，并 对其热性能和储热效果进行了数值模拟。结果表明，借助于该相变石膏板， 充分利用太阳能，可使采暖费用节省9 0 。 b a r r i o 研制使用了定形相变储能材料的地板辐射采暖系统( 图卜3 ) ，该 系统是利用价格便宜的低谷电来加热地板，将热量蓄存在地板中，然后用于 房间采暖。结果表明：在采暖昼夜循环中，定形相变储能材料的上下表面温 度在绝大部分时间内均在相变温度附近( 3 2 l ) ，室内空气温度维持在 2 1 2 5 之间，温度波动很小，具有很好的热舒适性。b p a u u s e t ，u 研究了含 有相变材料的窗帘与普通窗帘的热流损失，测试表明其热流量可降低3 0 。 i s m a i l 等采用多元醇的混合物作相变储能材料，建立了i 2 5 1 8 1 7 m 3 的坡屋顶( 砖混) 实验测试房，进行了两年的研究。结果表明，采用相变储能 屋顶后空调负荷可以减少2 5 3 0 ，并可以明显转移空调负荷的峰值m - 。 以美国麻省理工学院为中心的研究小组研制了一种夜间供暖系统，构成该系 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 统的主要部分为百叶窗反射片和相 变天花板相变天花板由许多尺寸为 6 1 6 l 3 2 c m 的正方形片状物构 成，片状物由预制塑科混凝土制成， 其中封入由3 8 ( 重量百分比) 硫酸 钠，3 硼砂，8 氯化钠，3 二氧 化硅细小粉末和4 8 水的混合物构 成的相变储能材料。该系统利白天用 百叶窗反射片将太阳光反射到天花 板上，天花板中的相变储能材料熔化 储存太阳能，夜间相交储能材料凝固 放热供暖。实验表明，该系统能使 8 3 5 m 2 的房子内整天保持在2 2 8 1 8 3 。 l i 、 厂 ，广_ j 厂。 j 厂 ，、7 ，厶 1 加热空间2 盖面3 热阻材料4 相变材 料5 电热丝6 隔热材料 图卜3 地板采暧系统示意图 f ；g 卜3 i ii u s t r a t i 0 1 1o ft h ef i o o r h e a t i n gs y s t e m 在国内，对于建材上的相交储能材料主要探讨了正十六烷、正十八烷、 硬酯酸正丁酯三种相变储能材料的纯物质，分别用于石膏板( 不含纤维) 、石 膏纤维板及粘土砖中，制成储能建材。上海市建筑科学研究院的“上海生态 住宅示范楼”中采用纳米石墨相变材料制成的蓄热罐安放在吊顶层，用作空 调相变储能装置。夏季在电力低谷时段开启空调器制冷功能，冷量便直接传 入相变蓄热罐中蓄冷，待相变储能材料完全相交后，空调器停止运转，在电 力需求高峰阶段，再需要制冷时，仅需启动风机，利用空气循环换热，将蓄 热罐中的冷量逐步释放到室内空间，冬季相交储能材料可以发挥蓄热功能， 从而实现电力调蜂和节省电费支出的目的。清华大学“超低能耗示范楼”中 采用相变蓄热活动地板，具体做法是将相变温度为2 0 2 2 的定形相变储 能材料放置于常规的活动地板内作为部分填充物，由此形成的蓄热体在冬季 的白天可储存由玻璃幕墙和窗户进入室内的太阳辐射热，晚上相交蓄热活动 地板中的相交储能材料向室内放出储存的热量，这样室内温度波动将不超过 6 。 沈阳建筑大学的冯国会教授研究了冬季工况下相变墙( 相变墙板的相变 温度为1 8 2 4 ) 对室内环境影响，结果表明：普通墙房间室内温度在1 9 2 4 波动，相变墙房间在1 8 5 2 0 5 波动，普通墙房间的室内累计平均温 度为2 1 0 3 ，相变墙房间为1 9 1 8 1 。冒东奎教授进行的含储能工质的石 膏壁板对建筑物熟性能影响的实验研究结果表明，采用含储能工质石膏壁板 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 的建筑物，在冬季条件下，室内温度由2 4 2 下降到1 6 c 的时间延长了1 3 5 ， 而在夏季，保持在2 2 c 以下的温度延长了8 4 一。同济大学的张东等用”两 步法”，制备了相交储能混凝土。实验结果表明，采用该方法可以在混凝土中 储存足够的储能工质，配制的相交储能混凝土的储能功能与商业储能工质相 当，可以满足实际应用的要求m ，。 1 1 2 电热混凝土 。电熟混凝土是由胶凝材料、导电材料，介电骨料和水等组分，按照一定 配合比混合凝结而成的多相复合材料。其中导电功能基元材料部分或全部取 代素混凝土中细骨料、粗骨料或两者都取代。导电相的加入，使混凝土具有 感知应变、破坏、温度自我传感能力，可用于建筑结构的振动控制、交通管 理、载重测量、建筑安全等“w ；同时，导电相的加入使混凝土的电阻大大 降低，成为导体，良好的导电性使混凝土变成了优良发热体，可广泛应用于 建筑地面采暖、路面除冰融雪等n “w 。 在国外，3 0 年代初就开始了电熟混凝土性能的研究，随着相关科学的发 展，混凝土电性能研究有了大的突破，电学性能和力学性能都有了较大提高。 加拿大的p y e ，g l e n d o n b ，m y e r s ，r o b e r t e 等“u 用碳质材料作为导电相， 在电阻率满足设计要求条件下，混凝土的2 8 天抗压强度大于3 0 m p a 。韩国的 k a n g ，s e o kh w ak o ，j as u lk i m ，j a ej u n 等“”以直径为0 0 5 7 5 u m ，长 度为2 4 0 姗的碳纤维为导电相，制备出用于一般加热、防静电、屏蔽无线 电波以及防腐蚀的电热混凝土。1 9 9 9 年，美国的s h e r i fy e h i a 和c h r i s t o p h e r y t u a n 在总结了3 0 余年来采用各种方法( 如化学法、地热管法、红外线灯 照加热法、电热丝法，热液法等) 进行有关路面化冰的研究进展后，提出利用 钢纤维钢屑混凝土的导电性，开展了关于桥梁路面除冰的试验研究m 一。n b a n t h i a n ”和x i ep i n g m l 等对钢纤维水泥复合材料的导电性进行了研究，钢纤 维的平均直径为2 5 u m 左右，体积掺量为1 5 ，养护2 8 天的电阻率为( 7 4 1 9 ) 1 0 3q c m 。2 0 0 1 年f a r h a dr e z a 等研究了温度对碳纤维水泥基复合材 料体积电阻率的影响m ，。 电热水泥混凝土在桥梁及路面融雪化冰的应用研究上，加拿大n e b r a s k a d e p a r t m e n to fr o a d s 走在前列，率先在t h er o c as p u rb r i d g e 试铺了1 1 7 英尺长，2 7 5 英尺宽的试验段。1 9 9 8 年英国费莱尔集团研制出具有在很低的 电压下快速变热特性的新型电热混凝土，并用火车站站台m ，。 在国内，浙江大学叶青等对石墨电燕混凝土的导电性能、以及在电熟 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 电器、电力工业( 断路器的合闸电阻、变压器中性点的接触电阻) 和工业防 静电等方面的应用前景进行了研究，结果表明电热混凝土的电阻随石墨含量 的改变在1 0 1 0 6 0 c m 范围内变化。石墨混凝土具有热容量大、允许通过 的极限电流大( 高达2 0 0 a c m 2 ) 和易成型等优点。哈尔滨建筑大学的李仁福 m ，等人也研究了石墨电热混凝土，认为要使混凝土具有良好的导电性，石墨 的含量一般应大于2 5 。但是随着石墨掺量的增加，混凝土的抗压强度呈急 剧下降趋势。 表1 - 1电热混凝的导电性能 t a b 1 1e i e c t r i c 8 ic o n d u c t i v i t yo fo i e c t r i ch e a tc o n c r e t 图1 4电热混凝大板模板及电极布置 f i g 1 4u o u i do fe i a c t r i ch e a tc o n c r e t s i a ba n da i e c t r o d ea li o c a t i o n 图1 - 5电热混凝土电热层的设置 f i g 1 5s e t t i n go fe i e c t r i c a l e i e c t ri ch e a tc o n c r e th e a t i n gl a y e r 中国的王刚在石墨电热混凝土的研究中“”，得出水泥含量在3 0 8 0 、 石墨5 4 0 、骨料5 5 0 ( 以上均为质量含量) ，骨料最好是矿渣、火山 灰、碎石、碎陶瓷、以及砂子等。这种电热混凝土主要被用来作为建筑物取 暖、电磁屏蔽。武汉理工大学的孙明清、李卓球n 一”等人于1 9 9 8 年首次报道 了碳纤维电热混凝土的塞贝克效应。2 0 0 1 年我国广州电力设计院孙旭研究了 电热混凝土在变地站接地网中的应用，取得了较好的效果m ，。2 0 0 2 年武汉理 工大学的唐祖全、李卓球等研究了电热混凝土电热层布置对路面除冰效果的 影响，分析结果表明，采用电热混凝土覆层的形式布置电热层可取得较好的 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 融雪化冰效果1 。 图i - 8 碳纤维电热混凝土s e n 照片 f j g 1 6 s e l lp h o t o g r a p ho fc a r b o nf i b e r e i e c t ri ch e a tc o n c r e t 1 2 研究目的及意义 图1 - 7 沥青电热混凝土的显微结构 f i g 卜7 - i o r o s t r u o t u r eo f e i e o t ri ch e a ta s p h a i tc o n c r e t e 建筑作为人类生活的基本聚居空间，要维持良好的生活环境，需要耗费 大量的能源。在全世界日益增长的能源消耗中，无论是工业发达国家还是发 展中国家，建筑能耗都在一个国家的总能耗中占相当大的比例。世界一些发 达国家，其建筑能耗占总能耗的比例约为3 0 4 0 ，我国的建筑能耗约占全国 总用能的i 4 。由于能源资源条件的限制，新能源的开发在短期内也难以缓 解能源供应的紧张局面，许多国家都把注意力集中在常规能源的节约上，“节 能”被称为煤炭、石油、天然气、核能之外的第五大能源。 现代建筑向高层发展，要求所用围护结构为轻质材料。但普通轻质材料 热容较小，导致室内温度波动较大。这不仅造成室内热环境不舒适，而且还 增加空调负荷，导致建筑能耗上升。在我国，建筑能耗总量逐年上升，占总 能耗比例已从1 9 7 8 年的1 0 上升到2 0 0 1 的2 7 4 5 。2 0 0 0 年，我国建筑用商 品能源消耗共计3 5 6 亿t 标准煤，占当年全社会终端能源消费量的比重为 2 7 8 ，接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量的z 3 左右水平。至2 0 0 0 年底，全国既有房屋建筑面积，城市己至7 6 6 亿m 2 ( 其中住宅4 4 1 亿m 2 ) ， 农村为2 9 9 4 亿m 2 ( 其中住宅建筑约占8 0 ) 。其中能够达到采暖建筑节能标 准的只有1 8 亿m 2 ，仅占全部城乡建筑面积的0 6 ，占城市既有采暖居住建 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 筑面积的9 。由此可见建筑节能的必要性和紧迫性”。建筑在使用过程中的 能耗主要包括采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯 等方面的能耗。其中采暖空调 通风能耗约占2 3 左右。2 0 0 2 年6 月建设部正式印发了 建 设部建筑节能“十五”计划纲 要按照计划要求，全国的新 建民用建筑都应该按照相应的 节能设计标准要求设计建造， 而这些节能设计标准都从提高 建筑物本身保温隔热能力和提 高采暖空调系统效率两个方面 对新建建筑提出的明确要求。 l 蜥l 卿l 嘲l 嘲硼2 1 1 0 1 图卜8 中国建筑能耗与总能耗关系变化围 f i g 1 8r e l a t i o n s h i po ft o t a ie 。a n db e 。 满足这些设计要求将使新建筑在保持同样室内条件的前提下比老建筑节省 5 0 的能源。我国每年新建的建筑数超过1 0 亿m 2 ，节省5 0 的采暖空调耗能 将是个非常可观的数字n ”。 当前，我国用电高峰期供电形势的紧张程度日趋严重，同时电力供应高 峰不足而低谷过剩的矛盾也日益突出，各大电网的峰谷差均已超过最大负荷 的3 0 ，个别甚至达到5 0 ，给电网的安全性和经济性带来很大的影响。据统 计资料显示c ，在高温季节，高层写字楼、商厦及其它民用空调用电负荷可 达总供电量的3 0 以上。由于空调装置运行的间断性，导致峰谷差和供电缺 口越来越大。通过向普通建筑材料中加入储能材料，可以制成具有较高热容 的储能建筑材料。利用储能复合材料构筑建筑围护结构，可以降低室内温度 波动，提高舒适度，使建筑供暖或空调不用或者少用；可以减小所需空气处 理设备的容量，同时可使空调或供暖系统利用夜间廉价电运行，降低空调或 供暖系统的运行费用。向混凝土中加入导电功能基元材料，制备电热混凝土， 使建筑可以利用电价峰谷差进行采暖，实现了经济环保节能的目的。 本课题就是通过在多孔矿物材料、颗粒型载体中加入相变储能材料，制 备储能复合材料。把储能复合材料和导电功能基元材料作为功能组分取代混 凝土中的骨料，采用一定工艺制备相变储能混凝土和电热混凝土及其复合体， 通过对其储能效果、导电性、相容性等的分析为今后开发高效节能建筑积累 经验，并为探索出一种简单且切实可行的调温节能建材开发技术提供参考依 据。 鲫卿孤咖如锄枷瑚a 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 研究内容及课题来源 1 3 1研究内容 1 3 1 1 储能复合材料 以十二醇、硬脂酸丁脂和石蜡为相变储能材料，选取沸石、膨胀粘土陶 粒、膨胀珍珠岩、活性炭等为载体，通过吸附法制备储能复合材料。具体内 容如下； ( 1 ) 通过酸化对沸石原矿进行改性，以酸活化沸石作载体，十二醇作储 能工质，无水乙醇作溶剂，制备沸石基储能复合材料，对比分析不同吸附温 度、搅拌时间、不同有机溶液浓度下，沸石基储能复合材料中相变储能材料 十二醇的含量，运用x r d 、d s c 、i r 等对沸石基储能复合材料进行表征； ( 2 ) 以硬脂酸丁脂和石蜡作相变储能材料，膨胀粘土陶粒、膨胀珍珠岩、 活性炭三种颗粒型多孔材料为载体，采用真空吸附法制备颗粒型储能复合材 料，对比分析三种颗粒型多孔材料对相交储能材料的吸附率，研究其储能性、 耐久性等。 1 3 1 2 调温节能混凝土 通过在普通混凝土中加入三种颗粒型储能复合材料，制备相交储能混凝 土。利用混凝土中的相变储能材料进行能量贮存，提高混凝土的热容；通过 在素混凝土中加入导电功能基元材料，降低混凝土电阻，制备电熟混凝土， 使其成为良好的致热体；将相变储能混凝土、电热混凝土和素混凝士三者复 合，制备复合型调温节能混凝土。具体内容如下： ( 1 ) 分别以陶粒储能复合材料、膨胀珍珠岩储能复合材料、活性炭储能 复合材料作储能功能填料，取代混凝土中的骨料，进行单一功能填料的单一 基元材料实验，对比颗粒型储能复合材料的种类和含量对混凝土储能效果、 保温隔热性能、耐