矿物复合相变混凝土板的储热性能研究

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将相变材料与屋顶建筑材料复合,夏季屋顶层峰值温度高,屋顶层室内温度波动性大,屋顶层空调冷负荷较大和热舒适度差等问题可以得到妥善解决。本课题利用硅藻土的多孔结构吸附相变材料,形成了一种具有调温功能的新型建筑材料。首先制备了不同质量比的SA-MA共晶系。用经过焙烧+强碱改性的硅藻土通过液相插层法制备了不同SA-MA复合相变材料质量分数的硅藻土基定形相变材料。将硅藻土基定形相变材料与混凝土混合可以制成相变储热混凝土板。对制备过程中的材料进行步冷曲线法、SEM、DSC、FT-IR、TG测试和热稳定性测试。同时对相变屋顶的隔热性能进行模拟研究,得到以下结论:(1)SA-MA共晶系的最低共熔配比为m SA:mMA=39:61,SA-MA共晶系最低相变温度和相变潜热分别是41.7℃和169.6J/g,且无过冷现象出现。理论计算质量配比与测试的实验配比相同,理论计算、步冷曲线法测试和DSC测试三种方法测得的相变温度最大误差为1.02℃。FT-IR测试方法测得SA-MA复合相变材料出现的图谱谱形和特征峰与十四酸、硬脂酸一致,证明SA-MA复合相变材料不存在化学反应。在600次的热循环中,SA-MA共晶系在循环350次以后相变温度不再变化,相变温度较循环前降低1.6℃。(2)从外观情况来看,PCM质量分数15%-55%的硅藻土基定形相变材料无明显泄漏。通过步冷曲线法测试,PCM质量分数15%与25%的硅藻土基定形相变材料由于PCM含量过低其降温曲线温度平台的持续时间太短,不符合实验要求。PCM质量分数达到50%以上,对延长定形相变材料相变持续时间的作用越来越不明显。根据经济性原则,硅藻土基定形相变材料最佳PCM含量是50%。对PCM质量分数50%硅藻土基定形相变材料进行SEM、DSC、FT-IR、TG和热稳定性测试可得,SA-MA复合相变材料都均匀充盈在硅藻土的孔隙中,与改性硅藻土结合良好;PCM质量分数50%硅藻土基定形相变材料的相变温度和相变潜热分别是42.45℃和59.88J/g;PCM质量分数50%硅藻土基定形相变材料出现的图谱谱形和特征峰与SA-MA复合相变材料和改性硅藻土一致,硅藻土基定形相变材料中SA-MA复合相变材料与改性硅藻土没发生化学反应;硅藻土基定形相变材料在200℃以下的热稳定性良好,400次热循环后泄漏率小,满足应用于建筑领域要求。(3)硅藻土基定形相变材料质量分数越高的相变储热混凝土板的蓄热和放热时长更长,其内外表面有温度延迟现象出现。混凝土板的峰值温度可以通过掺入硅藻土基定形相变材料有效降低,但随着硅藻土基定形相变材料质量分数增大,其降低的幅度有所减小。当硅藻土基定形相变材料质量分数增大,相变储热混凝土板的内外表面温差也增大,但是硅藻土基定形相变材料质量分数增大到25%以上,其内外表面温度差变化幅度降低。相变储热混凝土试块在经过400次热循环后其泄漏率满足建筑长期使用要求。根据经济性与热性能表现,相变储热混凝土板中硅藻土基定形相变材料的最佳含量为25%。(4)在赣州夏季典型日的基础上,采用数值模拟方法对相变屋顶进行隔热分析。与普通屋顶相比,相变屋顶内表面温度最大降低了2.97℃,温度波动幅度较小,对室外温度波动延迟1h,逐时热流分布曲线更为平缓。相变屋顶的内表面平均热流密度波动的幅值比普通屋顶降低最高为45.9%。相变层位置对屋顶隔热能力影响很大,逐时热通量变化趋势基本一致。相变层位置在屋顶结构的第二层时更有益于阻隔热量的传递。与普通屋顶相比,其日得热量减少了20.7%,体现了相变屋顶良好的隔热性能,节能效果显著。
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