相變儲能石膏板導熱系數2種測試方法的研究

李 悅，鮑振洲，秦憲明，謝靜超

（1.北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；2.廈門市宏業工程建設技術有限公司，福建 廈門 361012）

將復合相變材料（phase change material，PCM）摻入到石膏基體中制成的相變儲能石膏板作為圍護結構可以在溫度較高時吸收熱量，在溫度較低時釋放熱量，從而有效地減少室外溫度波動對于室內溫度的影響，提高室內環境的舒適性，減少空調等溫度調節工具的使用，起到節能的作用［1－3］.導熱系數是平衡蓄放熱時間的重要因素，根據不同地區的日照和氣候等條件選擇相應的導熱系數是相變儲能石膏板應用的前提.對于相變儲能材料導熱系數的測試至今還沒有標準的方法.大部分的研究者采用非穩態測試方法對相變儲能材料的導熱系數進行測試，測試方法單一，且無法確定其測試結果的準確性.Ahmet等［4］用熱線法（hot－wire method）測試了分別摻加膨脹石墨質量分數為2%，4%，7%和10%的二十二烷石蠟復合相變材料的導熱系數，結果表明，復合相變材料的導熱系數隨著膨脹石墨摻量的提高而增大，其值的變化幅度較大.Wang等［5］利用Hotdisk測試儀測試了摻膨脹石墨的聚乙烯醇復合相變材料的導熱系數.在固體狀態時，隨著膨脹石墨摻量的提高，2種混合物的導熱系數增加明顯，當膨脹石墨摻量為10%時，其導熱系數增大幅度為344%.楊碩等［6］利用Hotdisk測試儀分別測試了納米鋁粉／石蠟復合相變儲能材料在固態和液態的導熱系數，結果表明，當試樣處于不同物相時，相同含量的納米鋁粉對導熱系數提高的程度不同.Lin等［7］采用調制差示掃描量熱方法（MDSC）測量了18種典型有機物的導熱系數，測試結果與期望值相符.Pablo等［8］用激光法（laser flash methodology）測試了相變材料分別處于固態和液態時的導熱系數，用于全尺寸房屋的PCM－空氣熱交換模型的建立.

在已有測試方法的基礎上，一些研究者采用穩態測試方法對相變儲能構件的導熱系數進行了測試.肖偉等［9］基于穩態測試原理對輕質建筑中相變儲能石膏板的導熱系數進行了研究，從相變溫度、相變材料含量和相變石膏板厚度3個方面對相變儲能石膏板的使用進行了優化.然而，這些導熱系數測試方法均有一定的局限性，所取得的數據準確性和代表性值得商榷.本文通過穩態測試方法（防護熱板法）和非穩態測試方法分別測試了相同試件的導熱系數（λ，W／（m·K）），并通過比較分析得出了導熱系數測試結果不同的原因.

1 試驗

1.1 原材料及試件的制作

PCM 采用石蠟復合相變材料，相變溫度為17～23℃，相變潛熱為109.9J／g；石膏為廈門產特級半水熟石膏，CaSO4·（H2O）0.5含量（質量分數）為64.9%，初凝時間為9min，終凝時間為16 min，標準稠度用水量（質量比）為0.49；鋼纖維采用鍍銅鋼纖維，直徑為0.08～0.13mm，長度為10mm，摻量為試模體積的1%；減水劑為聚羧酸液態減水劑，固含量（質量分數）為33%，減水率（質量分數）為31%，摻量為石膏質量的1%.試件的配合比如表1所示.

表1 試件配合比與尺寸Table 1 Mix proportion and size

將PCM 顆粒和石膏粉末分別按質量比0∶1，1∶5，1∶3，1∶2混合均勻，然后撒入鋼纖維攪拌均勻，將稱量好的水和減水劑（摻量為石膏質量的1%）加入固體混合物中，快速攪拌均勻后注入試模成型，在室內環境條件（24℃，相對濕度60%）下養護24h拆模，然后移至烘箱內在70℃下烘干3d.試件烘干后密封，恒溫至12，16，20，24，28℃備用.

1.2 試驗方法

穩態測試：依據GB10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定—防護熱板法》進行測試，測試儀器采用沈陽紫微機電設備有限公司生產的CDDR3030型導熱系數測定儀.各初始溫度及對應的冷、熱板溫度如表2所示.

非穩態測試：采用湘潭市儀器儀表有限公司生產的DRM－Ⅱ導熱系數測試儀.測試結束后，將試件切成尺寸為200mm×200mm×20mm 的方塊，作為非穩態測試用試件.待測試件和防護試件在70℃下烘干密封，分別恒溫至10.5，14.5，18.5，22.5，26.5℃.試件放置及測試原理如圖1所示.

表2 試件溫度及測試板溫度Table 2 Temperature of test－plasterboard and protection－plasterboard

圖1 非穩態導熱系數測試原理Fig.1 Test theory of unsteady testing method

2 試驗結果與分析

2.1 穩態測試結果與分析

圖2為導熱系數穩態測試結果.由圖2可見，當初始溫度相同時，隨著PCM 摻量的增加，試件的導熱系數呈降低趨勢.這是因為相對于石膏的導熱系數，PCM 的導熱系數較小.本文將測試結果進行多項式擬合，得到了導熱系數λ 與PCM 摻量w 的關系式（1）.由式（1）可以看出，試件的導熱系數變化與PCM 摻量具有一定的相關性，PCM 摻量增加，λ降低.

圖2 導熱系數穩態測試結果Fig.2 Thermal conductivity of steady testing method

由圖2還可以看出：初始溫度在相變區間時，試件的導熱系數最大，這是由于PCM 處于相變過程，除了熱傳導以外，在固液界面還有熱對流現象，故導熱系數較大［10］；當初始溫度小于相變溫度時，試件的導熱系數最小，這是由于PCM 處于固體狀態，測得的導熱系數為PCM 固態時試件的導熱系數，因此導熱系數較??；當初始溫度大于相變溫度時，試件的導熱系數比初始溫度在相變溫度區間時小，比初始溫度小于相變溫度時大，這是因為PCM 多成熔融狀態，此時測得的導熱系數為PCM 熔融狀態時的導熱系數，同時，溫度越高，分子運動越激烈，因此導熱系數較大.

2.2 非穩態測試結果與分析

圖3為導熱系數非穩態測試結果.由圖3可見，采用非穩態方法測試相同配合比試件得到的導熱系數變化規律與穩態測試方法得到的結果一致：在初始溫度相同時，隨著PCM 摻量的增加，試件的導熱系數呈降低趨勢.由非穩態平面熱源法測量原理［11］可知，非穩態測試導熱系數λ可用下式計算：

式中：a為待測試件的熱擴散率；Q 為加熱功率；t為停止加熱后降溫時間；ΔT 為試件冷卻后溫度與初始溫度的溫差；A 為常數項.

圖3 導熱系數非穩態測試結果Fig.3 Thermal conductivity of unsteady testing method

由于ΔT 與PCM 摻量成正比，因此隨著PCM摻量的增加，試件的導熱系數減小.此外，由圖3還可以看出：當試件的初始溫度在相變溫度區間時，其導熱系數最大，初始溫度在相變溫度區間以外時，其導熱系數變小.試件的比定壓熱容cp與導熱系數λ之間的關系［12］為：

式中：ρ為密度.

當試件初始溫度處于相變溫度區間時，PCM 的相變潛熱最大，此時cp最大，因此其λ變大.

2.3 2種測試方法的比較

圖4為不同PCM 摻量試件的導熱系數比較.由圖4可見，2種測試方法均能反映石膏基相變儲能試件導熱系數隨溫度變化的趨勢，即測試溫度處于相變材料的相變溫度區間時，導熱系數最大，測試溫度小于或大于相變材料的相變溫度時，導熱系數變小.2 種測試方法得到的導熱系數不同，非穩態的測試結果大于穩態測試結果，這是因為在測試過程中，穩態測試方法要求試件處于穩定的傳熱狀態，由于測試時間較長，試件中的PCM已經全部參與吸放熱過程，測試結果反映的是試件在固定溫度時的穩定導熱系數，而非穩態測試則是反映試件瞬時的導熱系數，即試件在加熱和停止加熱這一時間區間的導熱系數，由于時間較短，PCM 不能充分吸放熱，導致待測試件在該時間區間對溫度的反映具有一定的滯后性，因此相對于穩態導熱系數，其值較大.

圖4 不同PCM 摻量的試件導熱系數比較Fig.4 Thermal conductivity comparison with different PCM contents

3 結論

（1）在0%～33%的范圍內，隨著相變材料摻量的增加，石膏基相變儲能試件的導熱系數呈下降趨勢.

（2）當石膏基相變儲能試件初始溫度處于不同的溫度區間時，其導熱系數不同，且初始溫度在相變溫度區間的導熱系數最大.

（3）穩態測試得到的石膏基相變儲能試件導熱系數與非穩態測試得到的不同，后者測試得到的導熱系數較大，但穩態測試更能反映試件的真實導熱系數.

［1］FRéDéRIC K，DAMIEN D，KEVYN J，et al.A review on phase change materials integrated in building walls［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15（1）：379－391.

［2］ZHOU Guobing，ZHANG Yinping，WANG Xin，et al.An assessment of mixed type PCM－gypsum and shape－stabilized PCM plates in a building for passive solar heating［J］.Solar Energy，2007，81（11）：1351－1360.

［3］MAHA A，ANDRéB，HéBERT S，et al.Experimental investigation and computer simulation of thermal behaviour of wallboards containing aphase change material［J］.Energy and Buildings，2006，38（4）：357－366.

［4］AHMET S，ALI K.Thermal conductivity and latent heat thermal energy storage characteristics of paraffin／expanded graphite composite as phase change material［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27（8／9）：1271－1277.

［5］WANG Weilong，YANG Xiaoxi，FANG Yutang，et al.Preparation and thermal properties of polyethylene glycol／expanded graphite blends for energy storage［J］.Applied Energy，2009，86（9）：1479－1483.

［6］楊碩，汪南，吳淑英，等.納米鋁粉／石蠟復合相變儲能材料的性能研究［J］.材料導報，2009，23（12）：20－22.YANG Shuo，WANG Nan，WU Shuying，et al.Study on performance of nano－aluminum／paraffin wax composite phase change materials［J］.Materials Review，2009，23（12）：20－22.（in Chinese）

［7］LIN Yannan，SHI Zhenqi，PETER W.Thermal conductivity measurements for small molecule organic solid materials using modulated differential scanning calorimetry（MDSC）and data corrections for sample porosity［J］.Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis，2010，51（4）：979－984.

［8］PABLO D，ANA L，JOSE M，et al.Characterization of melting and solidification in a real scale PCM－air heat exchanger：Nu－merical model and experimental validation［J］.Energy Conversion and Management，2011，52（4）：1890－1907.

［9］肖偉，王馨，張寅平，等.輕質建筑中相變蓄能石膏板熱性能研究［J］.建設科技，2008（10）：84－88.XIAO Wei，WANG Xin，ZHANG Yinping，et al.Study on thermal performance of light weight building phase change energy storage plasterboard［J］.Construction Science and Technology，2008（10）：84－88.（in Chinese）

［10］張東.有機相變蓄熱復合材料導熱性能的實驗研究［J］.建筑材料學報，2008，11（1）：42－46.ZHANG Dong.Experimental study on thermal conductivity of organic phase change composites［J］.Journal of Building Materials，2008，11（1）：42－46.（in Chinese）

［11］于帆，張欣欣，何小瓦.非穩態平面熱源法同時測量材料的導熱系數和熱擴散率［J］.宇航計測技術，2006，26（6）：13－21.YU Fan，ZHANG Xinxin，HE Xiaowa.Measurement of thermal conductivity and thermal diffusivity for materials on transient hot－plane method［J］.Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2006，26（6）：13－21.（in Chinese）

［12］PABLO D，JAVIER M，ANA L，et al.Experimental validation of a theoretical model：Uncertainty propagation analysis to a PCM－air thermal energy storage unit［J］.Energy and Buildings，2012，45：124－131.