蓄熱混凝土在建筑材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王 飛

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714000)

人口的增長(zhǎng)、城市的快速發(fā)展使得資源的緊缺問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，節(jié)約能源勢(shì)在必行。從1997—2014年,全球能源消耗增加了92%[1-2]，其中交通、工業(yè)、住宅、商業(yè)貢獻(xiàn)率最高分別為30%、29%、27%、9%。根據(jù)各個(gè)國(guó)家的統(tǒng)計(jì)溫室氣體的30%來(lái)源于建筑 物[3-4]。圖1為世界建筑行業(yè)能耗增長(zhǎng)變化圖。資料顯示大多數(shù)人90%的時(shí)間都在室內(nèi)度過(guò)。因此，建筑的節(jié)能和熱舒適性是值得商榷的問(wèn)題。冷卻和加熱建筑物所需的能量以及熱舒適性在很大程度上取決于所用建筑材料的熱物理性質(zhì)[5]。蓄熱混凝土是一種非常有潛力的材料可以利用自身材料結(jié)構(gòu)性能在保溫、降溫節(jié)能方面都表現(xiàn)出良好的性能，溫度較高時(shí)充當(dāng)散熱器，外部環(huán)境較冷時(shí)充當(dāng)熱源，其原理圖如圖2所示。因此本文主要通過(guò)蓄熱混凝土的物理特性進(jìn)行分析，對(duì)蓄熱混凝土的各項(xiàng)影響指標(biāo)和發(fā)展前景進(jìn)行綜述。

圖1 世界建筑行業(yè)能耗

圖2 蓄熱材料的熱行為

1 蓄熱混凝土熱物理性能評(píng)價(jià)

1.1 導(dǎo)熱系數(shù)

穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法是測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)兩種主要的方法[6]。而瞬態(tài)平面電源(TPS)和熱線(xiàn)法被認(rèn)為是最常見(jiàn)的用于瞬態(tài)條件測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法。在研究水泥基材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)約60%的情況下都使用瞬態(tài)測(cè)量方法。在測(cè)量樣品時(shí)保持樣品溫度穩(wěn)定狀態(tài)隨著時(shí)間的變化而變化，試樣放置在熱板和冷板之間。向樣品提供熱量，并用試樣處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)熱電偶。導(dǎo)熱系數(shù)使用以下公式：

(1)

式中:Q為熱流密度，W/m2；T為溫度,K;ΔT為溫度差,K;A為薄板厚度，m。

1.2 比熱容

恒溫式測(cè)熱儀是用來(lái)測(cè)定熱交換的儀器，包括熱交換的速率和熱容。等溫線(xiàn)、等周線(xiàn)和絕熱線(xiàn)是三個(gè)根據(jù)傳熱條件分類(lèi)的恒溫式測(cè)熱儀。通常情況下，使用測(cè)熱儀，未知樣品與具有已知參數(shù)的參考材料混合。這些材料之間發(fā)生熱傳遞，一種物質(zhì)所散發(fā)的熱量等于另一種物質(zhì)所吸收的熱量。Islam和Tarefder[7]使用泡沫冰箱作為量熱計(jì)，如圖3所示。用一個(gè)圓柱形的樣品而不是一根橫梁樣品。用隔熱材料做成盒子。研究人員測(cè)量了水和樣品的質(zhì)量以及標(biāo)本的表面溫度，然后在箱內(nèi)溫度50.5 ℃，經(jīng)過(guò)42 min后達(dá)到平衡溫度，熱容用式(2)計(jì)算。

圖3 泡沫冰箱作為量熱計(jì)測(cè)量混凝土的熱容

(2)

式中：m為質(zhì)量，kg；T為初始溫度，K，Teq為加熱后平讀溫度，K；mi為平衡后物質(zhì)質(zhì)量，kg；c為比熱容，J/kg·k-1;ci為平衡后物質(zhì)比熱容，J/kg·k-1。Schutter和Taerwe[7]將熱量計(jì)定位在恒溫箱中用庚烷代替水的水浴。測(cè)試設(shè)備是如圖4所示。

1.3 熱擴(kuò)散系數(shù)

激光閃光法是測(cè)量混凝土熱擴(kuò)散系數(shù)最常用的瞬態(tài)方法[8-9]。這種方法是基于在圓盤(pán)狀樣品的一個(gè)表面上施加一個(gè)非常短但很強(qiáng)的激光能量脈沖，同時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)面的溫度漂移。根據(jù)升溫的特征與時(shí)間之間的關(guān)系，使用式(3)計(jì)算熱擴(kuò)散系數(shù)。

圖4 Schutter和Taerwe用于水泥漿體熱容測(cè)量的原理圖

(3)

式中：α為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；x為厚度，m；t1/2為信號(hào)達(dá)到最大值的50%所需的時(shí)間,s。

2 水泥基材料的潛熱儲(chǔ)存

磚、水、混凝土、土坯和夯實(shí)土(高溫建筑應(yīng)用中的大量材料)是最常用的通過(guò)顯熱蓄熱降低建筑物內(nèi)能耗的材料。相變材料(PCM)是一種具有優(yōu)越的熔化熱的材料。動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊能夠存儲(chǔ)和釋放在一定溫度下熔化和凝固的能量。將著材料與建筑材料結(jié)合被認(rèn)為是一種提高材料蓄熱能力的有效方法。PCMs是改善熱性能的首選相變溫度范圍內(nèi)建筑物的舒適性。當(dāng)熱舒適溫度在夏季18～30 ℃，冬季21.0～23.0 ℃。

PCMs可分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和共晶。有機(jī)和無(wú)機(jī)PCMs在建筑中應(yīng)用最為廣泛。目前的研究論文大多認(rèn)為有機(jī)PCMs具有較大的應(yīng)用前景，例如安全性、化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。有機(jī)PCMs可以是分為石蠟型和非石蠟型。石蠟(PAR)熔化溫度在20～70 ℃。一些研究報(bào)告成功使用26 ℃變化溫度下混凝土中的有機(jī)PCMs。非石蠟PCMs的熔點(diǎn)相同范圍為石蠟PCMs。非石蠟PCMs的缺點(diǎn)是成本較高，約是石蠟PCMs的三倍。無(wú)機(jī)PCMs適用于建筑應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫膶?dǎo)熱系數(shù)、高蓄熱能力、低成本和易接近性。

3 總 結(jié)

發(fā)展綠色節(jié)能的建筑材料是未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，而蓄熱混凝土是一種非常具有潛力的建筑節(jié)能材料，本文綜述了蓄熱混凝土中幾個(gè)關(guān)鍵的物理參數(shù)及他們的測(cè)定方法，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了的相變材料在蓄熱混凝土中應(yīng)用的幾種類(lèi)型。