發泡陶瓷裝配式輕質結構相變房的搭建及內環境研究

2021-07-30 16:10:50彭羅文次恩達陳威威雷強艾明星李曉卿王會李建強

新型建筑材料 2021年7期

彭羅文，次恩達，陳威威，雷強，艾明星，李曉卿，王會，李建強

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京，100013；2.建研科技股份有限公司，北京 100013；3.中國科學院過程工程研究所，北京 100190）

0 引言

相變材料是一種能伴隨溫度變化改變自身物質狀態而提供潛熱的物質，將相變材料與建筑圍護結構相結合，不僅可以增大圍護結構的熱阻，提高圍護結構的保溫節能效率，還可以利用其相態變化進行吸熱或放熱而對熱能進行儲存或釋放，調控建筑內部溫度，提高內部環境的熱舒適性和穩定性，從而達到建筑節能的目的[1-4]。

我國從2015年以來陸續出臺裝配式建筑規劃，并從2016年起全面推廣裝配式建筑。整體廚房、整體衛浴等集成化程度較高的模塊化部品和裝配式墻體、裝配式吊頂等標準化程度較高的集成化部品作為裝配式建筑的重要組成部分，得到

越來越廣泛的關注[5]。發泡陶瓷板是以工業固體廢棄物或其他礦物原料為主要原料，摻加少量外加劑和發泡劑，經高溫焙燒發泡而制成的具有保溫隔熱性能的輕質板狀陶瓷制品。發泡陶瓷材料采用工業廢渣，符合國家節能減排政策；而且發泡陶瓷板綜合性能指標優勢較明顯，具有較好的保溫隔熱、防火防水及隔聲效果，具備易于組裝，可以隨意切割等特點，非常適合裝配式建筑。本文以一體化設計、工業化生產、現場干作業方式搭建了發泡陶瓷輕質結構房，并從提升建筑材料功能、降低建筑能耗和調整建筑內部環境舒適度的角度出發，針對相變蓄能建筑材料目前普遍存在的滲漏問題、利用率問題、耐久性及適用性問題等，在現有研究的基礎上將相變材料、鋁蜂窩芯與面板通過粘接材料逐層復合成相變儲能蜂窩板[6]，然后集成到發泡陶瓷板上。研究在不同環境溫度的影響下輕質結構相變房的內環境情況，以評價其建筑節能效果。

1 試驗

1.1 原材料

水合無機鹽：無水氯化鈣，氯化鈣含量>96.0%，分析純，中國科學院過程工程研究所提供；片狀膨脹石墨：50目，青島天和達石墨有限公司；表面活性劑：OP-10，化學純，成核劑：SrCl2·6H2O，分析純，西隴化工股份有限公司。

1.2 性能測試

材料的熱物性參照JC/T 2111—2012《建筑材料相變調溫性能測試方法》進行測試，相變儲能板材性能參照JC/T 2339—2015《地暖用相變儲能材料及構件》進行測試。

1.3 金屬蜂窩調溫裝飾板的制備

1.3.1 復合相變儲能材料的制備

針對水合無機鹽揮發或分解導致相變材料減少、儲熱能力降低等問題，設計利用無機多孔材料獨特的多孔結構和優良的天然吸附性能，結合水合無機鹽相變材料制備新型的復合相變儲能材料，研究了同體積條件下柱狀活性炭、片狀膨脹石墨、活性氧化鋁球、活性白土、13X分子篩等不同類別的無機多孔顆粒對水合無機鹽相變儲能材料的吸附性。試驗發現，吸附效率由大到小依次為：活性氧化鋁球>片狀膨脹石墨>柱狀活性炭>活性白土>13X分子篩。

經過多次儲/放熱循環試驗發現，活性氧化鋁球、柱狀活性炭等載體在水合無機鹽相變過程中體積變化產生的應力作用下易發生破碎，而且儲/放熱循環越多、時間越長，破壞現象越明顯。故選用既有較好的吸附效率、又有優異的體積穩定性的片狀膨脹石墨材料作為無機吸附材料，制備石墨基復合相變儲能材料。為提高吸附材料的吸附率和熱穩定性，在參考現有制備復合相變材料方法[1，7-8]的基礎上，利用真空浸漬法制備了具有高導熱系數、優異的熱穩定性的復合相變材料。這樣在使用過程中復合相變儲能材料能夠保持形狀相對固定，無液態流體生成，可以增強體系的穩定性，來緩解水合無機鹽的揮發，并降低其對封閉底材的腐蝕性。其制備過程如下：

（1）將片狀膨脹石墨與制備好的水合無機鹽混合均勻，在真空烘箱中將其加熱到40℃，保持真空狀態2 h，使水合無機鹽充分吸附到膨脹石墨的空隙中，之后將其取出放置于室溫環境下。

（2）由于XRD顯示水合無機鹽與膨脹石墨吸附基質之間只是簡單的物理吸附，步冷曲線測試顯示復合材料的過冷度仍較大。故而向上述步驟（1）制備的復合定形相變材料中加入一定量的表面活性劑和成核劑，制得過冷度在1.4℃以內、導熱系數為3.523 W/（m·K）的復合定形相變材料，其相變溫度為26.8~27.7℃，相變潛熱為180.9 kJ/kg。

1.3.2 相變儲能板材的制備

為防止相變材料在使用過程中出現泄漏、揮發等問題，通過專用設備將無機水合鹽形變材料注入鋁蜂窩復合板的分倉構造孔隙中，與面層鋁板、裝飾面板通過逐層復合技術最終壓制成型為金屬蜂窩調溫板。無機水合鹽相變材料的屬性決定了其對金屬蜂窩調溫裝飾板的耐久性具有潛在的危害。為了研究無機水合鹽對鋁合金腐蝕的影響，設計以3003鋁蜂窩芯為基材，在北京6～8月室外自然條件下以相變溫度分別為52、30、27℃的無機水合鹽包覆鋁蜂窩芯2個月后觀察外觀顯微形貌（見圖1）。

圖1 鋁蜂窩芯腐蝕一定時間后的表面顯微形貌

從圖1可見，由于無機水合鹽中含有大量的腐蝕性離子，包覆在無機水合鹽相變材料中2個月后，鋁蜂窩芯表面都出現了不同程度的腐蝕，而且隨著相變溫度的降低，腐蝕逐漸嚴重。這種現象說明鋁蜂窩芯的耐蝕性能不僅與無機水合鹽相變材料中腐蝕性離子的種類和多少有關，還與無機水合鹽相變材料的相變溫度有關，相變溫度越低，相變發生越頻繁，腐蝕越快。

而常用的相變材料相變溫度都在30℃以下，為了提高金屬蜂窩調溫裝飾板的使用性能和耐久性，對鋁蜂窩芯和鋁板表面采取了噴涂防腐涂層的防腐處理方式。試驗發現，在鋁蜂窩芯表面先噴涂1道防腐底漆和1道氟碳樹脂，置于自然條件下相變溫度為27℃左右的無機水合鹽相變材料24個月后，掃描電鏡觀察微觀形貌可以看到鋁蜂窩芯表面幾乎未受腐蝕[見圖1（d）]。

綜上，通過選用具有高導熱系數、優異熱穩定性的石墨基復合相變儲能材料，并對鋁蜂窩芯和鋁板表面防腐處理，本實驗制備的金屬蜂窩調溫裝飾板測得相變潛熱為1573.8 kJ/m2，經過120次耐冷熱循環，未出現變形、開裂和泄漏現象。

1.4 發泡陶瓷輕質結構房

本實驗按照制備整體衛生間的構造形式，采用干法施工、零部件工廠預制、現場組裝的施工工藝搭建了發泡陶瓷輕質結構房（見圖2），其中發泡陶瓷板密度為400 kg/m3。

圖2 發泡陶瓷輕質結構房建筑構造

防水底盤構造：采用支撐器作為下部支撐，便于內部安裝地漏、排水管等。支撐器上部鋪設發泡陶瓷板周圈進行磨槽處理，用于固定安裝L型翻邊金屬框，該金屬框起到固定地板作用的同時將地板做成翻邊構造，防止房間內部水外溢。L型金屬框安裝就位后鋪設自粘防水層形成結構防水底盤。

墻板間連接構造：墻板水平連接采用在板中、下部位各預埋1根表面與板面平齊無外露的中空套筒，并用緊固膠填充的預埋連接方案，板上部預埋螺紋套筒用于組裝過程與頂部連接件的固定及整體結構的加固。

墻板間的裝配方式：墻板間連接采用連接銷進行現場裝配，裝配過程中套筒內孔填充緊固膠用于加固處理，墻板上部采用安裝專用連接件，并通過螺栓進行連接裝配。

墻板與防水底盤裝配方式：墻板下部外側開槽加工，開槽寬度及高度大于防水底盤L型金屬邊框的高度及厚度，當整個墻體安裝就位后形成一個倒扣的盒體結構安裝在防水底盤中。

墻板安裝就位后在防水層上再鋪設1層發泡陶瓷板作為增強層，增強層生產時可直接復合瓷磚、大理石等飾面層，地面裝配合格后安裝門窗和其他部品、部件。建成后的輕質結構房適用于商場、酒店、學校、工業廠房、過渡性設施、高端別墅以及旅游景區用房等建筑體系。

1.5 實驗布置

本實驗以北京地區為例，輕質結構房（對照房）由90 mm厚發泡陶瓷板搭建，相變房由復合有金屬蜂窩調溫裝飾板的同規格發泡陶瓷板搭建，實驗房外尺寸均為1200 mm×1400 mm×2200 mm，在南面墻體上分別開有尺寸為1800 mm×530 mm可向外開啟的鋁合金玻璃門（如圖3）。

圖3 相變房和對照房

發泡陶瓷輕質結構房搭建完畢后，對照房在底板、墻板上再復合一層無相變材料的薄型陶瓷飾面金屬蜂窩復合板，相變房在底板、墻板上再復合一層內置相變材料的薄型陶瓷飾面金屬蜂窩調溫裝飾板。此外，對照房屋頂粘貼8 mmPVC板后抹灰，相變房屋頂粘貼8 mm厚填充有復合相變材料的PVC板后抹灰。相變房和對照房內部空間、墻體壁面、屋頂面抹灰層及室外都布置有測溫探頭，便于在試驗過程中對所有房間內外部溫度、屋頂溫度等參數同步進行實時監控。其中測試房間內部溫度的測溫探頭距離底板約20 cm，測試室外溫度的測溫探頭距離水泥地面約20 cm，實驗時間從2019年8月下旬至2019年11月下旬，屬于夏末至冬初，晝夜溫差較大，會出現中午溫度較高、夜間溫度驟降的現象。實驗過程中，房間門呈密閉狀態。

1.6 性能評價指標

為了對房間的熱性能進行評估，選取了時間延遲（φ）、溫度衰減因子（f）以及熱舒適率（FTC）作為性能評價指標[1]。時間延遲越大，溫度衰減因子越小，熱舒適率越高，房間的熱性能越好。

2 結果與分析

2.1 內部外溫度對比分析

本實驗選取了北京地區白天氣溫高于27℃的夏末秋初、白天平均氣溫低于27℃但部分時段在27℃以上的深秋以及白天氣溫在15℃以下的秋末冬初3個時間段，記錄相變房和對照房內部環境溫度以及室外地面溫度。實驗過程溫度對比曲線如圖4所示。

圖4 不同時間段相變房與對照房內環境溫度以及室外地面溫度對比

由圖4可知，在氣溫較高的8～10月，白天時段相變房內部溫度明顯低于對照房內部溫度，相變房內部最高溫度比對照房內部最高溫度低3~10℃；夜間相變房內部溫度高于對照房內部溫度，相變房最低溫度比對照房最低溫度高2~6℃。這主要是由于相變材料在白天熔化時可以吸收大量的熱能，而在夜間凝固時可以釋放出儲存的熱量，這樣可以降低房屋內部溫度的波動。

由圖4（a）可知，在白天氣溫高于27℃的2019年8月30日至9月5日，室外地面溫度白天時段明顯高于對照房和相變房內部溫度，夜間明顯低于對照房和相變房內部溫度。

由圖4（b）可知，在白天平均氣溫低于27℃但部分時段在27℃以上的2019年10月19日至10月23日，室外地面溫度白天時段明顯高于相變房內部溫度卻低于對照房內部溫度，夜間明顯低于對照房和相變房內部溫度。發生這種現象的原因在于相變房與對照房墻體構造組成不同。由于保溫性能主要取決于圍護結構的傳熱系數，發泡陶瓷板是一種多孔輕質保溫材料，其傳熱系數為1.12 W/（m2·K），傳熱阻較大，因而其保溫性能較好，屋內熱量難以散去。但因為復合薄型陶瓷飾面金屬蜂窩復合板的發泡陶瓷對照房屬于輕質圍護結構體系，熱穩定性較差，隔熱性能較差，易受太陽輻射的影響，內表面溫度容易上升，內置鋁蜂窩導熱性很好，熱量往對照房內部聚集，所以對照房內部溫度比室外地面溫度高。相變房由于內置相變材料而熱容量比較大，使內部溫度變化減緩，室內溫度較為穩定。

由圖4（c）可知，在氣溫較低的11月，由于所用的相變材料相變溫度高于內部溫度，沒有相變焓產生，晚間相變房內部溫度與對照房內部溫度沒有明顯的差異，但白天對照房受太陽輻射的影響更大，發泡陶瓷板內表面溫度容易升得較高，導致對照房內部溫度高于相變房。

2.2 屋頂內壁溫度對比分析

相變房與對照房內部熱環境的差異不僅體現在房間內部溫度的變化，還體現在圍護板材內表面溫度的變化。圖5為2019年8月下旬至9月上旬相變房和對照房屋頂內壁溫度對比。

從圖5可以看到，溫度低于27℃時，相變房屋頂內壁溫度曲線與對照房屋頂內壁溫度曲線幾乎重合；溫度高于27℃時，采用了相變材料的相變房屋頂內壁峰值溫度低于對照房屋頂內壁溫度。可以認為，采用無機水和鹽相變材料可以增大建筑圍護結構的熱容量，可以有效阻隔和延緩太陽輻射產生的熱量流入建筑內部，其機理是當室外熱量通過圍護結構向內部流動時，不斷被相變物質的相變過程（熔化）所吸收。

圖5 相變房和對照房屋頂內表面溫度對比

2.3 房間熱性能對比分析

參照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》將舒適溫度范圍定為22~28℃，則圖4（a）對應的對照房、相變房的FTC分別為34.4%、26.3%，圖4（b）對應的對照房、相變房的FTC分別為12.1%、21.5%。發生這一現象的

原因在于所用的相變材料相變點溫度已接近舒適溫度范圍上限，當相變房內部空氣溫度升高到相變溫度以上時，相變材料發揮了蓄熱調溫效果，使相變房內部溫度升高受到一定的抑制；在相變溫度以下時，相變材料發揮了釋放熱量的效果，而鋁蜂窩的傳熱系數遠大于發泡陶瓷板，故此時對相變房熱量往房間內傳遞，使相變房內部溫度高于對照房。這實際上構成了一種單向調溫體系。同時也說明，要提高建筑的熱舒適率，應根據不同的氣候條件選擇合適的相變溫度的相變材料，并在圍護結構中集成具有不同相變溫度的復合相變材料。

表1為對照房、對照房峰值溫度相對室外地面峰值溫度的時間延遲和溫度衰減因子。