黄志林节能减排说明书.docx
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黄志林节能减排说明书
黄志林节能减排说明书
新型夹层式节能相变石膏板及制备工艺说明书
设计者：
黄志林，王丽琼，魏红姗，赵方圆，郑欣
指导教师：
朱建平
（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454000）
作品内容简介
相变储能材料是在一定温度范围内，利用材料本身相变或结构的变化，根据自身独特潜热性能，当环境温度升高或降低的时，它能够向环境释放多余的热量储存起来或释放储存的热量起到保温作用的一种热功能复合材料【1-2】。
将相变材料添加到石膏板中能够制得新型相变储能石膏板。
相变储能建筑石膏板兼备普通石膏板和相变材料两者的特点，能够吸收和释放适量的热能，对温度起到“削峰填谷”的作用，减少空调的使用时间，减少CO2的排放量，具有明显的节能减排作用。
膨胀珍珠岩是由火山玻璃质熔岩经高温焙烧瞬时膨胀而成的一种白色多孔颗粒状物质，其能够作为制备定形相变材料的骨架载体。
膨胀石墨是一种常见的高导热型填料。
掺入10%膨胀石墨后，复合相变材料的热响应速度明显提高，即固-液相变进程得到明显提升，同时也在一定程度上提高了夹层相变储能石膏板的蓄热速率，增强了其热交换速度；
本设计采用膨胀珍珠岩吸附相变材料，制成复合相变储能颗粒，掺入膨胀石墨，填入石膏板层中，采用夹层式结构，底层为石膏层，，顶层为导热增强石膏层，中间层采用圆柱体空腔设计，填入复合相变储能颗粒，制成一面强导热，一面低导热，中间具有高潜热储热性能的复合层式石膏板。
采用夹层式结构设计，主要具有如下几个优点：
1）夹层式结构设计比简单层式设计而言，具有较高的表面强度，因此更符合建筑石膏板的强度要求。
2）夹层式设计集中了复合相变储能材料，掺入导热石墨后具有较好的导热储热性能，因此具有较好的调温控温效果，
我们创造的新型复合相变储能石膏板与现有的相变储能石膏板相比，主要有以下三方面的创新：
1）配制出了相变焓为137.9kJ/kg的相变材芯，相变石膏板调温效果明显，可降低能耗30%。
2）用10%膨胀石墨做外加剂，提高了相变石膏板调温速率。
3）用导热增强短纤维复合石膏做顶层，既提高了导热速率，又增强了石膏板的表面强度。
联系人：
黄志林联系电话：
EMALL:
1.作品背景及意义
世界范围内对于相变储能建筑材料的研究最早是从上世纪三十年代开始的，研究时间较早，而中国则是在八十年代才开始研究，研究时间相对较短。
当前，国内外利用膨胀珍珠岩抽真空吸附相材料来制备复合相变储能材料的试验做了许多研究工作，但在与建筑材料的复合上，大多使用的浸渗法，直接混合法，多孔基体材料吸附法，微胶囊法[3-5]，但较少采用夹层法，本实验采用的新型夹层式结构设计兼有夹层法能集中相变材料储热密度高的优点，能更有效的进行储热换热过程，热交换效率大大提高，又在其基础上增强了石膏板的强度，具有较大的市场优势。
2制备流程图和详细制备过程
2.1制备流程图
2.2详细制备过程
1）制备复合相变储能材料
DSC测试后，选择以癸酸：
棕榈酸为85:
15的比例复配形成的脂肪酸低共熔物为相变芯材，并按照相变材料与膨胀珍珠岩质量比为65:
35制备复合相变材料。
具体制备步骤为：
首先将膨胀珍珠岩置于500℃马弗炉内烘烤2h，以去除其表面的水分和有机杂质。
预处理：
配置一定浓度的憎水溶液，对膨胀珍珠岩进行憎水处理，并烘干。
其次称取65份固态相变材料放置于烧杯内，将烧杯置于60℃的恒温水浴锅内使其完全融化成液态，加入35份处理后的膨胀珍珠岩颗粒，搅拌均匀，然后再将烧杯置于真空度为0.05MPa，温度为40℃的真空干燥箱中吸附4h，取出，自然冷却至室温，即得膨胀珍珠岩/复配脂肪酸复合相变材料（CA-PA/EP）。
2）与膨胀石墨混合
将膨胀石墨按不同的比例与制作好的复合相变材料在常温下搅拌均匀，充分混合。
3）制作相变石膏板
将适量的石膏浆浇入模具中，制出带有圆柱体空腔的半干石膏体，再将混合好的复合相变材料按不同的比例加入，覆盖掺有碳纤维的石膏浆体，刮平，等待成型，制备成能够调节环境温度的相变储能石膏板，并测试制备的石膏板调节环境温度的能力和石膏板的物理性能，确定出复合相变材料的最佳掺加比例。
4）产品照片
图1掺膨胀石墨的复合相变颗粒图2自制定位辅助纸板与复合相变储能石膏板图片
3.技术关键
3.1癸酸/棕榈酸/膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒与膨胀石墨的混合比例
将掺有不同比例的膨胀石墨复合材料填入石膏板，进行温控测试，实验发现，掺加10%的膨胀石墨，一定程度上能够提高夹层相变储能石膏板的蓄热速率，增强其热交换速度。
3.2掺入顶层石膏的碳纤维的比例
石膏中掺入碳纤维会提高强度，但同时也会降低石膏的黏度，因此掺入的碳纤维要有一个合适的比例，使其增加强度的同时尽量不降低黏度。
3.3中间相变层的结构设计
本设计根据两种材料采用不同结构复合后的格里菲斯强度比较，选用的是夹层式结构，相变材料相间填入由石膏板构成的圆柱体空腔中。
具体结构示意图如下：
层式设计结构示意图中间层结构示意图
由于石膏凝结速度较快，因此在调制成浆体时需要加入适量缓凝剂，使得前后加入的石膏浆凝结速率趋于一致。
在添加中间层的相变材料时，为了精确的按照设计加入相变复合材料，我们制作了定位辅助纸板，来精确加料到中间石膏层的圆柱体空腔中，从而制作出符合设计要求的复合相变储能石膏板。
4.实验数据处理与说明
4.1复合相变芯材扫描电镜分析
下图3为膨胀珍珠岩基体和复合相变材料（CA-PA/EP）的SEM照片，从（a）能够看出膨胀珍珠岩内部呈蜂窝状多孔结构，大部分孔径在几微米至几十微米之间。
从（b）能够看出，吸附过脂肪酸相变材料后，膨胀珍珠岩的凹坑内被相变材料所填充，两者有效复合形成了定型相变材料。
（a）膨胀珍珠岩SEM照片（b）CA-PA/EP
图3膨胀珍珠岩和CA-PA/EP的SEM照片
图a显示膨胀珍珠岩内部存在大量的孔结构，能够作为相变材料的吸附载体使用。
图b显示相变颗粒均匀的吸附于珍珠岩的孔径之中。
4.2癸酸/棕榈酸复配比例及复合相变芯材与膨胀珍珠岩配比的确定
图4相变芯材DSC曲线图5吸附有相变芯材的膨胀珍珠岩DSC曲线
图4表明，自制相变芯材复配比为85:
15时的相变温度符合人体舒适温度要求，相变焓为137.9J/g，蓄热能力较强。
抽真空吸附实验证明复配脂肪酸和膨胀珍珠岩的比例为65:
35时，吸附量达到饱和。
按照如下公式计算复配脂肪酸/膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒的相变焓值：
Q复合=Q基*65/100
其中：
Q复合-吸附饱和复合相变储能颗粒的相变潜热值
Q基-复配脂肪酸低共熔“合金”的相变潜热值
将Q基为137.9J/g代入公式得，理论复合相变储能颗粒的相变潜热为89.64J/g，与实测值88.39J/g相符合。
4.3膨胀石墨对层式相变石膏板传热性能的影响
（a）板内表面温度（b）装置内部温度
图6膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能的影响
上图6曲线为测试的膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能的影响。
其中在复合相变材料夹层掺入占复合相变材料质量比10%的膨胀石墨。
可知，掺入膨胀石墨后，夹层相变板的传热性能有所提高。
升温结束时，掺膨胀石墨的相变夹层板内表面温度和装置内部温度分别为43.4℃和38℃。
相比于不掺时的情况，要分别高出3和1.1℃。
究其原因是，膨胀石墨属于高导热型材料，掺加后，能够提高复合相变材料的热响应速度，使其发生固-液相变的时间变短，因而在相同时间条件下，穿过夹层相变石膏板达到其内表面的热量也会相应的的增大，其结果是，夹层板的内表面以及装置内部温度均有所增大。
由此说明，掺入一定的膨胀石墨能够在一定程度上改进夹层相变石膏板的热响应能力，使其吸-放热循环过程加速进行。
4.4复合相变材料掺量对石膏板抗压强度的影响
表1不同相变材料掺加量的石膏强度
相变材料掺加量（%）
3d绝干抗折强度（MPa）
3d绝干抗压强度（MPa）
0
3.09
4.55
10
2.78
4.69
20
2.08
4.41
30
1.58
4.09
40
1.34
3.78
随着相变材料掺量的增加，石膏板的强度会逐渐稍微下降，30%掺量时强度就下降12.4%，为了满足建筑材料基本的力学性能要求，同时达到蓄热储能的目的，相变蓄热复合材料的添加量要有一个合适的比例。
4.5自制温控模型测试数据分析与节能效率
下图7为实验室自制的相变储能石膏板传热性能测试装置，利用图示装置能够测试石膏板的传热性能。
测试步骤为:
开启热源，使热量以对流换热的形式传递至石膏板一侧，然后热量再以导热的形式传递至测试箱内，测试箱的内部空间大小为30×30×30cm3，其是由一面石膏板和5面EPS保温板密闭形成的正方体空间结构。
测试箱内部空间中心位置以及石膏板内表面（远离热源的面）安放有温度传感器，以此来记录整个测试过程中的升降温温度曲线。
图7自制相变石膏板控温测试模型
图8（a）空白板与石膏板的内表面温度对比图8（b）空白板与石膏板的装置空间温度对比
利用自制控温测试装置测出掺入相变材料的石膏板对封闭空间和石膏板内表面的温度的影响。
与普通石膏板相比，当封闭空间温度高时，相变石膏板吸收热量，使温度降低，其中空间内最多可使温度降低2.70C，而石膏板内表面温度能够降低4.00C；当封闭空间温度低时，相变石膏板可使空间内温度升高，其中最多可升高1.80C，而石膏板内表面的温度能够升高2.60C。
说明本创造的新型节能相变石膏板能够很好地控制环境温度，使环境温度保持在较低的变化范围内，减少空调的使用时间，达到节能减排的目的。
为控制变量，我们选择厚度为50mm石膏板，相变层10mm和15mm进行热力学性能测试。
增加相变夹层的厚度有利于提高夹层相变石膏板的隔热性能，增加相变储能石膏板的蓄热能力和热惰性；经过研究对比复合相变材料体积掺量为30%的直掺法相变储能石膏板与夹层相变储能石膏板，发现采用改进的夹层法时，相变储能石膏板的隔热效果更佳。
图9matlab拟合的空间内部温度曲线函数
分析装有不同石膏板的空间的温度变化曲线，去掉加热开始的数据不稳定的部分。
把0.70h至4.83h时间段的曲线用数学软件matlab进行拟合，结果如图11。
由于空间吸收的热量是指某一个时间段吸收的热量，在加热0.7h时装有空白石膏板和PCM石膏板的空间温度均为240C。
按下列公式进行计算：
（1）
（2）
=28.98%（3）
其中：
为空间内热容
为装有空白石膏板的密闭空间内变化的热量
为装有PCM石膏板的密闭空间比
少变化的热量
为PCM石膏节能的效率
5.特色及创新之处
1）配制出了高相变焓的相变材芯，相变石膏板调温效果明显，可降低能耗约30%。
2）新型夹层式结构设计使得石膏板的表面强度大大增强，更符合建筑石膏板的强度要求。
3）用掺10%的导热石墨与之混合，提高了相变石膏板调温速率，也具有填充珍珠岩颗粒空隙的作用。
4）用具有导热增强效果的碳短纤维复合入石膏，既提高了导热速率，又增强了石膏板的表面强度。
6.推广应用前景分析
节能减排是深入贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措。
本创造的新型夹层式结构复合相变储能石膏板能够明显的控制室内温度。
将能量以相变潜热的形式进行贮存,实现能量在不同时空位置之间的转换[6]。
实验结果表明，与普通石膏板相比，在人体舒适温度范围内，夹层相变石膏板隔热性能更佳，保温效果更好，作为内墙衬板使用时，在相同外界热环境下，传入室内的热量要更少一些，能够有效降低室内环境温度的波动幅度，改进室内热舒适度。
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