黃志林節(jié)能減排說明指導(dǎo)書

新型夾層式節(jié)能相變石膏板及制備工藝闡明書設(shè)計者：黃志林，王麗瓊，魏紅姍，趙方圓，鄭欣指引教師：朱建平（河南理工大學材料科學與工程學院，河南焦作454000） 作品內(nèi)容簡介相變儲能材料是在一定溫度范疇內(nèi)，運用材料自身相變或構(gòu)造變化，依照自身獨特潛熱性能，當環(huán)境溫度升高或減少時，它可以向環(huán)境釋放多余熱量儲存起來或釋放儲存熱量起到保溫作用一種熱功能復(fù)合材料【1-2】。將相變材料添加到石膏板中可以制得新型相變儲能石膏板。相變儲能建筑石膏板兼?zhèn)淦胀ㄊ喟搴拖嘧儾牧蟽烧咛攸c，可以吸取和釋放適量熱能，對溫度起到“削峰填谷”作用，減少空調(diào)使用時間，減少CO2排放量，具備明顯節(jié)能減排作用。膨脹珍珠巖是由火山玻璃質(zhì)熔巖經(jīng)高溫焙燒瞬時膨脹而成一種白色多孔顆粒狀物質(zhì)，其可以作為制備定形相變材料骨架載體。膨脹石墨是一種慣用高導(dǎo)熱型填料。摻入10%膨脹石墨后，復(fù)合相變材料熱響應(yīng)速度明顯提高，即固-液相變進程得到明顯提高，同步也在一定限度上提高了夾層相變儲能石膏板蓄熱速率，增強了其熱互換速度；本設(shè)計采用膨脹珍珠巖吸附相變材料，制成復(fù)合相變儲能顆粒，摻入膨脹石墨，填入石膏板層中，采用夾層式構(gòu)造，底層為石膏層，，頂層為導(dǎo)熱增強石膏層，中間層采用圓柱體空腔設(shè)計，填入復(fù)合相變儲能顆粒，制成一面強導(dǎo)熱，一面低導(dǎo)熱，中間具備高潛熱儲熱性能復(fù)合層式石膏板。采用夾層式構(gòu)造設(shè)計，重要具備如下幾種長處：1)夾層式構(gòu)造設(shè)計比簡樸層式設(shè)計而言，具備較高表面強度，因而更符合建筑石膏板強度規(guī)定。2）夾層式設(shè)計集中了復(fù)合相變儲能材料，摻入導(dǎo)熱石墨后具備較好導(dǎo)熱儲熱性能，因而具備較好調(diào)溫控溫效果，咱們創(chuàng)造新型復(fù)合相變儲能石膏板與既有相變儲能石膏板相比，重要有如下三方面創(chuàng)新：1）配制出了相變焓為137.9kJ/kg相變材芯，相變石膏板調(diào)溫效果明顯，可減少能耗30%。2）用10%膨脹石墨做外加劑，提高了相變石膏板調(diào)溫速率。3）用導(dǎo)熱增強短纖維復(fù)合石膏做頂層，既提高了導(dǎo)熱速率，又增強了石膏板表面強度。聯(lián)系人：黃志林聯(lián)系電話：EMALL:1.作品背景及意義世界范疇內(nèi)對于相變儲能建筑材料研究最早是從上世紀三十年代開始，研究時間較早，而國內(nèi)則是在八十年代才開始研究，研究時間相對較短。當前，國內(nèi)外運用膨脹珍珠巖抽真空吸附相材料來制備復(fù)合相變儲能材料實驗做了許多研究工作，但在與建筑材料復(fù)合上，大多使用浸滲法，直接混合法，多孔基體材料吸附法，微膠囊法[3-5]，但較少采用夾層法，本實驗采用新型夾層式構(gòu)造設(shè)計兼有夾層法能集中相變材料儲熱密度高長處，能更有效進行儲熱換熱過程，熱互換效率大大提高，又在其基本上增強了石膏板強度，具備較大市場優(yōu)勢。 2制備流程圖和詳細制備過程2.1制備流程圖500℃煅燒一小時，去除表面可燃性雜質(zhì)以及少量水分500℃煅燒一小時，去除表面可燃性雜質(zhì)以及少量水分DSC選用適當比例癸酸、棕櫚酸復(fù)配低共熔“合金”配制預(yù)解決配制預(yù)解決相變芯材膨脹珍珠巖相變芯材膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲能材料復(fù)合相變儲能材料與適當比例膨脹石墨混合與適當比例膨脹石墨混合摻有碳纖維石膏漿體相變復(fù)合顆粒/石墨混合物摻有碳纖維石膏漿體相變復(fù)合顆粒/石墨混合物底層及中間有空腔石膏基底層及中間有空腔石膏基復(fù)合相變儲能石膏板復(fù)合相變儲能石膏板2.2詳細制備過程制備復(fù)合相變儲能材料DSC測試后，選取以癸酸：棕櫚酸為85:15比例復(fù)配形成脂肪酸低共熔物為相變芯材，并按照相變材料與膨脹珍珠巖質(zhì)量比為65:35制備復(fù)合相變材料。詳細制備環(huán)節(jié)為：一方面將膨脹珍珠巖置于500℃馬弗爐內(nèi)烘烤2h，以去除其表面水分和有機雜質(zhì)。預(yù)解決：配備一定濃度憎水溶液，對膨脹珍珠巖進行憎水解決，并烘干。另一方面稱取65份固態(tài)相變材料放置于燒杯內(nèi)，將燒杯置于60℃恒溫水浴鍋內(nèi)使其完全融化成液態(tài)，加入35份解決后膨脹珍珠巖顆粒，攪拌均勻，然后再將燒杯置于真空度為0.05MPa，溫度為40℃真空干燥箱中吸附4h，取出，自然冷卻至室溫，即得膨脹珍珠巖/復(fù)配脂肪酸復(fù)合相變材料（CA-PA/EP)。2）與膨脹石墨混合將膨脹石墨按不同比例與制作好復(fù)合相變材料在常溫下攪拌均勻，充分混合。3）制作相變石膏板將適量石膏漿澆入模具中，制出帶有圓柱體空腔半干石膏體，再將混合好復(fù)合相變材料按不同比例加入，覆蓋摻有碳纖維石膏漿體，刮平，等待成型，制備成可以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度相變儲能石膏板，并測試制備石膏板調(diào)節(jié)環(huán)境溫度能力和石膏板物理性能，擬定出復(fù)合相變材料最佳摻加比例。4)產(chǎn)品照片圖1摻膨脹石墨復(fù)合相變顆粒圖2自制定位輔助紙板與復(fù)合相變儲能石膏板圖片3.技術(shù)核心3.1癸酸/棕櫚酸/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲能顆粒與膨脹石墨混合比例將摻有不同比例膨脹石墨復(fù)合材料填入石膏板，進行溫控測試，實驗發(fā)現(xiàn)，摻加10%膨脹石墨，一定限度上可以提高夾層相變儲能石膏板蓄熱速率，增強其熱互換速度。3.2摻入頂層石膏碳纖維比例石膏中摻入碳纖維會提高強度，但同步也會減少石膏黏度，因此摻入碳纖維要有一種適當比例，使其增長強度同步盡量不減少黏度。3.3中間相變層構(gòu)造設(shè)計頂層增強石膏層中間相變材料層底層普通石膏層頂層增強石膏層中間相變材料層底層普通石膏層復(fù)合相變材料材；料石膏基層式設(shè)計構(gòu)造示意圖中間層構(gòu)造示意圖由于石膏凝結(jié)速度較快，因此在調(diào)制成漿體時需要加入適量緩凝劑，使得先后加入石膏漿凝結(jié)速率趨于一致。在添加中間層相變材料時，為了精準按照設(shè)計加入相變復(fù)合材料，咱們制作了定位輔助紙板，來精準加料到中間石膏層圓柱體空腔中，從而制作出符合設(shè)計規(guī)定復(fù)合相變儲能石膏板。4.實驗數(shù)據(jù)解決與闡明4.1復(fù)合相變芯材掃描電鏡分析 下圖3為膨脹珍珠巖基體和復(fù)合相變材料（CA-PA/EP）SEM照片，從（a）可以看出膨脹珍珠巖內(nèi)部呈蜂窩狀多孔構(gòu)造，大某些孔徑在幾微米至幾十微米之間。從（b）可以看出，吸附過脂肪酸相變材料后，膨脹珍珠巖凹坑內(nèi)被相變材料所填充，兩者有效復(fù)合形成了定型相變材料。（a）膨脹珍珠巖SEM照片（b）CA-PA/EP圖3膨脹珍珠巖和CA-PA/EPSEM照片圖a顯示膨脹珍珠巖內(nèi)部存在大量孔構(gòu)造，可以作為相變材料吸附載體使用。圖b顯示相變顆粒均勻吸附于珍珠巖孔徑之中。4.2癸酸/棕櫚酸復(fù)配比例及復(fù)合相變芯材與膨脹珍珠巖配比擬定圖4相變芯材DSC曲線圖5吸附有相變芯材膨脹珍珠巖DSC曲線圖4表白，自制相變芯材復(fù)配比為85:15時相變溫度符合人體舒服溫度規(guī)定，相變焓為137.9J/g，蓄熱能力較強。抽真空吸附實驗證明復(fù)配脂肪酸和膨脹珍珠巖比例為65:35時，吸附量達到飽和。按照如下公式計算復(fù)配脂肪酸/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲能顆粒相變焓值：Q復(fù)合=Q基*65/100其中：Q復(fù)合-吸附飽和復(fù)合相變儲能顆粒相變潛熱值Q基-復(fù)配脂肪酸低共熔“合金”相變潛熱值將Q基為137.9J/g代入公式得，理論復(fù)合相變儲能顆粒相變潛熱為89.64J/g，與實測值88.39J/g相符合。4.3膨脹石墨對層式相變石膏板傳熱性能影響(a)板內(nèi)表面溫度（b）裝置內(nèi)部溫度圖6膨脹石墨對夾層相變石膏板傳熱性能影響上圖6曲線為測試膨脹石墨對夾層相變石膏板傳熱性能影響。其中在復(fù)合相變材料夾層摻入占復(fù)合相變材料質(zhì)量比10%膨脹石墨?？芍?，摻入膨脹石墨后，夾層相變板傳熱性能有所提高。升溫結(jié)束時，摻膨脹石墨相變夾層板內(nèi)表面溫度和裝置內(nèi)部溫度分別為43.4℃和38℃。相比于不摻時狀況，要分別高出3和1.1℃。究其因素是，膨脹石墨屬于高導(dǎo)熱型材料，摻加后，可以提高復(fù)合相變材料熱響應(yīng)速度，使其發(fā)生固-液相變時間變短，因而在相似時間條件下，穿過夾層相變石膏板達到其內(nèi)表面熱量也會相應(yīng)增大，其成果是，夾層板內(nèi)表面以及裝置內(nèi)部溫度均有所增大。由此闡明，摻入一定膨脹石墨可以在一定限度上改進夾層相變石膏板熱響應(yīng)能力，使其吸-放熱循環(huán)過程加速進行。4.4復(fù)合相變材料摻量對石膏板抗壓強度影響表1不同相變材料摻加量石膏強度相變材料摻加量（%）3d絕干抗折強度（MPa）3d絕干抗壓強度(MPa)03.094.55102.784.69202.084.41301.584.09401.343.78隨著相變材料摻量增長，石膏板強度會逐漸稍微下降，30%摻量時強度就下降12.4%，為了滿足建筑材料基本力學性能規(guī)定，同步達到蓄熱儲能目，相變蓄熱復(fù)合材料添加量要有一種適當比例。4.5自制溫控模型測試數(shù)據(jù)分析與節(jié)能效率下圖7為實驗室自制相變儲能石膏板傳熱性能測試裝置，運用圖示裝置可以測試石膏板傳熱性能。測試環(huán)節(jié)為:啟動熱源，使熱量以對流換熱形式傳遞至石膏板一側(cè)，然后熱量再以導(dǎo)熱形式傳遞至測試箱內(nèi)，測試箱內(nèi)部空間大小為30×30×30cm3，其是由一面石膏板和5面EPS保溫板密閉形成正方體空間構(gòu)造。測試箱內(nèi)部空間中心位置以及石膏板內(nèi)表面（遠離熱源面）安放有溫度傳感器，以此來記錄整個測試過程中升降溫溫度曲線。圖7自制相變石膏板控溫測試模型圖8（a）空白板與石膏板內(nèi)表面溫度對比圖8（b）空白板與石膏板裝置空間溫度對比運用自制控溫測試裝置測出摻入相變材料石膏板對封閉空間和石膏板內(nèi)表面溫度影響。與普通石膏板相比，當封閉空間溫度高時，相變石膏板吸取熱量，使溫度減少，其中空間內(nèi)最多可使溫度減少2.70C，而石膏板內(nèi)表面溫度可以減少4.00C；當封閉空間溫度低時，相變石膏板可使空間內(nèi)溫度升高，其中最多可升高1.80C，而石膏板內(nèi)表面溫度可以升高2.60C。闡明本創(chuàng)造新型節(jié)能相變石膏板可以較好地控制環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度保持在較低變化范疇內(nèi)，減少空調(diào)使用時間，達到節(jié)能減排目。為控制變量，咱們選取厚度為50mm石膏板，相變層10mm和15mm進行熱力學性能測試。增長相變夾層厚度有助于提高夾層相變石膏板隔熱性能，增長相變儲能石膏板蓄熱能力和熱惰性；通過研究對比復(fù)合相變材料體積摻量為30%直摻法相變儲能石膏板與夾層相變儲能石膏板，發(fā)現(xiàn)采用改進夾層法時，相變儲能石膏板隔熱效果更佳。圖9matlab擬合空間內(nèi)部溫度曲線函數(shù) 分析裝有不同石膏板空間溫度變化曲線，去掉加熱開始數(shù)據(jù)不穩(wěn)定某些。把0.70h至4.83h時間段曲線用數(shù)學軟件matlab進行擬合，成果如圖11。由于空間吸取熱量是指某一種時間段吸取熱量，在加熱0.7h時裝有空白石膏板和PCM石膏板空間溫度均為240C。按下列公式進行計算：（1）（2）=28.98%（3）其中：為空間內(nèi)熱容為裝有空白石膏板密閉空間內(nèi)變化熱量為裝有PCM石膏板密閉空間比少變化熱量為PCM石膏節(jié)能效率5.特色及創(chuàng)新之處1）配制出了高相變焓相變材芯，相變石膏板調(diào)溫效果明顯，可減少能耗約30%。2）新型夾層式構(gòu)造設(shè)計使得石膏板表面強度大大增強，更符合建筑石膏板強度規(guī)定。3）用摻10%導(dǎo)熱石墨與之混合，提高了相變石膏板調(diào)溫速率，也具備填充珍珠巖顆?？障蹲饔谩?）用品有導(dǎo)熱增強效果碳短纖維復(fù)合入石膏，既提高了導(dǎo)熱速率，又增強了石膏板表面強度。6.推廣應(yīng)用前景分析節(jié)能減排是進一步貫徹貫徹科學發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會重大舉措。本創(chuàng)造新型夾層式構(gòu)造復(fù)合相變儲能石膏板可以明顯控制室內(nèi)溫度。將能量以相變潛熱形式進行貯存,實現(xiàn)能量在不同步空位置之間轉(zhuǎn)換[6]。實驗成果表白，與普通石膏板相比，在人體舒服溫度范疇內(nèi)，夾層相變石膏板隔熱性能更佳，保溫效果更好，作為內(nèi)墻襯板使用時，在相似外界熱環(huán)境下，傳入室內(nèi)熱量要更少某些，可以有效減少室內(nèi)環(huán)境溫度波動幅度，改進室內(nèi)熱舒服度。使用本創(chuàng)造新型節(jié)能相變石膏板可以減少空調(diào)使用時間，減少CO2排放量，具備明顯節(jié)能減排作用，產(chǎn)品市場應(yīng)用前景遼闊。 重要參照文獻[1]LinKunping,ZhangYinping,DIHongfa,etal.Modelingandsimulationofunder-doorelectricheat