CN104674978A - 一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体，其从外到内依次包括外定型相变墙板层、第一隔热层、墙体层、第二隔热层和内定型相变墙板层，其中外、内定型相变墙板层分别由相变温度为Tm1、Tm2的相变材料制成，该相变温度Tm1被设定为在其暴露环境下全年冷负荷最小，并当墙板层温度等于或高于Tm1时相变材料由固态融化为液态；该相变温度Tm2被设定为在其暴露环境下全年热负荷最小，并且当墙板层温度等于或高于Tm2时相变材料由固态融化为液态。本发明中还对两种定型相变墙板层的相变材料的组分及配料比进行了设计。通过本发明，能够更有效地降低外墙冷负荷和热负荷，显著降低整体能耗，同时具备结构紧凑、适用性强和便于制造及后期维护等特点。

Description

一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体
技术领域
本发明属于被动式节能建筑设备相关领域，更具体地，涉及一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体。
背景技术
在节能减排日益受到关注的今天，建筑物外墙保温技术获得了广泛应用。其虽然能够在一定程度上降低建筑运行能耗，但由于保温材料本身热容有限，不能充分储存能量，因而限制了建筑节能的潜力。为此，可采用热容较高的轻质相变围护结构，相应提高室内舒适度，降低建筑运行能耗，同时缓解高峰的供电不足。
建筑节能领域常用的相变材料(Phase Change Material,PCM)按照化学成分分为有机相变材料和无机相变材料。无机相变材料包括一些水合盐，蓄热密度大，相变温度在室温附近，而且价格低廉。但是无机相变材料易于过冷，在若干次熔解固化循环后蓄热密度大大降低。此外无机相变材料与基体材料或容器之间存在着不相容问题。如硫酸盐对混凝土具有较强的侵蚀性。而对于有机相变材料而言，包括石蜡和脂肪酸等，蓄热密度较大，热学性能稳定，但是其导热系数仍然偏小。为有效克服单一的无机类或有机类相变材料存在的缺点，相变材料的研发必然要走二元或多元复合的方向。
然而，进一步的研究表明，现有技术中关于定型相变材料在建筑中的研究与应用多为单层，其中大部分是采用一种定型相变材料板做成相变墙体、相变地板或相变屋顶，对于全年需要供冷供暖的建筑而言，该形式不能在全年改善围护结构热工特性；另有一部分研究应用则是采用两种定型相变材料板，并分设在不同朝向的围护结构上，两种相变材料可分别在冬季和夏季发挥作用，但这种形式需要占用的围护结构面积很大，对既有建筑或者只有一面外墙的房间而言，实用性受到较大限制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体，其中通过综合考虑建筑外墙自身的应用特点，将不同特性的定型相变材料层同时分设在建筑外墙的内外两侧，同时对其各自的关键性能参数和工作机理、尤其是相变材料组分和配料比等方面进行研究和设计，相应与现有技术相比能够更有效地降低外墙冷负荷和热负荷，显著降低整体能耗，同时具备结构紧凑、适用性强和便于制造及后期维护等特点，因而尤其适用于对现有建筑围护结构的改造和大面积推广应用。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体，其特征在于，该建筑外墙结构体从外到内依次包括外定型相变墙板层、第一隔热层、墙体层、第二隔热层和内定型相变墙板层，其中：
所述外定型相变墙板层由相变温度为Tm1的相变材料制成，并且该相变温度Tm1被设定为在其暴露环境下使得此墙板层的全年冷负荷最小，并且当外定型相变墙板层的温度基本等于或高于相变温度Tm1时，它的相变材料由固态逐步融化为液态，由此吸收热量来降低室内温度波动，同时减少供冷系统的耗能；所述内定型相变墙板层由相变温度为Tm2的相变材料制成，该相变温度Tm2小于所述相变温度Tm1，并被设定为在其暴露环境下使得此墙板层的全年热负荷最小，而且当该内定型相变墙板层温度基本等于或高于相变温度Tm2时，它的相变材料由固态逐步融化为液态并将室内多余的热量吸收并储存，并当室内温度降低且导致内定型相变墙板的温度低于相变温度Tm2时，再将所储存的热量释放出来，由此减少室内温度波动，同时减少供热系统的耗能。
此外，所述外、内定型相变墙板层的相变材料均包括以下组分：质量质量百分比为70～85％的石蜡、质量百分比为5～15％的高密度聚乙烯以及质量百分比为0-15％的膨胀石墨。
作为进一步优选地，所述石蜡优选由熔点处于17℃～25℃范围内的第一类石蜡和熔点处于25℃～49℃范围内的第二类石蜡复合而成，并用作关键组分的相变材料。
作为进一步优选地，对于所述外定型相变墙板层而言，它的相变材料中的石蜡优选由重量比被设定为9:16的第一类石蜡和第二类石蜡复合而成；对于所述内定型相变墙板层而言，它的相变材料中的石蜡优选由重量比被设定为1:1的第一类石蜡和第二类石蜡复合而成。
作为进一步优选地，所述第一类石蜡优选为正十七烷，所述第二类石蜡优选为48号半精炼石蜡。
作为进一步优选地，所述外定型相变墙板层的相变材料包括质量百分比为80％的复合石蜡，质量百分比为15％的高密度聚乙烯和质量百分比为5％的膨胀石墨，并且该复合石蜡由重量比为9:16的正十七烷和48号半精炼石蜡共同复合而成。
作为进一步优选地，所述外、内定型相变墙板层的相变材料的相变潜热优选被设定为190kJ/kg～245kJ/kg的范围内，并且其厚度均为20cm～50cm。
作为进一步优选地，所述外定型相变墙板层的相变温度Tm1优选为28℃～32℃，所述内定型相变墙板层的相变温度Tm2优选为19℃～22℃。
作为进一步优选地，所述外、内定型相变墙板层相变材料的相变半径ΔT温度范围为1℃～2℃。
作为进一步优选地，所述外、内定型相变墙板层分别以块拼接的方式予以贴附，并采用膨胀螺钉紧固，间隙采用胶封；各块的尺寸规格被设定为300mm×200mm或者400mm×200mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用不同特性的定型相变材料层分设在建筑外墙的内外两侧，同时对其各自的关键性能参数和工作机理进行研究和设计，较多的实际测试表明无论对建筑供冷还是采暖的负荷均可实现削峰填谷，有效减小室内温度波动，同时显著降低整体的能耗；此外，通过对上述相变材料的材料组分和配料比等方面进行研究和设计，能够进一步获得潜热大、相变温度可调、经多次蓄/放热性能保持不变，便于加工维护的相变材料层，并尽可能实现节能效果的最大化。
附图说明
图1是按照本发明所构建的具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体的总体构造示意图；
图2是用于显示外定型相变材料层的相变温度变化-全年总冷负荷变化的示意图；
图3是用于显示内定型相变材料层的相变温度变化-全年总热负荷变化的示意图；
图4是采用和未采用双层定型相变材料层两种情况下的室内逐时冷负荷对比示意图；
图5是采用和未采用双层定型相变材料层两种情况下的室内逐时热负荷对比示意图；
图6是采用和未采用双层定型相变材料层两种情况下的夏季室内逐时温度对比示意图；
图7是采用和未采用双层定型相变材料层两种情况下的冬季室内逐时温度对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体的总体构造示意图。如图1中所示，该建筑外墙结构体从外到内依次包括外定型相变墙板层1、第一隔热层2、墙体层3、第二隔热层4和内定型相变墙板层5，其中通过构建这种类似“三明治式”双层定型相变墙体，相应能够在全年内配合作用共同调节室内温度，解决一般单层相变腔体仅利用潜热机理的蓄热/放热作用发挥有限的问题，与现有技术相比显著提高节能效果。
所述外定型相变墙板层1由相变温度为Tm1的相变材料制成，并且该相变温度Tm1被设定为在其暴露环境下使得此墙板层的全年冷负荷最小，并且当外定型相变墙板层温度等于或高于相变温度Tm1时，该外定型相变墙板层中的相变材料由固态转换为液态，由此吸收热量来降低室内温度，同时减少供冷系统的耗能。具体而言，该外定型相变墙板层1主要在夏季发挥作用，当外定型相变墙板层基本等于或高于(例如，Tm1℃)时，外定型相变墙板层由固态逐步融化为液态，吸收室外太阳辐射的热量，减少进入室内房间的热量，从而降低室内温度，减少供冷系统的耗能。举例而言，对于相变半径为ΔT℃的相变材料，外定型相变墙板层在温度[Tm1℃，Tm1+ΔT℃]范围内为固液共存的状态，低于Tm1℃为固态，高于(Tm1+ΔT℃)为液态。当外定型相变墙板层温度达到(例如，Tm1+ΔT℃)时，融化过程完成；随着室外温度的降低，当外定型相变墙板层温度低于(例如，Tm1+ΔT℃)时，外定型相变墙板层开始由液态逐步凝固为固态，放出储存在墙体内的热量，当相变墙板温度达到(例如，Tm1℃)时，凝固过程完成。
所述内定型相变墙板层5由相变温度为Tm2的相变材料制成，该相变温度Tm2小于所述相变温度Tm1，并被设定为在其暴露环境下使得此墙板层的全年热负荷最小，而且当内定型相变墙板层温度基本等于或高于相变温度Tm2时，该内定型相变墙板层中的相变材料由固态逐步融化为液态。具体而言，该内定型相变墙板层5主要在冬季发挥作用，当内定型相变墙板层温度基本等于或高于(例如，Tm2℃)时，内层定型相变墙板层由固态逐步融化为液态，吸收室内多余的热量。对于相变半径为ΔT℃的相变材料，内定型相变墙板层在温度[Tm2℃，Tm2+ΔT℃]范围内为固液共存的状态，低于Tm2℃为固态，高于(Tm2+ΔT℃)为液态。当相变墙板温度达到(例如，Tm2+ΔT℃)时，融化过程完成；随着室内温度的降低，而当内定型相变墙板层温度低于(例如，Tm2+ΔT℃)时，内定型相变墙板层开始由液态逐步凝固为固态，放出储存的热量，提高室内温度，减少供暖系统的耗能，当内定型相变墙板层温度达到(例如，Tm2℃)时，凝固过程完成。
此外，由于定型相变墙板的核心是相变材料，本发明中还结合上述构造设计对两种定型相变材料层的材料组成及配料比进一步进行了研究。按照本发明的优选实施例，所述外、内定型相变墙板层的相变材料均包括以下组分：质量质量百分比为70～85％的石蜡、质量百分比为5～15％的高密度聚乙烯以及质量百分比为0-15％的膨胀石墨。
按照本发明的另一优选实施例，所述石蜡优选由熔点处于17℃～25℃范围内的第一类石蜡(譬如，正十七烷)、和熔点处于25℃～49℃范围内的第二类石蜡(譬如，48号半精炼石蜡)复合而成，并用作关键组分的相变材料。
通过采用高密度聚乙烯(HDPE)作为载体，相应可使得相变墙板在相变过程中保持形状不变，同时实现了无封装、无泄漏，可以与石蜡更好的发生交联，材料的稳定性更好，石蜡在相变过程中不会泄露；而为了增强相变材料的导热性能，进一步加快吸/放热过程，可在相变材料中添加膨胀石墨。尤其是，之所以进行上述具体组百分比分的设计，主要是考虑相变材料性能及在本发明中的运用，具体而言，较高熔点的石蜡可包括46号半精炼石蜡、48号半精炼石蜡，低熔点石蜡可包括17烷C17H36、18烷C18H38或20烷C20H42等，当需要在墙体中使用的低温储能相变材料时，通过混合以上两类石蜡，测试表明基于上述配料比所制得的相变材料潜热大，相变温度可调，经多次蓄/放热性能不变，而且使用寿命长，价格便宜，同时便于加工和后期维护。
按照本发明的另一优选实施例，对于上述两种相变材料而言，外层定型相变墙板中第一类石蜡与第二类石蜡石蜡之间的配料比进一步被设定为9:16混合而成，可得到相变温度譬如为28℃的相变墙板；内层定型相变墙板中相变材料为第一类石蜡与第二类石蜡按1:1混合，可得到相变温度譬如为19℃的相变墙板。
需要指出的是，配比方式不同，可得到具有不同物性参数的材料。由于定型相变墙体在工作过程中极大地应用了相变材料的潜热，为实现相变，相变温度是一个极其重要的参数，因此本发明中以相变温度为主要模拟对象，以便更为准确地确定相变材料的相变温度，以尽可能实现节能效果的最大化。此外，相变材料的关键性能参数除了相变温度，还包括相变潜热和相变板厚度。按照本发明的一个优选实例，所述外定型相变墙板层的相变温度Tm1优选为28℃～32℃，所述内定型相变墙板层的相变温度Tm2优选为19℃～22℃。两类相变墙体层的相变潜热的范围均为190-245kJ/kg，其厚度的范围均为20cm-50cm。作为一个示范性的示例，Tm1被设计为28℃，Tm2被设计为19℃，相变潜热均为200kJ/kg，外、内侧相变板厚度为30cm；此外，本示例中普通建筑围护结构热工特性为：墙(混泥土0.24m；隔热层0.1m；石灰层0.01m)；屋顶(混泥土0.24m；隔热层0.16m；)；地面(地板0.005m；石头0.006m；混泥土0.24m；隔热层0.08m)；窗户为双层隔热窗。内外定型相变墙板层均为0.03m。相应所获得的围护结构热工特性值如表1所示：
表1
下面将参照图2-图5来具体解释按照本发明的工作机理及效果。
模拟中设定相变温度变化区间ΔT为1℃，即外定型相变墙板层的相变温度范围为[Tm1℃，Tm1+1℃]，内定型相变墙板层的相变温度范围为[Tm2℃，Tm2+1℃]。以全年为一个运行周期，将双层定型相变墙体建筑冷热负荷的模拟结果与同样条件下普通墙体的值进行比较，双层定型相变墙体建筑的全年总冷负荷降低了3.5％，全年总热负荷降低了14.8％。通过TRNSYS软件模拟结果图具体如图2－5。
按照上述示例，由图2可得到使全年冷负荷最小的最佳PCM1相变温度为28℃；由图3可得到使全年热负荷最小的最佳PCM2相变温度为19℃。此外，由图4和图5的模拟结果可以看出，与不使用相变材料的房间相比，使用相变材料其供冷季的逐时冷负荷和供热季的逐时热负荷更低。因此大大降低了供冷和供热的能耗。
图6和图7是在室内不设空调的情况下进行模拟的结果图，可以看出,与不使用相变材料的房间相比,使用相变材料可使夏季室内温度更低，使冬季室内温度更高，提高了室内舒适度。
例如可以夏热冬冷地区某办公建筑为模拟平台，通过能耗模拟软件确定外定型相变墙板层的相变温度为28℃，内定型相变墙板层的相变温度为19℃。相应地，可以将外定型相变墙板层中相变材料为17烷与48号半精炼石蜡按9:16混合而成；内定型相变墙板层中相变材料为17烷与48号半精炼石蜡按1:1混合而成。由此更好地满足外、内侧相变层分别在冬季和夏季发挥作用的相变温度要求。
本实例中定型相变墙板层的制作过程为：将质量含量为15％的高密度聚乙烯加热到160℃，熔融后加入质量含量为80％的石蜡相变材料，搅拌混合10分钟，然后加入用高速捏合机破碎后的质量含量为5％的膨胀石墨，搅拌混合10分钟，冷却后破碎，热压成型。内外层相变墙板层厚度均为30cm。
该模拟中双层定型相变墙板用于白天运行的办公建筑。双层定型相变墙体工作原理为：在夏季，外定型相变墙板层在白天由于吸收室外热量，其温度达到其相变温度28℃时，由固态逐步融化为液态，以潜热形式储存室外得热，减少进入室内房间的热量，从而降低室内温度，减少供冷系统的耗能，外定型相变墙板层温度达到29℃时，融化过程完成；在夜间外定型相变墙板层对外释放热量，随着室外温度的降低，其温度低于29℃时，开始由液态凝固为固态，当其温度达到28℃时，凝固过程完成。在冬季，内定型相变墙板层由于吸收室内多余的热量，其温度达到其相变温度19℃时，由固态逐步融化为液态，以潜热形式储存这些热量，当其温度达到20℃时，融化过程完成；当室内温度降低，内定型相变墙板层即释放热量，随着室内温度的降低，当其温度低于20℃时，开始由液态逐步凝固为固态，放出的热量用于提高室内温度，减少供暖系统的耗能，当其温度达到19℃时，凝固过程完成。
综上，按照本发明可获得以下的技术优点：(1)对供冷和采暖的负荷可实现削峰填谷，减小空调负荷，从而减少装机容量；(2)降低夏季室内最高温度，提高冬季室内最低温度，减小室内温度波动范围，提高室内人体舒适度；(3)减小外墙厚度，达到减轻墙体自重、节约建筑材料的目的。因此，本发明专利可广泛用于办公建筑、民用建筑等各种建筑中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具备双层定型相变材料层的建筑外墙结构体，其特征在于，该建筑外墙结构体从外到内依次包括外定型相变墙板层、第一隔热层、墙体层、第二隔热层和内定型相变墙板层，其中：
所述外定型相变墙板层由相变温度为Tm1的相变材料制成，并且该相变温度Tm1被设定为在其暴露环境下使得此墙板层的全年冷负荷最小，并且当外定型相变墙板层的温度基本等于或高于相变温度Tm1时，它的相变材料由固态逐步融化为液态，由此吸收热量来降低室内温度波动，同时减少供冷系统的耗能；所述内定型相变墙板层由相变温度为Tm2的相变材料制成，该相变温度Tm2小于所述相变温度Tm1，并被设定为在其暴露环境下使得此墙板层的全年热负荷最小，而且当该内定型相变墙板层温度基本等于或高于相变温度Tm2时，它的相变材料由固态逐步融化为液态并将室内多余的热量吸收并储存，并当室内温度降低且导致内定型相变墙板的温度低于相变温度Tm2时，再将所储存的热量释放出来，由此减少室内温度波动，同时减少供热系统的耗能。
此外，所述外、内定型相变墙板层的相变材料均包括以下组分：质量质量百分比为70～85％的石蜡、质量百分比为5～15％的高密度聚乙烯以及质量百分比为0-15％的膨胀石墨。
2.如权利要求1所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述石蜡优选由熔点处于17℃～25℃范围内的第一类石蜡和熔点处于25℃～49℃范围内的第二类石蜡复合而成，并用作关键组分的相变材料。
3.如权利要求2所述的建筑外墙结构体，其特征在于，对于所述外定型相变墙板层而言，它的相变材料中的石蜡优选由重量比被设定为9：16的第一类石蜡和第二类石蜡复合而成；对于所述内定型相变墙板层而言，它的相变材料中的石蜡优选由重量比被设定为1:1的第一类石蜡和第二类石蜡复合而成。
4.如权利要求2或3所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述第一类石蜡优选为正十七烷，所述第二类石蜡优选为48号半精炼石蜡。
5.如权利要求2所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述外定型相变墙板层的相变材料包括质量百分比为80％的复合石蜡，质量百分比为15％的高密度聚乙烯和质量百分比为5％的膨胀石墨，并且该复合石蜡由重量比为9:16的正十七烷和48号半精炼石蜡共同复合而成。
6.如权利要求1-5任意一项所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述外、内定型相变墙板层的相变材料的相变潜热优选被设定为190kJ/kg～245kJ/kg的范围内，并且其厚度均为20cm～50cm。
7.如权利要求6所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述外定型相变墙板层的相变温度Tm1优选为28℃～32℃，所述内定型相变墙板层的相变温度Tm2优选为19℃～22℃。
8.如权利要求7所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述外、内定型相变墙板层的相变材料相变半径ΔT温度范围优选为1℃～2℃。
9.如权利要求1-8任意一项所述的建筑外墙结构体，其特征在于，所述外、内定型相变墙板层分别以块拼接的方式予以贴附，并采用膨胀螺钉紧固，间隙采用胶封；各块的尺寸规格被设定为300mm×200mm或者400mm×200mm。
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