CN105254233A - 一种相变储能混凝土及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相变储能混凝土及其制造方法，采用中空的金属材料装置作为相变储能材料的载体，其外围密封，只在顶部设置了一个进料口，仅需对其进行密封即可，封装工艺简便，而且所述金属材料装置为中空，复合量高，并且金属材料的导热性高，可以较好地进行热交换，因此有利于充分发挥相变储能材料的节能作用，取得较好的储能调温效果；在金属材料装置的外围设置有紧扣装置，增强了金属材料装置表面的粗糙度，改善了相变储能金属材料装置与硬化水泥石的界面粘结，提高了相变储能混凝土的强度；因此本发明所述的混凝土及其制造方法，为相变材料应用于建筑节能领域拓宽了路径，为相变储能混凝土的推广应用提供了技术支持。

Description

一种相变储能混凝土及其制造方法

技术领域

本发明涉及相变储能技术领域，尤其涉及的是一种相变储能混凝土及其制造方法。

背景技术

相变材料（PhaseChangeMaterial-PCM）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料在温度较高时，可以吸收热量将其以相变潜热的形式储存起来，在温度较低时，再将吸收的热量释放出来，实现能量在不同时空位置之间的迁移，这就有助于缓解能量的供与求之间的矛盾，有效降低能源消耗。将相变材料应用于建筑领域，能充分利用太阳能这一可再生能源，降低建筑物室内温度波动，有效利用低峰电力削峰填谷，优化电力的负荷，减少建筑能耗，始终维持室内热舒适度。可以预见，相变材料在建筑节能领域有着广泛的应用前景，其将发挥越来越重要的作用。

固-液相变材料由于其储能密度大、体积膨胀率小、相变温度可控等特点，是当前建筑领域中应用最为广泛的相变材料。

目前，相变材料主要应用于建筑围护结构中，例如将相变材料放入石膏板中，做成具有相变储能功能的天棚等非承重结构。如果将其应用于建筑的承重结构材料中，可以拓展相变材料的应用范围，提高建筑节能的效果。混凝土是当前最重要的一种建筑材料，其广泛应用于建筑领域。为了提高居住建筑的舒适性和节能效果，有研究者开始将相变材料加入到混凝土中制备相变储能混凝土。相变储能混凝土是一种结构-功能一体化复合材料，其具有承受荷载和储存能量的双重作用；与此同时，将相变材料加入到混凝土中，也能有效降低混凝土内部温升速率，延缓温度峰值出现的时间，从而有利于解决大体积混凝土水泥水化引起的早期开裂。从相变材料和建筑节能学科发展来看，结构-功能一体化复合材料的研究和应用是必然趋势。

虽然相变储能混凝土优势显著，但是，现阶段相变储能混凝土还存在不足，主要表现在：

1、强度较低

目前，大多数相变储能混凝土的强度都较低，造成这种情况的原因是：大多数封装材料与水泥基体的相容性较差，相变储能多孔材料的表面被封装材料包裹后，会导致其与水泥基体的粘结力变差，从而造成制备的相变储能混凝土的强度较低。

2、储能调温效果较差

大多数相变储能混凝土的储能效果较差，造成这种情况的原因是：1）作为载体的多孔材料，由于自身孔隙率相对较小和孔隙结构的影响，导致其对相变材料的吸附量有限；2）相变储能多孔材料的表面封装效果不理想，经过多次相变循环后，相变材料会发生渗漏，随着时间的推移，吸附在多孔材料内的相变材料会越来越少，最终导致其储能功能失效；3）大多数封装材料的导热系数较低，相变储能多孔材料的表面被封装材料包裹后，会导致吸附在多孔材料内的相变材料的换热效率低，使其不能完全发生相变，或促使其完成相变所需的时间很长，导致相变材料利用率偏低，从而降低其相变储能效果。

上述相变储能混凝土的不足，也是抑制相变储能混凝土发展的瓶颈，制约了相变储能混凝土的推广应用。

因此，现有技术有待于进一步地改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种相变储能混凝土及其制造方法，克服现有技术中相变储能混凝土的强度低、储能调温效果差的缺陷。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种相变储能混凝土，其中，包括：内部封装有相变储能材料的金属材料装置、密封装置，紧扣装置和粗骨料；

所述金属材料装置的顶部设置有相变储能材料的进料口；

所述密封装置，用于对所述金属材料装置的进料口进行封口；

所述紧扣装置，设置在金属材料装置的外围，用于扣紧内部封装有相变储能材料的金属材料装置；

所述金属材料装置与粗骨料按预定比例混合。

所述相变储能混凝土，其中，所述金属材料装置的形状为球型，所述紧扣装置的形状为圆环。

所述相变储能混凝土，其中，所述金属材料装置为钢球；所述紧扣装置为圆形卡圈；

所述圆形卡圈，包括：卡圈本体和设置在卡圈本体上的按耳，所述卡圈上设置有间隔的开孔。

所述相变储能混凝土，其中，所述密封装置包括：紧固件和密封件；

所述紧固件为铆钉；所述密封件为橡胶圈或金属薄垫圈。

所述相变储能混凝土，其中，所述相变储能混凝土还混合有：硅灰、纳米碳酸钙以及钢材阻锈剂。

一种相变储能混凝土的制造方法，其中，包括：

A、利用真空吸入法，使液态相变储能材料通过进料口进入金属材料装置的内部，并对其进行冷却；

B、使用密封装置对内部相变材料凝固的金属材料装置的进料口进行密封；

C、将紧扣装置套扣在密封完成的金属材料装置上；

D、按照预定比例，将套扣完成的金属材料装置与粗骨料混合，制成混凝土。

所述相变储能混凝土的制造方法，其中，所述步骤D中，还包括：

在金属材料装置与粗骨料的混合物中加入硅灰、纳米碳酸钙以及钢材阻锈剂。

所述相变储能混凝土的制造方法，其中，所述金属材料装置为钢球；所述紧扣装置为圆形卡圈；

所述圆形卡圈，包括：卡圈本体和设置在卡圈本体上的按耳，所述卡圈上设置有间隔的开孔；

所述步骤C中包括：

C1、按住按耳使圆形卡圈放大，将放大后的圆形卡圈套在钢球上，然后，放开按耳，让圆形卡圈自动收缩，紧紧地扣住钢球。

所述相变储能混凝土的制造方法，其中，所述步骤A包括：

A1、将中空的金属材料装置放入盛有液体相变储能材料的容器内；

A2、对所述容器抽真空，则液态相变储能材料通过进料口，进入金属材料装置的内部；

A3、将金属材料装置从容器中取出，放置到冰箱内冷却。

所述相变储能混凝土的制造方法，其中，所述密封装置包括：紧固件和密封件；

所述紧固件为铆钉；所述密封件为橡胶圈或金属薄垫圈；

所述步骤B包括：

B1、将橡胶圈或金属薄垫圈套在铆钉的抽芯杆上，然后将其插入内部相变材料凝固的金属材料装置的进料口；

B2、使用铆钉枪抽出铆钉的抽芯杆；

B3、使用液体密封胶将抽芯杆抽出后空出的抽芯孔密封。

有益效果，本发明提供了一种相变储能混凝土及其制造方法，采用中空的金属材料装置作为相变储能材料的载体，其外围密封，只在顶部设置了一个进料口，仅需对其进行密封即可，封装工艺简便，而且所述金属材料装置为中空，复合量高，并且金属材料的导热性高，可以较好地进行热交换，因此有利于充分发挥相变储能材料的节能作用，取得较好的储能调温效果；在金属材料装置的外围设置有紧扣装置，增强了金属材料装置表面的粗糙度，改善了相变储能金属材料装置与硬化水泥石的界面粘结，提高了相变储能混凝土的强度；因此本发明所述的混凝土及其制造方法，为相变储能材料应用于建筑节能领域拓宽了路径，为相变储能混凝土的推广应用提供了技术支持。

附图说明

图1是本发明提供的金属材料装置的结构示意图。

图2是本发明提供的金属材料装置封装好相变储能材料后的平面结构示意图。

图3是本发明提供的金属材料装置封装好相变储能材料后的俯视图。

图4是本发明提供的紧扣装置的结构示意图。

图5是本发明提供的相变储能金属材料装置套上紧扣装置后的立体示意图。

图6是本发明提供的相变储能载体封装相变储能材料的方法步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种相变储能混凝土，结合图1-5，其包括：内部封装有相变储能材料的金属材料装置1、密封装置，紧扣装置6和粗骨料；

所述金属材料装置1的顶部设置有相变储能材料的进料口2；

所述密封装置，用于对所述金属材料装置1的进料口2进行封口；

所述紧扣装置6，设置在金属材料装置的外围，用于扣紧内部封装有相变储能材料的金属材料装置1，从而增加其表面粗糙度；

所述金属材料装置1与粗骨料按预定比例混合。

所述金属材料装置1的形状为球型，所述紧扣装置6的形状为圆环。

所述金属材料装置1为钢球；

所述紧扣装置6为圆形卡圈，包括：卡圈本体和设置在卡圈本体上的按耳61，所述卡圈上设置有间隔的开孔62。

优选地，在具体实施例中，采用空心钢球作为相变材料的载体。使用空心钢球作为相变材料的载体，优点有：1）空心钢球内部为空腔结构，故其空间较大，能吸附大量相变材料；2）空心钢球的导热系数大，有利于增强相变材料的换热效率，从而有利于其完成相变循环，充分发挥储能调温作用；3）空心钢球的外围密封，只在顶部设置了一个进料口，封装时，仅需密封此进料口即可，封装工艺简便且封装效果好。空心钢球作为相变储能材料的载体，有效地解决了相变储能材料载体及其封装工艺的选择、相变储能材料吸收量、相变储能材料渗漏和相变储能材料换热效率等重要技术性问题。

当然可以想到的是，所述金属材料装置也可以设计成其他的形状，比如：正方体形状或者长方体形状，只要其中空，为空心的，而且材料为高导热性材料，即可以满足需求。

优选地，结合图2和图3，为了实现对所示金属材料装置的密封，防止封装在其内部的相变储能材料溢出，所述密封装置，包括：紧固件4和密封件3。

所述紧固件4和密封件3适配连接，将金属材料装置1的进料口2密封。在具体应用时，所述紧固件4可以为铆钉；所述密封件3为橡胶圈或者金属薄垫圈。

采用铆钉密封空心钢球顶部的进料口，铆钉顶部会与空心钢球顶部的进料口周围部位接触，由于空心钢球顶部的进料口周围部位是不平的，导致二者不能充分接触而存在间隙，液态相变储能材料就可能通过此间隙发生渗漏；为解决这个问题，在密封空心钢球顶部的进料口时，使用了密封件，此密封件具有一定的弹性，其作用是填补铆钉顶部与空心钢球顶部的进料口周围接触部位之间的间隙，由于其具有一定的弹性，所以，此密封件能很好地填补上述间隙，使铆钉顶部与空心钢球顶部的进料口周围部位紧紧地接触在一起，从而增强了密闭性，有效地阻止液态相变储能材料发生渗漏。

所述铆钉包括：铆钉本体、设置在铆钉本体上端部的铆钉帽和设置在铆钉本体中间部的铆钉抽芯杆。如图3所示为金属材料装置1密封了相变储能材料后的俯视图，在具体对进料口进行密封时，用抽芯杆套有密封件3的铆钉堵住吸附有液态相变储能材料的空心钢球顶部的进料口，使铆钉顶部与空心钢球顶部的进料口周围部位接触，二者之间隔着密封件，使用A、B组分的密封胶将铆钉抽芯杆抽出后的抽芯孔5进行密封。

为了进一步提高金属材料装置和水泥基体的粘结力，具体地，在本发明中还设计了紧扣装置，如图4所示，所述紧扣装置6用于套扣金属材料装置，从而增加其表面粗糙度；优选地，所述紧扣装置6为圆形卡圈，其上设置有按耳61和多个间隔的开孔62。

在具体实施例中，结合图5所示相变储能金属材料装置1套上紧扣装置6后的立体示意图，将封装好的相变储能空心钢球的表面套上卡圈，具体地，所述卡圈是用优质弹簧钢带材料制成，由弹簧钢一次冲压而成圆型，具有一定的强度和弹性，直径稍比相变储能空心钢球的小，卡圈上留有两个突出供手按的按耳，卡圈上还留有间隔设置的开孔；卡圈上突出的按耳和间隔设置的开孔，能增强相变储能空心钢球和水泥基体的粘结力，提高相变储能混凝土的强度。

所述混凝土中还包括粗骨料，所述金属材料装置与粗骨料按预定比例混合，所述相变混凝土还混合有：硅灰、纳米碳酸钙以及钢材阻锈剂。掺入了适量的硅灰和纳米碳酸钙。硅灰和纳米碳酸钙细小颗粒的掺入可以显著提高混凝土的密实性，有效提高相变储能混凝土的强度。在混凝土中加入了钢材阻锈剂，这样可以显著提高相变储能钢球的在混凝土中的耐久性。

综合考虑强度和储能效果两个关键因素，采用75%的相变储能空心钢球+25%的普通粗骨料，硅灰的掺入量为水泥质量的10%，按照每立方米混凝土的配合比为：水泥的质量为400kg，相变储能空心钢球的质量为819kg，普通粗骨料的质量为273kg，砂的质量为777kg，水的质量为140kg，阻锈剂3kg，硅灰的质量为40kg，纳米碳酸钙10kg，通过普通混凝土的制备工艺获得所述的相变储能混凝土。

储能效果测试结果表明，相变储能空心钢球与普通粗骨料的混合比例为100%/0%的相变储能混凝土的储能效果最好；相变储能空心钢球与普通粗骨料的混合比例为75%/25%的相变储能混凝土的储能效果与100%/0%的较接近。

为证明在相变储能空心钢球的表面套上卡圈能提高其强度，分别对配合比相同，表面套有卡圈和不套卡圈的相变储能混凝土进行强度测试。

测试结果表明，套有卡圈的相变储能混凝土的强度是不套卡圈的相变储能混凝土的1.4倍以上，说明在相变储能空心钢球表面套上卡圈能有效地提高其强度。

本发明所述混凝土，一方面，以空心钢球作为相变储能材料的载体，有效地解决了相变储能材料载体及其封装工艺的选择、相变储能材料吸收量、相变储能材料渗漏和相变储能材料换热效率等关键技术问题，从而保证了相变材料发挥储能功能；另一方面，本发明以相变储能空心钢球作为相变储能混凝土的主要粗骨料，保证了混凝土中有较大量的相变储能材料。上述措施有效地增强了相变储能混凝土的储能效果，保证了其具有较佳的储能效果。

在上述相变储能混凝土的基础上，本发明还提供了一种相变储能混凝土的制造方法，如图6所示，所述方法包括：

S1、利用真空吸入法，使液态相变储能材料通过进料口进入金属材料装置的内部，并对其进行冷却；

S2、使用密封装置对内部相变材料凝固的金属材料装置的进料口进行密封；

S3、将紧扣装置套扣在密封完成的金属材料装置上；

S4、按照预定比例，将套扣完成的金属材料装置与粗骨料混合，制成混凝土。

所述步骤S4中，还包括：

在金属材料装置与粗骨料的混合物中加入硅灰、纳米碳酸钙以及钢材阻锈剂。

所述金属材料装置为钢球；所述紧扣装置为圆形卡圈；

所述圆形卡圈，包括：卡圈本体和设置在卡圈本体上的按耳，所述卡圈上设置有间隔的开孔；

所述步骤S3中包括：

S31、按住按耳使圆形卡圈放大，将放大后的圆形卡圈套在钢球上，然后，放开按耳，让圆形卡圈自动收缩，紧紧地扣住钢球。

所述步骤S1包括：

S11、将中空的金属材料装置放入盛有液体相变储能材料的容器内；

S12、对所述容器抽真空，则液态相变储能材料通过进料口，进入金属材料装置的内部；

S13、将金属材料装置从容器中取出，放置到冰箱内冷却。

所述密封装置包括：紧固件和密封件；

所述紧固件为铆钉；所述密封件为橡胶圈或金属薄垫圈；

所述步骤S2包括：

S21、将橡胶圈或金属薄垫圈套在铆钉的抽芯杆上，然后将其插入内部相变材料凝固的金属材料装置的进料口；

S22、使用铆钉枪抽出铆钉的抽芯杆；

S23、使用液体密封胶将抽芯杆抽出后空出的抽芯孔密封。

下面是此方法的具体实施例。以金属材料装置为空心钢球，以紧扣装置为圆形卡圈为例，对本发明所述混凝土及其制造方法作进一步的说明，其制造的步骤如下：

（1）以空心钢球作为相变储能材料的载体，采用真空吸入法，使空心钢球吸附液态相变储能材料，具体地，所述空心钢球内部空腔、外围密封，只在顶部设置了一个进料口作为相变储能材料的进入通道。

（2）采用套有密封件的铆钉作为封孔材料，通过抽芯的方式将相变储能空心钢球顶部的进料口密封，然后，采用液体胶作为封装材料，通过注入的方式把铆钉上的抽芯孔密封。

（3）在封装好的相变储能空心钢球的表面套上卡圈。在相变储能空心钢球的表面套上卡圈，卡圈的直径稍比所述相变储能空心钢球的小；具体操作方法为：用力按住卡圈的按耳，使卡圈放大，然后，套进所述相变储能空心钢球，再把手松开，卡圈自动收缩，即可使卡圈扣紧相变储能空心钢球。

（4）按照配合比，将套有卡圈的相变储能空心钢球与适量的普通粗骨料混合，同时，掺入适量的硅灰和纳米碳酸钙，在水中加入适量钢材亚硝酸盐类的阻锈剂，按普通混凝土的制备技术拌制所述相变储能混凝土。

通过上述方法制造出以相变储能空心钢球为主、混合适量的普通粗骨料组成的混合物为粗骨料系统的相变储能混凝土。由于以相变储能空心钢球为主要粗骨料，所以，所述混凝土具有较佳的储能效果，混合适量普通粗骨料的作用是提高相变储能混凝土的强度；因此所述混凝土既具有较佳的储能效果，也具有较优的强度，从而保证了其同时发挥承受荷载和储存能量的双重作用。

本发明提供了一种相变储能混凝土及其制造方法，采用中空的金属材料装置作为相变储能材料的载体，其外围密封，只在顶部设置了一个进料口，仅需对其进行密封即可，封装工艺简便，而且所述金属材料装置为中空，复合量高，并且金属材料的导热性高，可以较好地进行热交换，因此有利于充分发挥相变储能材料的节能作用，取得较好的储能调温效果，在金属材料装置的外围设置有紧扣装置，增强了金属材料装置表面的粗糙度，改善了相变储能金属材料装置与硬化水泥石的界面粘结，提高了相变储能混凝土的强度，因此本发明所述的混凝土及其制造方法，为相变储能材料应用于建筑节能领域拓宽了路径，为相变储能混凝土的推广应用提供了技术支持。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种相变储能混凝土，其特征在于，包括：内部封装有相变储能材料的金属材料装置、密封装置、紧扣装置和粗骨料；

所述金属材料装置的顶部设置有相变储能材料的进料口；

所述密封装置，用于对所述金属材料装置的进料口进行封口；

所述紧扣装置，设置在金属材料装置的外围，用于扣紧内部封装有相变储能材料的金属材料装置；

所述金属材料装置与粗骨料按预定比例混合。

2.根据权利要求1所述相变储能混凝土，其特征在于，所述金属材料装置的形状为球型，所述紧扣装置的形状为圆环。

3.根据权利要求1或2所述相变储能混凝土，其特征在于，所述金属材料装置为钢球；所述紧扣装置为圆形卡圈；

所述圆形卡圈，包括：卡圈本体和设置在卡圈本体上的按耳，所述卡圈本体上设置有间隔的开孔。

4.根据权利要求1所述相变储能混凝土，其特征在于，所述密封装置包括：紧固件和密封件；

所述紧固件为铆钉；所述密封件为橡胶圈或金属薄垫圈。

5.根据权利要求1所述相变储能混凝土，其特征在于，所述相变储能混凝土还混合有：硅灰、纳米碳酸钙以及钢材阻锈剂。

6.一种如权利要求1所述相变储能混凝土的制造方法，其特征在于，包括：

A、利用真空吸入法，使液态相变储能材料通过进料口进入金属材料装置的内部，并对其进行冷却；

B、使用密封装置对内部相变材料凝固的金属材料装置的进料口进行密封；

C、将紧扣装置套扣在密封完成的金属材料装置上；

D、按照预定比例，将套扣完成的金属材料装置与粗骨料混合，制成混凝土。

7.根据权利要求6所述相变储能混凝土的制造方法，其特征在于，所述步骤D中，还包括：

在金属材料装置与粗骨料的混合物中加入硅灰、纳米碳酸钙以及钢材阻锈剂。

8.根据权利要求6所述相变储能混凝土的制造方法，其特征在于，所述金属材料装置为钢球；所述紧扣装置为圆形卡圈；

所述圆形卡圈，包括：卡圈本体和设置在卡圈本体上的按耳，所述卡圈本体上设置有间隔的开孔；

所述步骤C中包括：

C1、按住按耳使圆形卡圈放大，将放大后的圆形卡圈套在钢球上，然后，放开按耳，让圆形卡圈自动收缩，紧紧地扣住钢球。

9.根据权利要求8所述相变储能混凝土的制造方法，其特征在于，所述步骤A包括：

A1、将中空的金属材料装置放入盛有液体相变储能材料的容器内；

A2、对所述容器抽真空，则液态相变储能材料通过进料口，进入金属材料装置的内部；

A3、将金属材料装置从容器中取出，放置到冰箱内冷却。

10.根据权利要求6所述相变储能混凝土的制造方法，其特征在于，所述密封装置包括：紧固件和密封件；

所述紧固件为铆钉；所述密封件为橡胶圈或金属薄垫圈；

所述步骤B包括：

B1、将橡胶圈或金属薄垫圈套在铆钉的抽芯杆上，然后将其插入内部相变材料凝固的金属材料装置的进料口；

B2、使用铆钉枪抽出铆钉的抽芯杆；

B3、使用液体密封胶将抽芯杆抽出后空出的抽芯孔进行密封。