CN109083303A - 一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖 - Google Patents

一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖，包括固体砖墙本体，前述的固体砖墙本体由三层相变材料顺次叠加构成，固体砖墙本体的外表面分为两部分，一部分为两两固体砖墙本体相邻接触的四个墙砖侧面，其表面为均匀分布的三层相变材料，另一部分为露在空间内的两个墙砖外表面，分别为第一层相变材料表面和第三层相变材料表面；墙砖侧面与墙砖外表面垂直布设；墙砖侧面覆设用于封装的混凝土层；本发明节省大量建筑材料的同时，能够根据室外温度的变化产生响应，随时调节室温向人们感觉舒适的方向进行，让处在该环境中的人们感觉更加舒适，起到更好的保温效果。

Description

一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖
技术领域
本发明涉及一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖，属于建筑材料领域。
背景技术
由于热阻和热容的作用，温度波与热流波通过建筑围护结构时会产生衰减和延迟。目前，建筑围护结构通常采用传统的有机保温隔热材料以满足建筑节能规范对于围护结构热阻的要求；传统的保温墙砖较多是采用后期填充保温材料制成，即先通过制砖模具制砖，砖块形成用于填充保温材料的槽腔，然后向槽腔内填充保温材料即制作形成保温砖；这类保温砖虽然制作生产简单，成本低，但整体强度不佳，保温效果参差不齐。针对上述问题，现有的保温砖较多采用保温材料随模具制砖浇注时一体成型，一定程度上弥补了结构强度欠佳，保温效果参差不齐的缺点，但这类一体成型的保温砖仅仅是浇注料包裹一块规则立方形的保温材料，其强度相比传统的保温砖并没有提升很多，仍然容易出现碎裂等问题。为此，有待对现有的保温砖进行改进。
经过多次实践总结，生产者与实验者发现相变材料在发生相变时具有明显的蓄热效应，可以吸收或释放大量潜热，而自己本身的温度变化不大，将相变材料合理地运用到保温墙砖中，可以使室内温度波动更加平稳，从而提高室内舒适度、降低空调系统的能耗。当前，已有一些学者、工程师采用将相变材料加入空心砌块墙砖的做法，以提高建筑外墙的热容值；然而，他们对相变材料复合砌块内部结构形式的设计在很大程度上依赖于传统空心砌块的设计经验，并没有对复合相变材料的空心砌块的热工性能影响因素进行系统地分析，这就使设计得到的相变材料复合砌块在材料选用、孔型配置以及气候适应性上存在诸多不合理因素，不能在较高水平上发挥出相变材料的特点和优势。
发明内容
本发明提供一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖，节省大量建筑材料的同时，能够根据室外温度的变化产生响应，随时调节室温向人们感觉舒适的方向进行，让处在该环境中的人们感觉更加舒适，起到更好的保温效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖，包括固体砖墙本体，前述的固体砖墙本体由三层相变材料顺次叠加构成，固体砖墙本体的外表面分为两部分，一部分为两两固体砖墙本体相邻接触的四个墙砖侧面，其表面为均匀分布的三层相变材料，另一部分为露在空间内的两个墙砖外表面，分别为第一层相变材料表面和第三层相变材料表面；墙砖侧面与墙砖外表面垂直布设；
墙砖侧面覆设用于封装的混凝土层；
作为本发明的进一步优选，对两个墙砖外表面分别进行同样的至少两次十字形切割，形成4N个大小不均匀的空腔，其中，N≥2；每一次十字形切割形成的两个相邻空腔之间的间隙距离按照进行设置，其中，L为每个间隙的距离，j为切割次数，且j≥2，L0为每排中第2N-1个与第2N-1+1个孔隙间的距离，RL为每次进行十字形切割时相邻空腔之间最小的孔隙距离与最大的孔隙距离的比值，其为固定值，且RL<1；
作为本发明的进一步优选，前述的墙砖侧面均匀分布三层相变材料，在每层相变材料层上按照墙砖外表面空腔间隙距离切割出多个向外凸出的大小不均匀方块结构，依次为低温相变材料层、中温相变材料层和高温相变材料层，相邻两层之间的距离相同；
作为本发明的进一步优选，混凝土层相对墙砖侧面的一侧布设多个与方块结构分布相匹配的混凝土层空腔，混凝土层封装在墙砖侧面外部形成封闭结构；
作为本发明的进一步优选，高温相变材料层选用Na2SO4·10H2O，它的相变温度为32.4℃；中温相变材料层选用Mn(NO3)2·6H2O与MnCl2·4H2O的复合相变材料，它的相变温度为20℃；低温相变材料层选用正十三烷(C13H28)，它的相变温度为-5.45℃；
作为本发明的进一步优选，开设混凝土层空腔后形成的混凝土骨架采用粉煤灰陶粒混凝土或页岩渣混凝土或浮石混凝土或岩棉混凝土或膨胀珍珠岩混凝土。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
按照十字形的切割方式满足分形的生成法则，按照该种比例设置的结构可以兼顾传热与储热能力，在工程实际的热质传输和结构优化方面具有明显的优势；
固体砖墙本体由三层相变材料顺次叠加构成，三种不同相变温度的相变材料可以适用于四个不同的季节，使得该墙砖在每个季节都能发挥作用，而且由于定型相变，对流传热的效应不明显，其传热过程主要受导热控制，当室外温度高于定型相变材料的熔点时，墙体内的相变材料便发生熔化，通过墙体吸收室内的热量，使室温不会升高的过快，维持在人们舒适的范围内；当室外温度低于定型相变材料的凝固点时，墙体内的相变材料便发生凝固，通过墙体对室内放出热量，使室温不会降低的过快，维持在人们舒适的范围内。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的填充有相变材料的十字结构保温墙砖的整体示意图；
图2是本发明的优选实施例在某一时刻的相变层温度分布示意图；
图3是本发明的优选实施例对两个墙砖外表面分别进行同样的至少两次十字形切割后形成的空腔示意图，其中，3a为N为1时的结构示意图，3b为N为2时的结构示意图，3c为N为3时的结构示意图；
图4是本发明的优选实施例与普通保温墙砖在不同季节、相同环境温度工况下自身平均温度变化情况的比较，其中，4a为为春秋季工况，4b为夏季工况，4c为冬季工况。
图中：1为混凝土层，2为低温相变材料层，3为中温相变材料层，4为高温相变材料层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明包括以下特征结构：1为混凝土层，2为低温相变材料层，3为中温相变材料层，4为高温相变材料层。
图1所示，本发明的一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖，包括固体砖墙本体，前述的固体砖墙本体由三层相变材料顺次叠加构成，固体砖墙本体的外表面分为两部分，一部分为两两固体砖墙本体相邻接触的四个墙砖侧面，其表面为均匀分布的三层相变材料，另一部分为露在空间内的两个墙砖外表面，分别为第一层相变材料表面和第三层相变材料表面；墙砖侧面与墙砖外表面垂直布设；
墙砖侧面覆设用于封装的混凝土层；
作为本发明的进一步优选，前述的墙砖侧面均匀分布三层相变材料，在每层相变材料层上按照墙砖外表面空腔间隙距离切割出多个向外凸出的大小不均匀方块结构，依次为低温相变材料层、中温相变材料层和高温相变材料层，相邻两层之间的距离相同；
作为本发明的进一步优选，混凝土层相对墙砖侧面的一侧布设多个与方块结构分布相匹配的混凝土层空腔，混凝土层封装在墙砖侧面外部形成封闭结构；
作为本发明的进一步优选，对两个墙砖外表面分别进行同样的至少两次十字形切割，形成4N个大小不均匀的空腔，其中，N≥2；每一次十字形切割形成的两个相邻空腔之间的间隙距离按照进行设置，其中，L为每个间隙的距离，j为切割次数，且j≥2，L0为每排中第2N-1个与第2N-1+1个孔隙间的距离，RL为每次进行十字形切割时相邻空腔之间最小的孔隙距离与最大的孔隙距离的比值，其为固定值，且RL<1；
作为本发明的进一步优选，高温相变材料层选用Na2SO4·10H2O，它的相变温度为32.4℃；中温相变材料层选用Mn(NO3)2·6H2O与MnCl2·4H2O的复合相变材料，它的相变温度为20℃；低温相变材料层选用正十三烷(C13H28)，它的相变温度为-5.45℃；
作为本发明的进一步优选，开设混凝土层空腔后形成的混凝土骨架采用粉煤灰陶粒混凝土或页岩渣混凝土或浮石混凝土或岩棉混凝土或膨胀珍珠岩混凝土。
图2所示，给出了某一时刻相变层温度分布示意图，凝固换热过程中，各空腔内的相变材料凝固前缘随时间稳定向内运动，靠近壁面的凝固层逐渐变厚，直至相变材料完全凝固。
图3所示，3a为N为1时，也就是对墙砖外表面进行第一次设想切割形成的空腔结构，以这个为基础，根据实际的实验需求，3b是我们选择第二次设想切割形成的空腔结构，3c是第三次设想切割形成的空腔结构，以3c为例，根据十字形的切割方式产生于RL有关的有三个数据，分别为L0，L1，L2，其中RL的选择只要满足RL＝L1/L0＝L2/L1，且是小于1，在此基础上，经过多次实验，我们将范围缩小在0.5-1之间。
固体砖墙本体由三层相变材料顺次叠加构成，三种不同相变温度的相变材料可以适用于四个不同的季节，使得该墙砖在每个季节都能发挥作用，而且由于定型相变，对流传热的效应不明显，其传热过程主要受导热控制；当室外温度高于定型相变材料的熔点时，墙体内的相变材料便发生熔化，通过墙体吸收室内的热量，使室温不会升高的过快，维持在人们舒适的范围内；当室外温度低于定型相变材料的凝固点时，墙体内的相变材料便发生凝固，通过墙体对室内放出热量，使室温不会降低的过快，维持在人们舒适的范围内。
具体的，如高温相变材料层选用Na2SO4·10H2O，它的相变温度为32.4℃，当夏季室外温度达到33℃以上时，Na2SO4·10H2O便会发生相变，吸收热量，使得室内温度不至于上升太高，维持在人们感到舒适的范围内；中温相变材料层选用Mn(NO3)2·6H2O与MnCl2·4H2O的复合相变材料，它的相平衡温度为20℃，春秋季节当室外温度在20℃上下波动时，Mn(NO3)2·6H2O与MnCl2·4H2O的复合相变材料会部分发生相变，以维持室内的温度稳定；低温相变材料层选用正十三烷(C13H28)，它的相变温度为-5.45℃，当冬季室外温度到达-6℃以下时，C13H28便会发生相变，放出热量，延缓室内温度的降低，起到一定的热量补偿。
对两个墙砖外表面分别进行同样的至少两次十字形切割，形成4N个大小不均匀的空腔，此种排布方式，经过大量的模拟实验证明，其传热能力强于其他结构的传热能力，以至于分布在其中的相变材料能够更加快速的完成相变过程，提高了相变速率。
开设混凝土层空腔后形成的混凝土骨架选用粉煤灰陶粒混凝土、页岩渣混凝土、浮石混凝土、岩棉混凝土、膨胀珍珠岩混凝土或掺有其它保温材料的混凝土材料，从而使所述的混凝土骨架具有一定的抗压强度以及良好的耐腐蚀性。
图4所示，填充有相变材料的十字结构保温墙砖和普通保温墙砖在不同季节，相同环境温度工况下，自身平均温度变化情况的比较；
同时以图4中时间节点为0s、1000s、2000s、3000s和4000s做如具体分析：
由图4和上述表格对比可以看出，无论在那个季节工况下，所述的填充有相变材料的十字结构保温墙砖的保温效果都远比普通保温墙砖好。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种填充有相变材料的十字结构保温墙砖，包括固体砖墙本体，其特征在于：前述的固体砖墙本体由三层相变材料顺次叠加构成，固体砖墙本体的外表面分为两部分，一部分为两两固体砖墙本体相邻接触的四个墙砖侧面，其表面为均匀分布的三层相变材料，另一部分为露在空间内的两个墙砖外表面，分别为第一层相变材料表面和第三层相变材料表面；墙砖侧面与墙砖外表面垂直布设；
墙砖侧面覆设用于封装的混凝土层。
2.根据权利要求1所述的填充有相变材料的十字结构保温墙砖，其特征在于：对两个墙砖外表面分别进行同样的至少两次十字形切割，形成4N个大小不均匀的空腔，其中，N≥2；每一次十字形切割形成的两个相邻空腔之间的间隙距离按照进行设置，其中，L为每个间隙的距离，j为切割次数，且j≥2，L0为每排中第2N-1个与第2N-1+1个孔隙间的距离，RL为每次进行十字形切割时相邻空腔之间最小的孔隙距离与最大的孔隙距离的比值，其为固定值，且RL<1。
3.根据权利要求2所述的填充有相变材料的十字结构保温墙砖，其特征在于：前述的墙砖侧面均匀分布三层相变材料，在每层相变材料层上按照墙砖外表面空腔间隙距离切割出多个向外凸出的大小不均匀方块结构，依次为低温相变材料层、中温相变材料层和高温相变材料层，相邻两层之间的距离相同。
4.根据权利要求3所述的填充有相变材料的十字结构保温墙砖，其特征在于：混凝土层相对墙砖侧面的一侧布设多个与方块结构分布相匹配的混凝土层空腔，混凝土层封装在墙砖侧面外部形成封闭结构。
5.根据权利要求3所述的填充有相变材料的十字结构保温墙砖，其特征在于：高温相变材料层选用Na2SO4﹒10H2O，它的相变温度为32.4℃；中温相变材料层选用Mn(NO3)2﹒6H2O与MnCl2﹒4H2O的复合相变材料，它的相变温度为20℃；低温相变材料层选用正十三烷即C13H28，它的相变温度为-5.45℃。
6.根据权利要求4所述的填充有相变材料的十字结构保温墙砖，其特征在于：开设混凝土层空腔后形成的混凝土骨架采用粉煤灰陶粒混凝土或页岩渣混凝土或浮石混凝土或岩棉混凝土或膨胀珍珠岩混凝土。
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