CN114215217A - 一种光热储能墙体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光热储能墙体，包括从外到内顺次设置面层、储能层、防水层和内饰面层，面层为改性沥青基光热复合材料，具体包括以下重量份的成分：沥青100份、改性剂10‑20份、碳材料5‑30份、分散剂0.1‑1份、抗氧剂0.1‑3、耐紫外线老化剂0.1‑3份；储能层由储能混凝土制成。墙体面层在白天接受太阳光照射，将太阳光能吸收并转换为热能，对整个墙体进行加热，储能层将传递到墙体的热量快速吸收，并储存起来。当室内温度低于墙体温度时，储存于墙体的热能释放出来，提供建筑物内所需要的热量。本发明的光热储能墙体，将太阳光这一可再生能源有效转换、储存并利用，达到建筑物低碳节能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑节能环保的技术领域，具体涉及一种光热储能墙体。
背景技术
人类社会的快速发展导致能源的快速消耗。近十年，随着经济的发展和社会的进步，能耗生产总量出现了持续增长，但我国可持续能源利用率低，在资源和环境的双重压力下，节能已成为亟需解决的问题。建筑能耗在社会总能耗中占比较大，且已经成为继工业能耗、交通能耗后第三大社会能耗消耗主体，储热材料由于具有巨大的蓄热性能，能储存多余的热量，并在需要时释放出来，降低了建筑物的运行能耗。同时，太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，将其收集并应用于建筑中，不但大量减少二次能源消耗，而且在基本不消耗其他能源的情况下，能满足建筑用能需求。
相变材料(包括有机物和无机物)通过改变自身的状态来吸收和释放能量，而本身的温度几乎恒定不变，当环境温度升高时，相变材料会从固态转变为液态，吸收和储存能量，另一方面当环境温度下降时，材料具有释放先前储存能量的能力，相变材料从液态转变为固态，释放出能量。而且吸收和释放的潜热相当大，单位体积储存的能量是传统岩石、混凝土等材料的5-14倍。将相变材料引入混凝土制备的储能建筑材料，既能够保证传统建筑材料所需的力学性能，又可通过相变存储热能，并在需要的时候释放出来，还可有效调节室内温度变化，兼具绿色环保和低碳节能的优点，成为目前国内外研究和应用的热点。
在现有技术中，储能建筑材料的热量来源主要有：工厂多余的热能、太阳能集热器收集的热能、以及太阳光直接照射产生的热量。然而，储热建筑材料并不能高效地将太阳辐射的光能吸收并转化为热能，造成储热建筑材料及结构对太阳能的储存量有限。
光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程，以有效地满足不同负载的要求。目前，光热转换主要应用于太阳能蒸汽发电、海水淡化、太阳能收集、光热治疗、废水/污水净化等，而将光热转换材料直接应用于建筑表面，提高建筑物光热转换率和储热能力的研究较少。
墙体是建筑物相对较大的受光面，将光热转换材料负载于墙体表面，能够增加墙体对太阳光的吸收和光热转换效率，光热转换得到的热能储存于墙体内部的储能混凝土，当室内温度低于墙体温度时，储能混凝土所储存的热能传递给室内空气，从而提高室内温度，减小建筑物取暖能耗，达到建筑低碳节能的目的。碳材料因其优异的光热转换效率、高吸光度、低发射率，且材料本身廉价容易获取而成为了光热转换材料的首选，但碳材料应用于建筑物表面结合力不强、容易脱落、光热转换效率降低。
发明内容
针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种光热储能墙体。在墙体外侧面层引入吸光度较好的沥青材料，利用沥青的高粘度和高附着力，将光热效果优异的碳材料牢固负载于储能墙体表面，形成具有光热转换功能的面层；采用抗氧剂和耐紫外老化剂，提高沥青材料的使用寿命；且由于沥青具有很好的密封性能，提高了墙体的防水和抗裂性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种光热储能墙体，其特征在于，包括从外到内顺次设置面层、储能层、防水层和内饰面层；所述面层为改性沥青基光热复合材料，具体包括以下重量份的成分：沥青100份、改性剂10-20份、碳材料5-30份、分散剂0.1-1份、抗氧剂0.1-3、耐紫外线老化剂0.1-3份。
进一步的，所述的储能层由储能混凝土制成，具体包括以下成分：水泥、储热介质、导热介质和纤维；所述的储热介质为相变储能集料或预吸水高吸水树脂SAP颗粒；所述的导热介质为铝粉、石墨、石墨烯和氮化硼中的一种或几种。
进一步的，称取100重量份的沥青置于油浴锅内，在温度160-200℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入10-20重量份的改性剂、5-30重量份的碳材料、0.1-1重量份的分散剂、0.1-3重量份的抗氧剂和0.1-3重量份耐紫外线老化剂后，在油浴条件下搅拌15-45min,搅拌速度为500-600r/min，油浴温度为180-200℃。
进一步的，所述沥青为煤焦沥青、石油沥青和乳化沥青中的一种或几种。
进一步的，所述碳材料为石墨、石墨烯、碳黑和碳纳米管中的一种或几种。
进一步的，所述改性剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和乳化剂中的一种或几种；所述的抗氧剂为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、N-苯基-α-萘胺和烷基吩噻嗪中的一种或几种；所述的耐紫外老化剂为硫代二丙酸双十二醇酯、二苯甲酮类、苯并三唑类化合物。
进一步的，所述的面层与储能层之间喷涂硅烷偶联剂。
进一步的，所述的防水层为防水涂料(聚氨酯类)、防水密封胶(硅酮类、聚硫类)中的一种；所述的内饰面层为织物、无纺布、墙纸或涂料中的任意一种。
进一步的，所述的储能层中还设置有钢筋和导热丝，所述的导热丝为连续碳纤维或金属丝。
进一步的，所述面层厚度为0.5-5mm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的光热储能墙体的面层具有较高的光热转换效率，在相同的太阳光照条件下，表面温度升高明显，比普通墙体表面温度高20℃左右；墙体内部温度明显高于普通墙体，且墙体内部温度降低至环境温度所需的时间更长。
(2)利用沥青材料高粘度、高附着力、高吸光度和防水性的特点，引入分散剂、抗氧剂和耐紫外老化剂，将碳材料牢固负载于储能墙体表面，延长了光热储能墙体的服役寿命。
(3)光热储能墙体应用于建筑结构中，不需要消耗电能和燃料，将太阳光这一可再生能源有效转换、储存并利用，达到建筑物低碳节能的目的。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种光热储能墙体，包括面层、储能层、防水层和外饰面层。面层具有光热转换功能，在白天接受太阳光照，并将太阳光吸收转换为热能；得到的热能传递并储存在储能层内部，当外界温度低于墙体温度时，储能层将热量释放出来；储能层外部设置密封防水层，防止储能墙体内部水分的散失；在靠近室内一侧设置饰面层，增加墙体的美观。光热储能墙体中还可设置钢筋笼骨架和导热丝，以增加墙体的强度和导热能力。
实施例1
一种光热储能墙体的制备方法如下：
步骤1、在墙体成型模具底部平整铺设塑料薄膜；
步骤2、称取100重量份煤焦沥青置于油浴锅内，在180℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入10重量份SBS作为改性剂、20重量份碳黑、1重量份十二烷基苯磺酸钠作为分散剂、0.1重量份二烷基二硫代磷酸锌作为抗氧剂、3重量份硫代二丙酸双十二醇酯作为耐紫外线老化剂，油浴搅拌30min,搅拌速度为600r/min，温度为200℃，制备出改性沥青基光热复合材料待用；
步骤3、将作为光热转换面层材料的改性沥青基光热复合材料加热至流动状体，通过摊铺或喷涂的方式在上述步骤1模具内薄膜上，形成1mm厚的光热转换面层，待该面层材料冷却稳定后，在其表面均匀喷射硅烷偶联剂；
步骤4、将绑扎好的钢筋笼置于模具中，钢筋笼的两层钢筋网之间穿插设置连续碳纤维作为导热丝，导热丝的密度为200根/m2；
步骤5、将步骤4得到的设置有导热丝的钢筋笼置于模具中，确保底部一侧钢筋网与模具内光热转换面层平整接触；
步骤6、在模具中浇筑储能混凝土，储能混凝土中储热介质为预吸水的高吸水SAP颗粒，其体积含量为60％，表面覆盖塑料薄膜，养护1天，脱模；
步骤7、在步骤6得到的墙体表面浸渍防水涂料，形成防水层；
步骤8、将上一步得到的墙体防水层外侧设置织物，形成饰面层，得到光热储能墙体，墙体厚度为30cm。
在太阳光照射下，墙体的温度数据见表1，环境温度20±2℃。
实施例2
一种光热储能墙体的制备方法如下：
步骤1、在墙体成型模具底部平整铺设塑料薄膜；
步骤2、称取100重量份煤焦沥青置于油浴锅内，在180℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入20重量份SBS作为改性剂、30重量份石墨、1重量份十二烷基硫酸钠作为分散剂、3重量份二烷基二硫代氨基甲酸锌作为抗氧剂、2重量份二苯甲酮作为耐紫外线老化剂，油浴搅拌30min,搅拌速度为600r/min，温度为200℃，制备出改性沥青基光热复合材料待用；
步骤3、将作为光热转换面层材料的改性沥青基光热复合材料加热至流动状体，通过摊铺或喷涂的方式在上述步骤1模具内薄膜上，形成0.5mm厚的光热转换面层，待该面层材料冷却稳定后，在其表面均匀喷射硅烷偶联剂；
步骤4、将绑扎好的钢筋笼置于模具中，钢筋笼的两层钢筋网之间穿插设置连续碳纤维作为导热丝，导热丝的密度为150根/m2；
步骤5、将步骤4得到的设置有导热丝的钢筋笼置于模具中，确保底部一侧钢筋网与模具内光热转换面层平整接触；
步骤6、在模具中浇筑储能混凝土，储能混凝土中储热介质为膨胀珍珠岩吸附硬脂酸丁酯后用石灰石粉末改性制成相变储能集料，其体积含量为45％，表面覆盖塑料薄膜，养护1天，脱模；
步骤7、在步骤6得到的墙体表面喷涂防水涂料，形成防水层；
步骤8、将上一步得到的墙体防水层外侧粘贴无纺布，形成饰面层，得到光热储能墙体，墙体厚度为20cm。
在太阳光照射下，墙体的温度数据见表1。
实施例3
一种光热储能墙体的制备方法如下：
步骤1、在墙体成型模具底部平整铺设塑料薄膜；
步骤2、称取100重量份煤焦沥青置于油浴锅内，在200℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入15重量份SBS作为改性剂、5重量份石墨烯、5重量份碳纳米管、1重量份十二烷基硫酸钠作为分散剂、1重量份二烷基二硫代氨基甲酸锌作为抗氧剂、2重量份二苯甲酮类化合物作为耐紫外线老化剂，油浴搅拌45min,搅拌速度为500r/min，温度为200℃，制备出改性沥青基光热复合材料待用；
步骤3、将作为光热转换面层材料的改性沥青基光热复合材料加热至流动状体，通过摊铺或喷涂的方式在上述步骤1模具内薄膜上，形成2mm厚的光热转换面层，待该面层材料冷却稳定后，在其表面均匀喷射硅烷偶联剂；
步骤4、将绑扎好的钢筋笼置于模具中，钢筋笼的两层钢筋网之间穿插设置连续碳纤维作为导热丝，导热丝的密度为100根/m2；
步骤5、将步骤4得到的设置有导热丝的钢筋笼置于模具中，确保底部一侧钢筋网与模具内光热转换面层平整接触；
步骤6、在模具中浇筑储能混凝土，储能混凝土中储热介质为轻集料吸附石蜡制成的相变储能集料，其体积含量为45％，表面覆盖塑料薄膜，养护1天，脱模；
步骤7、在步骤6得到的墙体表面喷涂防水涂料，形成防水层；
步骤8、将上一步得到的墙体防水层外侧设置涂料，形成饰面层，得到光热储能墙体，墙体厚度为35cm。
在太阳光照射下，墙体的温度数据见表1。
实施例4
一种光热储能墙体的制备方法如下：
步骤1、在墙体成型模具底部平整铺设塑料薄膜；
步骤2、称取100重量份煤焦沥青置于油浴锅内，在160℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入20重量份SBS作为改性剂、15重量份石墨烯、5重量份碳纳米管、0.5重量份十二烷基硫酸钠作为分散剂、2重量份烷基吩噻嗪作为抗氧剂、1重量份苯并三唑类化合物作为耐紫外线老化剂，油浴搅拌35min,搅拌速度为600r/min，温度为180℃，制备出改性沥青基光热复合材料待用；
步骤3、将作为光热转换面层材料的改性沥青基光热复合材料加热至流动状体，通过摊铺或喷涂的方式在上述步骤1模具内薄膜上，形成5mm厚的光热转换面层，待该面层材料冷却稳定后，在其表面均匀喷射硅烷偶联剂；
步骤4、将绑扎好的钢筋笼置于模具中，钢筋笼的两层钢筋网之间穿插设置铝丝作为导热丝，导热丝的密度为200根/m2；
步骤5、将步骤4得到的设置有导热丝的钢筋笼置于模具中，确保底部一侧钢筋网与模具内光热转换面层平整接触；
步骤6、在模具中浇筑储能混凝土，储能混凝土中储热介质为膨胀石墨吸附石蜡制成的相变储能集料，其体积含量为25％，表面覆盖塑料薄膜，养护1天，脱模；
步骤7、在步骤6得到的墙体表面喷涂防水涂料，形成防水层；
步骤8、将上一步得到的墙体防水层外侧设置涂料，形成饰面层，得到光热储能墙体，墙体厚度为30cm。
在太阳光照射下，墙体的温度数据见表1。
实施例5
一种光热储能墙体的制备方法如下：
步骤1、在墙体成型模具底部平整铺设塑料薄膜；
步骤2、称取100重量份煤焦沥青置于油浴锅内，在180℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入20重量份SBS作为改性剂、20重量份石墨烯、0.8重量份十二烷基硫酸钠作为分散剂、2重量份烷基吩噻嗪作为抗氧剂、2重量份硫代二丙酸双十二醇酯作为耐紫外线老化剂，油浴搅拌40min,搅拌速度为600r/min，温度为200℃，制备出改性沥青基光热复合材料待用；
步骤3、将作为光热转换面层材料的改性沥青基光热复合材料加热至流动状体，通过摊铺或喷涂的方式在上述步骤1模具内薄膜上，形成5mm厚的光热转换面层，待该面层材料冷却稳定后，在其表面均匀喷射硅烷偶联剂；
步骤4、将绑扎好的钢筋笼置于模具中，钢筋笼的两层钢筋网之间穿插设置铜丝作为导热丝，导热丝的密度为200根/m2；
步骤5、将步骤4得到的设置有导热丝的钢筋笼置于模具中，确保底部一侧钢筋网与模具内光热转换面层平整接触；
步骤6、在模具中浇筑储能混凝土，储能混凝土中储热介质为膨胀石墨吸附石蜡制成的相变储能集料，其体积含量为25％，表面覆盖塑料薄膜，养护1天，脱模；
步骤7、在步骤6得到的墙体表面喷涂防水涂料，形成防水层；
步骤8、将上一步得到的墙体防水层外侧设置涂料，形成饰面层，得到光热储能墙体，墙体厚度为40cm。
在太阳光照射下，墙体的温度数据见表1。
传统的建筑物外层在接触到太阳光照射后，温度上升缓慢，最高温度可达50-60℃，而本发明实施例中，当光热储能墙体的光热转换面层在接受太阳光的直射后，其表面在半个小时内可以达到50℃，最高温度超过70℃。相比于传统建筑墙体，本实施例中的储能墙体温度上升的更快，所能达到的最高温度更高。传统建筑墙体，在受到太阳光照后，热能由表面向内部传递缓慢，内部温度上升缓慢，难以最大维持相变材料发生相变材料所需要的热量。本实施例中的光热储能墙体，在墙体表面温度上升后能快速通过钢筋网和导热丝传递到储能墙体内部，内部温度可以快速达到50℃以上，且能保持较长的时间，可以给储能混凝土供足够的热量。
与传统建筑墙体相比，本实例中的储能墙体在白天受到光照储存足够的热量之后，在环境温度降低时，相变材料储存的热量可以维持长达12h,且相比于没加入储能材料的墙体温度高5℃左右。且温度浮动更小，减少了建筑物的能量损耗。
表1实施例光热储能墙体温度数据
对比例1：
本对比例的墙体的结构与实施例1相同，所不同的是内部采用普通混凝土替代储能混凝土，在相同的自然光照条件下，墙体的温度数据如表2所示。
对比例2：
本对比例的墙体的主体结构和材料与实施例1相同，所不同的是墙体最外层没有光热转换层，储能混凝土直接暴露在最外层，在相同的自然光照条件下，墙体的温度数据如表2所示。
对比例3：
本对比例的墙体的主体结构与实施例1相同，所不同的是墙体最外层没有光热转换层，墙体主材由普通混凝土浇筑而成，在相同的自然光照条件下，墙体的温度数据如表2所示。
表2对比例墙体温度数据
通过实验数据可以得出，本发明中的储热墙体，受到墙体光热转换面层碳材料含量、储能墙体层中储热介质掺量、储能墙体的厚度、墙体内部插入导热丝的密度等因素的影响。增加光热转换面层碳材料含量，光热面层对太阳光吸收增强。墙体加厚，墙体内部所添加的储热介质总量增加，储存的热量增加。增加储能墙体层内部的储热介质掺量，储能墙体储存的热量增加，储热时间更长。墙体光热面层的温度通过墙体内部的导热丝传递到整个墙体，导热丝数量增多，热量传递加快。
从对比例可以看出，与普通混凝土制成的墙体、有光热转换面层的普通混凝土墙体，以及由不含光热转换面层的储能混凝土墙体相比，本发明中的光热储能墙体表面温度和内部温度都要高10℃以上，最终降至室温所需要的时间更长。充分说明了本发明中的一种光热储能墙体具有良好的光热转换和储热性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光热储能墙体，其特征在于，包括从外到内顺次设置面层、储能层、防水层和内饰面层；所述面层为改性沥青基光热复合材料，具体包括以下重量份的成分：沥青100份、改性剂10-20份、碳材料5-30份、分散剂0.1-1份、抗氧剂0.1-3和耐紫外线老化剂0.1-3份。
2.根据权利要求1所述的光热储能墙体，其特征在于，所述的储能层由储能混凝土制成，具体包括以下成分：水泥、储热介质、导热介质和纤维；所述的储热介质为相变储能集料或预吸水高吸水树脂SAP颗粒；所述的导热介质为铝粉、石墨、石墨烯和氮化硼中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的光热储能墙体，其特征在于，所述改性沥青基光热复合材料的制备方法是：称取100重量份的沥青置于油浴锅内，在温度为160-200℃下加热至熔融状态，在熔融物中加入10-20重量份的改性剂、5-30重量份的碳材料、0.1-1重量份的分散剂、0.1-3重量份的抗氧剂和0.1-3重量份耐紫外线老化剂后，在油浴条件下搅拌15-45min,搅拌速度为500-600r/min，油浴温度为180-200℃。
4.根据权利要求2所述的光热储能墙体，其特征在于，所述沥青为煤焦沥青、石油沥青和乳化沥青中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的光热储能墙体，其特征在于，所述碳材料为石墨、石墨烯、碳黑和碳纳米管中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的光热储能墙体，其特征在于，所述改性剂为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和乳化剂中的一种或几种；所述的抗氧剂为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、N-苯基-α-萘胺和烷基吩噻嗪中的一种或几种；所述的耐紫外老化剂为硫代二丙酸双十二醇酯、二苯甲酮类、苯并三唑类化合物。
7.根据权利要求1所述的光热储能墙体，其特征在于，所述的面层与储能层之间喷涂硅烷偶联剂。
8.根据权利要求1所述的光热储能墙体，其特征在于，所述的防水层为防水涂料和防水密封胶中的一种；所述的内饰面层为织物、无纺布、墙纸或涂料中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的光热储能墙体，其特征在于，所述的储能层中还设置有钢筋和导热丝，所述的导热丝为连续碳纤维或金属丝。
10.根据权利要求1所述的光热储能墙体，其特征在于，所述面层厚度为0.5-5mm。
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