CN114319842B - 寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明为寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法，适用于秋冬季节施工与高寒地区施工低温环境下混凝土的养护，通过该装置，可高效利用太阳能对混凝土进行养护、对设备进行保温，从而保证混凝土强度在低温环境下的正常发展以及防止设备低温损伤，有利于低温环境下施工进程的正常推进。该养护方法能够结合地域对相变储能材料的效果等进行有效评估，为不同地区施工所需的相变材料种类提供了选择标准，也可由该方法判断当地光热条件是否适合养护装置使用，给出了判断太阳能是否足够相变储能材料相变，及该太阳能条件下，相变材料会取得什么样的效果的直接指导，通过提出相关的公式以对相变材料的应用、设计问题进行指导。

Description

寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法

技术领域

本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法。

背景技术

高寒地区或者冬季进行施工时，由于较低的温度环境，混凝土中水泥水化速度降低甚至终止，造成混凝土强度无法继续增长，尤其当气温在0℃以下时，混凝土中的水分发生冻结，混凝土容易发生脆裂，产生“起酥”的现象。因此，低温环境下，对混凝土进行保温加热措施十分重要；目前，现场加热主要通过电热或者使用燃料来对现场进行升温。然而，这两种方式大量消耗能源，使用电热对现场进行加热时，无法规避其可能带来的触电风险；而使用燃料进行加热，在消耗大量能源的同时，造成了巨大的经济成本、环境成本，并为现场带来了无法规避的起火隐患。总之，低温环境下混凝土强度难以到达抗冻临界强度，造成结构安全风险，而施工现场目前所使用的混凝土加热方法浪费大量能源的同时，造成了巨大的经济成本、环境成本，并给施工现场带来了安全隐患。

太阳能是一种清洁可再生能源，寒冷环境下，太阳光照区域可有明显的温度上升，因此，利用太阳能对混凝土进行加热具有一定的可行性。然而，太阳能资源在时间空间上存在巨大的差异。相变材料通过相态的转变可以储存大量能量，利用相变材料进行太阳能能量存储可以克服太阳能在时间上分布的不均衡；但是由于不同区域太阳能资源的差异，现有方法难以判断该区域太阳能资源是否满足相变材料相变的能量要求，而且也鲜有方法指导如何根据相应区域的太阳能资源对相变材料进行一定的设计，以使得相变材料在当地太阳能环境下进行最大化的利用。

因此，本发明提供一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法，利用太阳光热对混凝土进行了养护，针对不同太阳光热条件对相变材料进行设计，解决了太阳能时空分布不均衡的情况，提供了一套适用于不同地区太阳能进行光热相变养护的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法，以取代在冬季施工、高寒地区施工中的传统加热方式。利用太阳能对混凝土、现场设备进行加热，以保证混凝土的强度增长。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，该养护装置能够利用太阳能光热实现对待养护构件的养护和保温，包括单向透光保温层、层间支撑结构和储能层，其特征在于，所述层间支撑结构为网状支撑结构，主要为单向透光保温层提供支撑力，并使得储能层和单向透光保温层之间能够形成空气层，网状支撑结构外侧为单向透光保温层，内侧为储能层；储能层所围成的空间内安置待养护构件；

所述单向透光保温层内外表面均为透光塑料薄膜，两层透光塑料薄膜作为蒙皮形成中间为空气的夹层，在夹层内且紧贴外表面蒙皮的内侧铺设PET薄膜，且PET薄膜靠近层间支撑结构的一侧镀有磁控溅射膜，PET薄膜间断式地向层间支撑结构所在一侧设置突起，两层蒙皮的边缘密封连接，两层蒙皮内产生密闭空气且配合突起结构的设置能起到保温、透光与聚光的效果；层间支撑结构靠近待养护构件的一侧设置有储能层，在储能层不同侧面或至少位于向阳面的至少一个侧面上粘贴有温度比色卡，温度比色卡的黏贴位置要避免层间支撑结构的干涉。

单向透光保温层向阳面设置的PET薄膜所镀的磁控溅射膜的透光率在70%以上，起到单向透光以及保温作用，单向透光保温层背阴面设置的PET薄膜所镀的磁控溅射膜的红外线反射率达到60%以上以反射红外线，阴阳面所镀的磁控溅射膜的厚度不同；PET薄膜和外侧透光塑料薄膜之间采用高清透明胶进行连接。

所述储能层仅在向阳面布置，通过阳面吸收太阳光热量，在待养护构件的背阴面不设置储能层，所述储能层整体采用深色防火材料，储能层内部封装相变材料，相变材料内添加高灰度材料。

单向透光保温层、层间支撑结构和储能层，三者从外到内依次叠放，三者形成能够卷取的一体化柔性结构，卷取连接后能形成内部具有空腔的立体结构，卷取后对于未封闭位置设置活动连接口，利用活动连接口对未封闭位置进行封闭处理，在封闭前将待养护构件放置在空腔内，实现对待养护构件的完全包裹，放置过程中要保证向阳面全部有储能层，放置完将未封闭位置进行封闭处理，需要取出或更换待养护构件时只要打开相应的活动连接口即可取出相应的养护构件，并更换新的待养护构件，再进行封闭处理，实现养护装置的重复利用。

所述储能层的相变储能材料为将不同种类的相变材料、柔性树脂和高灰度粉末按比例进行混合，混合顺序为先称量一定量的相变材料进行水浴加热，之后称量高灰度粉末加入相变材料液体中并不断搅拌，直到混合物搅拌均匀，之后向冷却至室温的相变材料中加入柔性树脂的前体溶液，并搅拌均匀，通过挤压方式制备出片状的柔性储能层或者通过直接在待养护构件涂抹的相变材料、柔性树脂和高灰度粉末混合均匀后的混合体系，达到要求的设计厚度形成储能层，制备出的柔性储能层的灰度值应在16以上，以保证储能层对太阳光充分吸收，保证相变材料充分相变。

所述相变材料为水合盐相变材料或有机相变材料，水合盐相变材料和柔性树脂的体积份数比为1：0.7，所述有机相变材料和柔性树脂的体积份数比为1：0.6，相变材料与高灰度粉末的质量分数比为1:(0.001~0.002) ；所述高灰度粉末为乙炔黑、稻壳灰、石墨烯中的至少一种；柔性树脂具有柔韧性以保证制备的储能层能卷曲折叠，为柔性光固化树脂、柔性聚乙烯树脂或柔性环氧树脂中的至少一种；所述水合盐相变材料为十二水合磷酸氢二钠、十水合硫酸钠或二元低共熔水合盐中的至少一种，所述有机相变材料为石蜡、聚乙二醇或月桂酸中的至少一种。

所述温度比色卡为变色油墨温度比色卡或液晶温度比色卡，变色温度范围为混凝土防止发生冻害温度至蒸汽养护温度，优选变色温度范围为0℃到60℃，温度比色卡上不同的颜色对应不同的温度，放置在需要观察的位置即可；设置在储能层的顶面中心的位置，或者在每个侧面上均设置在比色卡，观察不同面的温度分布，若要监测储能层的变化，放在储能层上，若要观察阴面是否受冻，则温度比色卡放在阴面上。

所述单向透光保温层为多层结构，多层结构每层之间形成气囊，所述的单向透光保温层通过层间支撑结构整体覆盖在混凝土模板上，储能层紧贴在混凝土模板的向阳面；混凝土模板的背阴面则直接使用层间支撑结构与单向透光保温层进行保温，背阴面不设置储能层，层间支撑结构直接落在混凝土模板上；层间支撑结构的支撑高度应在5cm以上，且为保证储能层的太阳能接收效率，不透光的网笼或透光网笼在透光率在60%以下时，网笼在储能层的正投影面积应低于储能层正投影面积的10%，透光网笼在透光率为60%以上时，透光网笼在储能层的正投影面积应低于储能层正投影面积的20%。

本发明还保护一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置的实现方法，该实现方法所使用的养护装置包括单向透光保温层、层间支撑结构和储能层，三者从外到内围成了供待养护构件放置的立体保温空间，层间支撑结构位于单向透光保温层和储能层之间，储能层采用相变储能材料，单向透光保温层和储能层之间定义为空气层，实现方法的具体步骤是：

步骤一：根据当地太阳光热条件设计储能层：

通过查询当地气候数据，获得当地当季日平均光照时间t_s与日平均太阳辐射强度 E，获得所选定的相变储能材料的潜热

、比热容c、光热转化效率η、密度

，以及待 养护构件阳面的面积S；

根据最大化利用太阳能以及避免出现相变储能材料中的相变材料未发生相变而造成的浪费，通过下述的不等式组确定在当地光热条件下，所选择相变储能材料是否满足要求并确定满足要求的相变储能材料的储能层厚度的尺寸范围：

其中，µ为太阳辐射折减系数，根据单向透光保温层以及向阳面角度来进行确定， T_m为储能层的相变温度，T_min为构件最低可容忍温度；T _e 为环境温度，R代表单向透光保温层 的热阻，S _all 为整个养护装置的外表面积，λ为空气的热导率；

为储能层厚度；δ为单 向透光保温层外表面到混凝土模板的距离；

若所选定的储能层材料不能满足上述不等式组的要求，则根据该不等式组重新选择出满足相应地区相关季节下太阳光热条件的储能层材料，并确定出由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度范围；

步骤二：根据施工确定的储能层

若由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度最大上限超过1cm，则使用10mm厚的储能层的能量值计算理论放热时间，即将10mm储能层厚度数值带入公式（4），获得当前厚度下储能层的相变储能材料充分相变后可维持的最长时间t _w ，以当前厚度下获得的t _w 作为理论放热时间，且要求相变储能材料理论放热时间要大于24-当地当季日平均光照时间t_s，若不能满足要求，则更换相变储能材料种类，重新选择出满足相应地区相关季节下太阳光热条件和施工要求的储能层材料；若满足要求，则以10mm作为储能层的厚度；

（4）

若由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度最大上限不超过1cm，根据便于施工的原则，选择由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度范围中的最大上限作为储能层的厚度；

至此实现了对储能层相变储能材料种类选择和储能层厚度的确定；

步骤三：在确认储能层材料种类和储能层厚度后，制备出满足当地太阳光热条件要求的储能层；

将储能层、单向透光保温层及层间支撑结构组装在一起，然后将储能层和单向透光保温层围成的立体保温空间内放置待养护构件并进行封闭；或者将储能层一面贴合在需要保温的待养护构件的向阳面，之后，将层间支撑结构与储能层、待养护构件表面进行固定，将单向透光保温层整体覆盖到层间支撑结构上，实现对内部的完全包裹。

所述储能层的外表面固定有温度比色卡；所述太阳辐射折减系数µ的取值在0.3~0.8之间，当单向透光保温层透光率在0.7~1.0之间时，µ取0.6~0.8，当单向透光保温层透光率在0.3~0.7之间，µ取0.4~0.5，当单向透光保温层2透光率在0.1~0.3之间，µ取0.3~0.4；构件最低可容忍温度T_min根据施工过程中的混凝土种类进行确定，优选T_min取5℃，若混凝土中添加有防冻剂与早强剂，T_min取0℃，若待养护的设备有正常启动时的温度要求，则T_min为满足设备正常启动时的最低温度；若待养护构件为不规则形状时，向其所在阳面做正投影，以每个阳面正投影外轮廓面积之和为待养护构件阳面的面积S；

对于储能层的设计应当满足以下标准：

1）在当地日平均太阳辐射强度、日平均光照时间的情况下，储能层中的相变材料应当充分发生相变；

2）相变材料的相变温度应当维持在20℃以上，以保证为内部的混凝土提供适宜的水化温度；

3）储能层充热完成后，应能在一天内的无光照时间保持空气层温度稳定，在无光照时刻保持保温层内温度始终高于5℃，防止混凝土受冻。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

一、本发明为一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法，适用于秋冬季节施工与高寒地区施工低温环境下混凝土的养护，通过该装置，可高效利用太阳能对混凝土进行养护、对设备进行保温，从而保证混凝土强度在低温环境下的正常发展以及防止设备低温损伤，有利于低温环境下施工进程的正常推进。该养护方法能够结合地域对相变储能材料的效果等进行有效评估，为不同地区施工所需的相变材料种类提供了选择标准，也可由该方法判断当地光热条件是否适合养护装置使用，给出了判断太阳能是否足够相变储能材料相变，及该太阳能条件下，相变材料会取得什么样的效果的直接指导，通过提出相关的公式以对相变材料的应用、设计问题进行指导。

二、本发明养护装置仅依靠太阳能即可，通过储能层在白天对太阳能进行存储、在夜间缓慢释放能量，使得养护装置内部温度可在夜间、太阳光照不足时维持稳定，因此在混凝土养护过程中不需要其他加热方式，降低了能源消耗，减少施工过程中的碳排放。

三、本发明采用层间支撑结构，使单向透光保温层与储能层之间存在空气层，避免储能层与单向透光保温层接触，避免了储能层直接通过单向透光保温层对外换热，从而使得内部温度可以维持稳定，具有更好的保温效果。

四、在养护过程中，直接通过温度比色卡可判断养护装置内部温度，方便施工现场掌握实时的温度，无需其他设备介入，避免了可能存在的漏风问题以及设备在阳光下的老化、损坏问题。

五、本发明中所需材料都采用防火材料，由于无其他外热源，极大降低了现场的起火等安全风险。

六、本发明针对标准混凝土施工进行保温养护，适用于天气晴朗下的低温环境施工，该气候特征符合我国北方大部分地区的秋冬季节施工环境，本发明具有较广的地区适用范围。

七、本发明养护装置中设置单向透光保温层，利用单向透光的磁控溅射膜来保证单向透光保温层的透光保温效果，同时设置了聚焦的突起结构，进一步保证养护温度的需求，设置合适的储能层使其在无光照时也无需再添加其他保温措施，进一步降低了能源消耗及成本。

附图说明

图1为本发明养护装置的结构1/4剖面图示意图。

图2为实施例三的缩尺模型试验的实验结果图。

其中，1层间支撑结构、2单向透光保温层、3待养护构件、4混凝土模板、5储能层、2-1外侧透明塑料薄膜、2-2磁控溅射膜、2-3为内侧透明塑料薄膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明为寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置及其实现方法。该养护装置能够利用太阳能光热实现对待养护构件的养护和保温，包括单向透光保温层2、层间支撑结构1和储能层5，所述层间支撑结构为网状支撑结构，主要为单向透光保温层提供支撑力，并使得储能层和单向透光保温层之间能够形成空气层，网状支撑结构外侧为单向透光保温层2，内侧为储能层5；储能层5所围成的空间内安置待养护构件3。

所述单向透光保温层2内外表面分别为内侧透明塑料薄膜2-3和外侧透光塑料薄膜2-1，两层透光塑料薄膜作为蒙皮形成中间为空气的夹层，在夹层内紧贴外表面蒙皮的内侧铺设PET薄膜，且PET薄膜靠近层间支撑结构的一侧镀有磁控溅射膜2-2，PET薄膜间断式地向层间支撑结构所在一侧设置突起，两层蒙皮的边缘密封连接，两层蒙皮内产生密闭空气且配合突起结构的设置能起到保温、透光与聚光的效果。层间支撑结构1靠近待养护构件的一侧设置有储能层5，在储能层5不同侧面或至少位于阳面的至少一个侧面上粘贴有温度比色卡，温度比色卡的黏贴位置要避免层间支撑结构1的干涉，以免影响温度的观察。

所述温度比色卡可以是变色油墨温度比色卡，也可以是液晶温度比色卡等，温度比色卡的变色温度范围要满足养护要求，本申请的变色温度范围优选为0℃到60℃，为混凝土防止发生冻害温度至蒸汽养护温度。温度比色卡上不同的颜色对应不同的温度，放置在需要观察的位置即可，一般设置在储能层的顶面中心的位置，或者在每个侧面上均设置在比色卡，观察不同面的温度分布，若要监测储能层的变化，放在储能层上，若要观察阴面是否受冻，则温度比色卡可放在阴面上，无需其他设备即可对温度进行实时观察。当阳光充足时，阳光透过单向透光保温层与层间支撑结构照射到储能层5，储能层5将太阳辐射储存以维持混凝土或设备的温度，从而保证混凝土强度正常增长。

其中，太阳光通过单向透光保温层2对待养护构件进行加热，并通过在待养护构件与单向透光保温层2之间铺设相变储能材料以储存热能；单向透光保温层2向阳面设置的PET薄膜所镀的磁控溅射膜2-2的透光率在70%以上，起到单向透光以及保温作用，单向透光保温层突起的曲率半径的设置使得阳光能够落在储能层上。单向透光保温层2背阴面设置的PET薄膜所镀的磁控溅射膜的红外线反射率达到60%以上以反射红外线，阴阳面所镀的磁控溅射膜的厚度不同；PET薄膜和外侧透光塑料薄膜之间采用高清透明胶进行连接，PET薄膜向内突起，突起具有一定强度，能够支撑内侧蒙皮，内外蒙皮之间进行封边处理，在两者之间构造成中空结构用以填充空气进行保温，并起到聚光作用。

本发明中储能层可以仅在向阳面布置，通过阳面吸收太阳光热量，在设备的背阴面优选可以不设置储能层，这样既能保证成本最低，又能使得相变储能材料充分相变提高光热转化效率，保证空气层的温度能维持在需要的范围内。若在背阴面也设置储能层，不仅成本上会增加，而且会使储能层温度会偏低，在阳光不充足时保温效果稍差。

此外，本发明还提供一种寒冷环境下对混凝土保温的光热相变养护方法，该养护方法所使用的养护装置包括单向透光保温层2、层间支撑结构1和储能层5，三者从外到内围成了供待养护构件放置的立体保温空间，层间支撑结构1位于单向透光保温层2和储能层5之间，储能层采用相变储能材料，单向透光保温层和储能层之间定义为空气层，养护方法的具体步骤是：

步骤一：根据当地太阳光热条件设计储能层5：

通过查询当地气候数据，获得当地当季日平均光照时间t_s与日平均太阳辐射强度 E，获得所选定的相变储能材料的潜热

、比热容c、光热转化效率η、密度

，以及待 养护构件阳面的面积S，若待养护构件不规则时，作正投影面积，即不规则区域可通过规则 的储能层进行计算，储能层此时仅在向阳面设置，不规则构件向储能层投影，以每个阳面投 影外轮廓面积之和为不规则构件的阳面的面积；所述待养护构件可以为混凝土类等需要养 护施工的混凝土结构，也可以为一些需要保温的设备等。

根据最大化利用太阳能以及避免出现相变储能材料中的相变材料未发生相变而造成的浪费，对于储能层5的设计应当满足以下标准：

1）在当地日平均太阳辐射强度、日平均光照时间的情况下，储能层5中的相变材料应当充分发生相变；

2）相变材料的相变温度应当维持在20℃以上，以保证为内部的混凝土提供适宜的水化温度；

3）储能层5充热完成后，应能在一天内的无光照时间保持空气层温度稳定，在无光照时刻保持单向透光保温层内温度始终高于5℃，防止混凝土受冻；

通过下述的不等式组判别在当地光热条件以及所选择相变储能材料的前提下获得储能层5厚度的尺寸范围：

其中，µ为太阳辐射折减系数，根据单向透光保温层2以及向阳面角度来进行确定，µ的取值在0.3~0.8之间，当单向透光保温层2透光率在0.7~1.0之间时，µ取0.6~0.8，当单向透光保温层2透光率在0.3~0.7之间，µ取0.4~0.5，当单向透光保温层2透光率在0.1~0.3之间，µ取0.3~0.4；T_m为储能层的相变温度，T_min为构件最低可容忍温度，根据施工过程中的混凝土种类进行确定，一般取5℃即可，若混凝土中添加有防冻剂与早强剂，可取0℃，若待养护的设备有正常启动时的温度要求，则T_min为满足设备正常启动时的最低温度；T _e 为环境温度，R代表单向透光保温层2的热阻，S _all 为整个装置的外表面积，λ可近似认为为空气的热导率；

若所选定的储能层材料不能满足上述不等式组的要求，则可以根据该不等式组选择出满足相应地区相关季节下太阳光热条件的储能层材料及储能层的厚度范围，再结合便于施工的原则确定最终的储能层厚度，进而实现指导储能层5设计生产的目的，获得满足当前待养护构件适合的养护装置进行加热保温。

步骤二：在步骤一确认储能层材料的种类和储能层厚度后，制备出满足要求的储能层，将温度比色卡固定在储能层5靠近层间支撑结构一侧的表面，将储能层、单向透光保温层及层间支撑结构组装在一起，然后将储能层5和单向透光保温层围成的立体保温空间内放置待养护构件并进行封闭。或者将不设有温度比色卡的储能层一面贴合在需要保温的混凝土的向阳面，之后，将层间支撑结构与储能层5、混凝土表面进行固定，将单向透光保温层2整体覆盖到层间支撑结构上，实现对内部的完全包裹。

本发明可以评估当地太阳能资源是否满足该种类储能层材料的使用，并通过该养护方法得出适合当地使用的相变储能材料，并根据计算结果，合理调整储能层5相变储能材料的种类与储能层5厚度，可以保证相变储能材料的最大化利用，提高相变储能材料对太阳能的存储效率，为一种利用太阳能对混凝土结构或设备进行养护的装置，解决了不同太阳光热环境下的相变储能材料设计和选择问题。

实施例1：结合图1说明本实施例，本实施例中的单向透光保温层2为多层结构，多层结构每层之间形成气囊起到保温效果，所述的单向透光保温层2通过层间支撑结构1整体覆盖在混凝土模板4上，储能层5紧贴在混凝土的向阳面；混凝土的背阴面则直接使用层间支撑结构1与单向透光保温层2进行保温，背阴面不设置储能层，层间支撑结构直接落在混凝土模板上；层间支撑结构1为轻质塑料网笼或木制网笼，能够撑起单向透光保温层即可，可以保证支撑单向透光保温层2，同时为保证装置的保温效果，层间支撑结构的支撑高度应在5cm以上（优选5-10cm），且为保证储能层的太阳能接收效率，不透光的网笼或透光网笼在透光率小于60%时，网笼在储能层的正投影面积应低于储能层正投影面积的10%，透光网笼在透光率为不小于60%时，透光网笼在储能层的正投影面积应低于储能层正投影面积的20%。

实施例2：本实施例为实施例1的进一步限定，单向透光保温层2内外表面采用透光塑料薄膜，在外表面透光塑料薄膜的内侧设置有磁控溅射膜，磁控溅射膜向混凝土侧突起，形成气囊结构，以起到聚光作用，且只允许太阳光单向通过，背阴面和向阳面的磁控溅射膜的厚度不同，针对阳面的磁控溅射膜，其单向透光率应为应为70%以上，以保证太阳光足够穿过单向透光保温层2，阴面的磁控溅射膜红外线反射率应在60%以上，以保证单向透光保温层2的隔热效果；此外，磁控溅射膜的焦距应等于层间支撑结构的高度，使焦点位于储能层表面。

所述混凝土结构为长方体状，长方体的顶面与三个侧面为阳面，长方体的底面与最后的侧面为阴面。

实施例3：本实施例中养护装置包括单向透光保温层2、层间支撑结构1和储能层5，三者从外到内依次叠放，三者形成能够卷取的一体化柔性结构，卷取连接后能形成内部具有空腔的立体结构，卷取后对于未封闭位置设置活动连接口，如通过粘合、粘扣连接、卡扣连接、拉链或销接等方式对未封闭位置进行封闭处理，在封闭前可将待养护构件，如设备、混凝土放置在空腔内，实现对待养护构件的完全包裹，放置过程中要保证向阳面全部有储能层，放置完将未封闭位置进行封闭处理，此时层间支撑结构1位于单向透光保温层2和储能层5之间，单向透光保温层和储能层之间定义为空气层。需要取出或更换待养护构件时只要打开相应的活动连接口即可取出相应的养护构件，并更换新的待养护构件，再进行封闭处理，实现养护装置的重复利用。

实施例4：本实施例为实施例1的进一步限定，对储能层5的相变储能材料进行改性，加入高灰度粉末，使其拥有较高的灰度，将相变材料通过树脂封装后形成固态片状的储能层5，将其按照厚度要求铺设在混凝土或设备的向阳面，储能层5对透过单向透光保温层2的太阳光照进行高效转化，并以潜热的形式进行储存，当夜间降温时通过对层间支撑结构之间的封闭空气进行加热，从而使得单向透光保温层2内部形成较高的温度，为内部的混凝土或设备提供相对适宜的环境。储能层5的制备过程如下：

相变储能材料为将不同种类的相变材料、柔性树脂和高灰度粉末（乙炔黑、稻壳灰、石墨烯等）按比例进行混合，混合顺序为先称量一定量的相变材料进行水浴加热，之后称量高灰度粉末加入相变材料液体中并不断搅拌，直到混合物搅拌均匀，之后向冷却至室温的相变材料中加入柔性树脂的前体溶液，并搅拌均匀，通过挤压方式制备出片状的柔性储能层5或者通过直接在待养护构件涂抹的相变材料、柔性树脂和高灰度粉末混合均匀后的混合体系，达到要求的设计厚度形成储能层，制备出的柔性储能层5的灰度值应在16以上，以保证储能层5对太阳光充分吸收，保证相变材料充分相变。相变储能材料中不同相变材料可按照不同比例添加高灰度粉末，加入量为相变材料质量的0.0001-0.002，万分产量即可有较好的效果。

所述相变材料为水合盐相变材料或有机相变材料，水合盐相变材料和柔性树脂（如柔性光固化树脂、柔性聚乙烯树脂、柔性环氧树脂等，柔性树脂应具有良好的柔韧性以保证制备的储能层可以卷曲折叠）的体积份数比为1：0.7，水合盐相变材料（如十二水合磷酸氢二钠、十水合硫酸钠、二元低共熔水合盐等）为固体粉末，能提供高热环境，利于树脂凝固，在该比例下能使其相变材料能完全封装，又能保持该相变材料最大比热值；所述有机相变材料（如石蜡、聚乙二醇、月桂酸等）、柔性树脂的体积份数比为1：0.6，相变材料泄漏风险小，相变材料与高灰度粉末的质量分数比为1:(0.001~0.002) 。

对制备的储能层5进行性能测试，获得储能层5的相变温度、相变潜热、比热容、导热系数、光热转换效率、密度等参数。

实施例5：本实施例养护方法为依据施工现场当地当季的气候条件，通过查询历年当季日平均光照时间与日平均太阳辐射强度，并通过储能层5的潜热、比热、光热转化效率等参数，根据能量守恒原理，进行储能层5相变温度、厚度的计算调整，以保证储能层5相变材料能够充分相变。

具体操作步骤如下：

步骤一：计算储能层5应满足的基本能量条件：

1） 根据能量守恒原理，相变储能材料吸收能量部分通过辐射、传热对外散失，部分以潜热、显热形式储存，等式如下，

其中，Q₀为储能层5通过转化太阳能所吸收的总热量，Q₁为储能层5温度上升以显热形式存储的热量，Q₂为储能层5通过潜热形式存储的热量，Q₃为储能层5向外散失的热量，由于空气层的存在，因此该结构即使在无外侧保温层的覆盖情况下，也具有良好的保温性能，因此Q₃可近似为0处理。

根据当地当季日平均光照时间t_s与日平均太阳辐射强度E，并通过储能层5的潜 热、比热容c、光热转化效率η、密度

等参数，以及待养护构件阳面的面积S，上述条件 可进一步表示为：

（1）

不等式（1）左边为装置接受的太阳光热的能量，右侧为相变储能材料储存的能量，用不等式（1）确定由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度范围；

其中，µ为太阳辐射折减系数，根据单向透光保温层2以及向阳面角度来进行确定，大小在0~1之间，T_m为相变储能材料的相变温度，T_min为设备或混凝土最低可容忍温度，一般取5℃。

在无光照条件下，整体装置缓慢向外散热，为保证储能层5可以维持一个循环，其应当满足不等式（2）：

（2）

基于不等式(1)，则有

其中，t_d为当地时间一天以内无光照的时间段，Φ为整体装置对外散热效率，由于杜绝了装置以辐射形式向外进行传热，以储能层5为研究对象则

其中，T _e 为环境温度，R代表单向透光保温层2的热阻，根据如下公式进行计算：

δ为单向透光保温层2外表面到混凝土模板的距离，S _all 为整个装置的外表面积，由于装置中大量存在封闭空气，λ可近似认为为空气的热导率；

储能层5的相变储能材料充分相变后可维持的最长时间t _w 根据公式（4），

（4）

在不等式（2）两边分别除以Φ，此时不等式右边即为t _w ，不等式左边为

， 即

联立不等式（1）和（2），则可以获得不等式（3），

在太阳光能够让相变储能材料充分相变的前提下，相变材料的能量值可以认为等 于接受的太阳光热值，即此时

则可以认为是相变储能材料理论放热时 间t _m ，获得相变储能材料理论放热时间t _m ，根据公式（5）可以计算该区域的太阳光热为相变 材料充热后，相变储能材料理论放热时间t _m 是否满足当地太阳光热条件：

公式（5）可以判断相关地区相关太阳光热条件是否满足该种相变材料使用条件，即要求相变储能材料理论放热时间要大于24-当地当季日平均光照时间t_s，若不能满足要求，则更换相变储能材料种类，重新进行计算；

步骤二：根据施工确定合适的储能层

根据上述不等式（5）和（1）确定合适的相变储能材料后，再根据便于施工、保证相变材料完全相变的原则，储能层5的厚度还不应超过1cm，若根据上述不等式（5）和（1）计算结果储能层5的厚度最大上限超过10mm，则使用10mm储能层的能量值计算理论放热时间，即将10mm储能层厚度带入根据公式（4）获得储能层5的相变储能材料充分相变后可维持的最长时间t _w ，以当前厚度下获得的t _w 作为理论放热时间，且要求相变储能材料理论放热时间要大于24-当地当季日平均光照时间t_s，若不能满足要求，则更换相变储能材料种类；

若根据上述不等式（5）和（1）计算结果储能层5的厚度最大上限不超过1cm，根据便于施工的原则，选择最大上限作为储能层的厚度，实现了对储能层相变储能材料种类选择和储能层厚度的确定；

步骤三：在确认储能层材料种类和储能层厚度后，制备出满足当地太阳光热条件要求的储能层；

将储能层、单向透光保温层及层间支撑结构组装在一起，然后将储能层5和单向透光保温层围成的立体保温空间内放置待养护构件并进行封闭；或者将储能层一面贴合在需要保温的待养护构件的向阳面，之后，将层间支撑结构与储能层5、待养护构件表面进行固定，将单向透光保温层2整体覆盖到层间支撑结构上，实现对内部的完全包裹。

本发明通过样品试验可知，本发明适用于混凝土低温环境下的养护，尤其适用于高原地区施工与太阳光照充足的地区的冬季施工，下面结合上述的养护方法及具体试验实例进行详细说明：

试验实例：北京地区12月份平均最低气温-5℃，12月日平均太阳辐射总量为 6710kJ/m²，日平均照射时间为6.35h，选取

为相变材料，其相变点为35℃， 制备出的储能层材料的相变潜热为120kJ/kg，光热转化效率为60%，由于单向透光保温层的 透光率在0.5左右，装置的太阳辐射折减系数取0.4，空气导热系数为0.0828 kJ/(h·m· K)，对于立方体混凝土，其向阳面约为总装置面积的2/3，设单向透光保温层外表面到混凝 土表面的距离为9cm，代入公式（3）

从公式（3）的结果可以看出，相变储能材料理论放热时间

一定大于24-t_s，所以 满足相变材料使用条件，因此，该北京地区的太阳光热条件可以满足这种相变储能材料的 使用。

代入公式（1）

即

根据公式（1）可得此条件下储能层5的厚度小于8.2mm时，储能层5中的相变材料可以充分相变，因此，考虑到施工要求，储能层设计为8.2mm时，可保证储能层5相变材料的最大化利用。

试验实例2：进行缩尺模型试验，模型试验选用全谱太阳光照等模拟太阳光照，对 照组使用市售的保温棉毡，环境模拟箱温度设置为-10℃，太阳光照时间为8h，选取

作为相变材料，其相变点为35℃，制备出的储能层材料的相变潜热为 120kJ/kg，比热容为2.1kJ/(kg·K)，容重1069kg/m³，光热转化效率为60%，装置的太阳辐射 折减系数为0.4，空气导热系数为0.0828 kJ/(h·m·K)，混凝土使用C40混凝土，混凝土采 用标准立方体试块，试验温度结果如图2所示，可以看出，在仅保温的情况下，混凝土的温度 仅5小时便降低至5℃以下，此时混凝土的水化速度极低，几乎不再进行水化，当13小时过 后，保温养护组的混凝土中心温度已经降至0℃以下，此时混凝土已经结冰，水化中止且存 在冻害风险。而通过使用光热相变养护装置，混凝土中心温度在24小时内维持在10℃以上， 混凝土最高温度可达25℃。因此，通过光热相变养护装置，混凝土可长期保持较高温度温 度。可以看出，该装置可以使得混凝土安全进行水化，避免了受冻破坏风险。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，该养护装置能够利用太阳能光热实现对待养护构件的养护和保温，包括单向透光保温层、层间支撑结构和储能层，其特征在于，所述层间支撑结构为网状支撑结构，为单向透光保温层提供支撑力，并使得储能层和单向透光保温层之间能够形成空气层，网状支撑结构外侧为单向透光保温层，内侧为储能层；储能层所围成的空间内安置待养护构件；

所述单向透光保温层内外表面均为透光塑料薄膜，两层透光塑料薄膜作为蒙皮形成中间为空气的夹层，在夹层内且紧贴外表面蒙皮的内侧铺设PET薄膜，且PET薄膜靠近层间支撑结构的一侧镀有磁控溅射膜，PET薄膜间断式地向层间支撑结构所在一侧设置突起，两层蒙皮的边缘密封连接，两层蒙皮内产生密闭空气；层间支撑结构靠近待养护构件的一侧设置有储能层，在储能层不同侧面或至少位于向阳面的至少一个侧面上粘贴有温度比色卡；

单向透光保温层向阳面设置的PET薄膜所镀的磁控溅射膜的透光率在70％以上，单向透光保温层背阴面设置的PET薄膜所镀的磁控溅射膜的红外线反射率达到60％以上以反射红外线，阴阳面所镀的磁控溅射膜的厚度不同；PET薄膜和外侧透光塑料薄膜之间采用高清透明胶进行连接；

所述储能层整体采用深色防火材料，储能层内部封装相变材料，相变材料内添加高灰度材料；养护装置仅依靠太阳能即可，通过储能层在白天对太阳能进行存储、在夜间缓慢释放能量，使得养护装置内部温度可在夜间、太阳光照不足时维持稳定，在混凝土养护过程中不需要其他加热方式；

层间支撑结构的支撑高度应在5cm以上，不透光的网笼或透光网笼在透光率小于60％时，网笼在储能层的正投影面积应低于储能层正投影面积的10％，透光网笼在透光率为不小于60％时，透光网笼在储能层的正投影面积应低于储能层正投影面积的20％。

2.根据权利要求1所述的寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，其特征在于，所述储能层仅在向阳面布置，通过阳面吸收太阳光热量，在待养护构件的背阴面不设置储能层。

3.根据权利要求1所述的寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，其特征在于，单向透光保温层、层间支撑结构和储能层，三者从外到内依次叠放，三者形成能够卷取的一体化柔性结构，卷取连接后能形成内部具有空腔的立体结构，卷取后对于未封闭位置设置活动连接口，利用活动连接口对未封闭位置进行封闭处理，在封闭前将待养护构件放置在空腔内，实现对待养护构件的完全包裹，放置过程中要保证向阳面全部有储能层，放置完将未封闭位置进行封闭处理。

4.根据权利要求1所述的寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，其特征在于，所述储能层的相变储能材料为将不同种类的相变材料、柔性树脂和高灰度粉末按比例进行混合，混合顺序为先称量一定量的相变材料进行水浴加热，之后称量高灰度粉末加入相变材料液体中并不断搅拌，直到混合物搅拌均匀，之后向冷却至室温的相变材料中加入柔性树脂的前体溶液，并搅拌均匀，通过挤压方式制备出片状的柔性储能层或者通过直接在待养护构件涂抹的相变材料、柔性树脂和高灰度粉末混合均匀后的混合体系，达到要求的设计厚度形成储能层，制备出的柔性储能层的灰度值应在16以上。

5.根据权利要求4所述的寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，其特征在于，所述相变材料为水合盐相变材料或有机相变材料，水合盐相变材料和柔性树脂的体积份数比为1：0.7，所述有机相变材料和柔性树脂的体积份数比为1：0.6，相变材料与高灰度粉末的质量分数比为1:(0.001～0.002)；所述高灰度粉末为乙炔黑、稻壳灰、石墨烯中的至少一种；柔性树脂为柔性光固化树脂、柔性聚乙烯树脂或柔性环氧树脂中的至少一种；所述水合盐相变材料为十二水合磷酸氢二钠、十水合硫酸钠或二元低共熔水合盐中的至少一种，所述有机相变材料为石蜡、聚乙二醇或月桂酸中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，其特征在于，所述温度比色卡为变色油墨温度比色卡或液晶温度比色卡，变色温度范围为混凝土防止发生冻害温度至蒸汽养护温度，温度比色卡上不同的颜色对应不同的温度，放置在需要观察的位置。

7.根据权利要求1所述的寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置，其特征在于，所述单向透光保温层为多层结构，多层结构每层之间形成气囊，所述的单向透光保温层通过层间支撑结构整体覆盖在混凝土模板上，储能层紧贴在混凝土模板的向阳面；混凝土模板的背阴面则直接使用层间支撑结构与单向透光保温层进行保温，背阴面不设置储能层，层间支撑结构直接落在混凝土模板上。

8.一种寒冷环境混凝土结构的相变蓄热养护装置的实现方法，该实现方法所使用的养护装置包括单向透光保温层、层间支撑结构和储能层，三者从外到内围成了供待养护构件放置的立体保温空间，层间支撑结构位于单向透光保温层和储能层之间，储能层采用相变储能材料，单向透光保温层和储能层之间定义为空气层，实现方法的具体步骤是：

步骤一：根据当地太阳光热条件设计储能层：

通过查询当地气候数据，获得当地当季日平均光照时间t_s与日平均太阳辐射强度E，获得所选定的相变储能材料的潜热ΔH、比热容c、光热转化效率η、密度ρ_储能层5，以及待养护构件阳面的面积S；

通过下述的不等式组确定在当地光热条件下，所选择相变储能材料是否满足要求并确定满足要求的相变储能材料的储能层厚度的尺寸范围：

其中，μ为太阳辐射折减系数，根据单向透光保温层以及向阳面角度来进行确定，T_m为储能层的相变温度，T_min为构件最低可容忍温度；T_e为环境温度，S_all为整个养护装置的外表面积，λ为空气的热导率；δ_储能层5为储能层厚度；δ为单向透光保温层外表面到混凝土模板的距离；

若所选定的储能层材料不能满足上述不等式组的要求，则根据该不等式组重新选择出满足相应地区相关季节下太阳光热条件的储能层材料，并确定出由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度范围；

步骤二：根据施工确定的储能层

若由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度最大上限超过1cm，则使用10mm厚的储能层的能量值计算理论放热时间，将10mm储能层厚度数值带入公式(4)，获得当前厚度下储能层的相变储能材料充分相变后可维持的最长时间t_w，以当前厚度下获得的t_w作为理论放热时间，且要求相变储能材料理论放热时间要大于24-当地当季日平均光照时间t_s，若不能满足要求，则更换相变储能材料种类，重新选择出满足相应地区相关季节下太阳光热条件和施工要求的储能层材料；若满足要求，则以10mm作为储能层的厚度；

若由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度最大上限不超过1cm，选择由当地太阳光热条件所确定的储能层的厚度范围中的最大上限作为储能层的厚度；

至此实现了对储能层相变储能材料种类选择和储能层厚度的确定；

步骤三：在确认储能层材料种类和储能层厚度后，制备出满足当地太阳光热条件要求的储能层；

将储能层、单向透光保温层及层间支撑结构组装在一起，然后将储能层和单向透光保温层围成的立体保温空间内放置待养护构件并进行封闭；或者将储能层一面贴合在需要保温的待养护构件的向阳面，之后，将层间支撑结构与储能层、待养护构件表面进行固定，将单向透光保温层整体覆盖到层间支撑结构上，实现对内部的完全包裹。

9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所述储能层的外表面固定有温度比色卡；所述太阳辐射折减系数μ的取值在0.3～0.8之间，当单向透光保温层透光率在0.7～1.0之间时，μ取0.6～0.8，当单向透光保温层透光率在0.3～0.7之间，μ取0.4～0.5，当单向透光保温层透光率在0.1～0.3之间，μ取0.3～0.4；构件最低可容忍温度T_min根据施工过程中的混凝土种类进行确定，若混凝土中添加有防冻剂与早强剂，T_min取0℃，若待养护的设备有正常启动时的温度要求，则T_min为满足设备正常启动时的最低温度；若待养护构件为不规则形状时，向其所在阳面做正投影，以每个阳面正投影外轮廓面积之和为待养护构件阳面的面积S。

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