【摘要】：地板輻射采暖具有熱舒適性好、能耗低、可利用多種等低品位能源以及占地空間小等優(yōu)點,在新建住宅和商業(yè)建筑中日益普及。將相變材料(PCM)應用在地板輻射采暖中可以很好地平衡電網(wǎng)用電負荷,實現(xiàn)電力的“移峰填谷”。水合鹽價格低廉、相變潛熱高和不易燃,在地板輻射采暖中有很大前景應用,但其過冷、相分離以及泄露問題阻礙了其推廣。針對上述不足,本文致力于高性能水合鹽定形復合相變材料的制備及性能研究,以推動其在地板輻射采暖中的實際應用。主要工作如下:首先,以結晶醋酸鈉(SAT)為相變材料主體,尿素(urea)為溫度調(diào)節(jié)劑,十二水磷酸氫二鈉(DSP)和蔗糖分別作成核劑和助成核劑,制備了SAT-urea非共晶混合物相變材料。優(yōu)化了非共晶混合物中尿素、成核劑和助成核劑添加量;探究了添加劑對非共晶混合物相變性質(zhì)及結晶形貌的影響,并考察了其熱穩(wěn)定性和熱可靠性。結果顯示:在尿素、DSP和蔗糖分別為8 wt%、1.5 wt%和2 wt%條件下,所得非共晶混合物相變材料的相變溫度適宜(50.82℃)、焓值較高(245.4 kJ×kg~(-1))、過冷度低(2.51℃)。光學顯微鏡觀察到DSP和蔗糖的加入可促進SAT-urea基體的成核。差示掃描量熱法(DSC)、傅里葉紅外(FT-IR)和X-射線衍射(XRD)表征表明,SAT-urea混合物是非共晶的,且SAT與尿素之間是物理作用。經(jīng)歷100次循環(huán)后,相變材料的過冷度、相變焓以及相變溫度變化較小。其次,以多孔膨脹石墨(EG)作為載體和導熱系數(shù)增強劑,利用EG的毛細管作用與SAT-urea非共晶混合物復合,制備了適用于地板輻射采暖的相變換熱器用SAT-urea/EG定形復合PCM。討論了EG質(zhì)量分數(shù)對SAT-urea混合物相變性質(zhì)、過冷度和定形性能的影響,優(yōu)化了EG質(zhì)量分數(shù)。對獲得的定形復合PCM的表觀形貌、孔結構、化學組成、晶體結構進行表征;對其熱穩(wěn)定性、導熱系數(shù)、熱可靠性以及蓄熱-放熱過程進行了研究。結果顯示:EG的加入可顯著提高SAT-urea混合物導熱系數(shù)、降低過冷度以及防止其在熔化過程泄露。含有EG質(zhì)量分數(shù)為12%的定形復合PCM在具有良好定形性能前提下,相變溫度適宜(48.46℃),相變焓值高(216.8 kJ·kg~(-1)),過冷度低(1.93℃),導熱系數(shù)高(表觀密度為0.98 g?cm~(-3)時為4.188 W?m~(-1)?K~(-1))。掃描電子顯微鏡(SEM)和孔結構分析結果表明,EG的孔隙基本被SAT-urea混合物所填充。FT-IR和XRD結果顯示,SAT-urea混合物和EG之間是物理結合,沒有化學作用。經(jīng)過200次冷-熱循環(huán)后,定形復合PCM的相變焓、結晶性能及相變溫度等變化較小。第三,以五水硫代硫酸鈉(STP)為芯材,聚氰基丙酸乙酯(PECA)為殼材,采用界面聚合法制備了STP@PECA微膠囊PCM。探討了STP/H_2O質(zhì)量、芯殼質(zhì)量比為4:2、表面活性劑用量對微膠囊相變性質(zhì)的影響;用SEM及其電子能譜(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)、FT-IR和XRD表征了微膠囊的微觀結構、表面元素組成、化學組成、晶體結構;并研究了其相變性質(zhì)、熱穩(wěn)定性和熱可靠性。結果顯示:選用STP/H_2O質(zhì)量比為6:4,芯殼質(zhì)量比為4:2,表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為5%所獲的微膠囊相變焓最高。SEM和TEM結果表明,微膠囊近似球形,具有典型的“核-殼”結構;粒徑約1.0μm,其表面致密,但存在部分褶皺。由于STP的限制性結晶以及PECA殼材的異相成核效應,所制備微膠囊的相變溫度(46.44℃)略低于純STP(48.45℃),相變焓為107.0kJ?kg~(-1),包覆率為51.1%。TGA和冷熱循環(huán)實驗表明,所得微膠囊熱穩(wěn)定性得到改善,熱可靠性良好。最后,以SAT-urea混合物作為PCM,親水性氣相二氧化硅(SiO_2)作為載體和溫度調(diào)節(jié)劑,制備了適用于地板輻射采暖的相變地板用SAT-urea/SiO_2的定形復合PCM。分析了SiO_2的質(zhì)量分數(shù)對SAT-urea混合物相變性質(zhì)、過冷度以及定形性能的影響;初步闡述其調(diào)溫機理;優(yōu)化了SiO_2的質(zhì)量分數(shù)。用BET、SEM、FT-IR、XRD表征手段探究了定形復合相變材料的形貌、孔結構、化學組成以及晶體結構;考察了熱穩(wěn)定性、導熱系數(shù)、熱可靠性。結果顯示:由于多孔SiO_2孔隙的約束效應以及SAT-urea混合物與SiO_2的表面羥基的相互作用,SiO_2可以作為溫度調(diào)節(jié)劑來調(diào)節(jié)相變材料的相變溫度(在34.36~50.82℃之間)。同時,SiO_2的加入可以顯著降低SAT-urea混合物的過冷度,防止其泄漏。含SiO_2質(zhì)量分數(shù)為30%的SAT-urea/SiO_2定形復合PCM擁有良好的定形性能,合適的相變溫度(35.75℃),高的相變焓(151.6 kJ?kg~(-1))和低的過冷度(1.14℃),可應用于相變地板。SEM和孔結構分析結果表明,非共晶混合物主要分散到SiO_2的微孔及部分介孔中。XRD和FT-IR結果證實SiO_2與SAT-urea混合物通過物理相互作用結合。經(jīng)過200次循環(huán),所制備的復合PCM仍然保持了良好的結晶結構和結晶能力;在不同的循環(huán)次數(shù)后,可以觀察到相變溫度和相變焓的微小變化。
【圖文】：

圖 1-1 低溫熱水地板輻射采暖示意圖[12]1-1 Schematic diagram of low temperature hot water floor radiant h射采暖的優(yōu)點方式主要包括空調(diào)和暖氣，是通過對流傳熱的方式加熱室內(nèi)空們以局部熱源進行加熱，加熱溫度由距熱源遠近來決定，離熱就越低，室內(nèi)的橫向溫度分布十分不均勻；而且垂直方向上溫至上隨高度增加而增加，其溫度分布曲線與人體生理需求（頭人的舒適感較差。而地板輻射采暖作為一種先進的采暖方式，，具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：舒適性好 首先，與傳統(tǒng)采暖方式相比，地板輻射采暖室內(nèi)溫上呈現(xiàn)負溫度梯度，且垂直梯度小，提供一個“足熱頭寒”的

圖 1-2 不同采暖方式下的室內(nèi)溫度分布對比[13]Fig. 1-2 Comparison of indoor temperature distribution under different heating method（2）節(jié)能環(huán)保 第一，地板輻射采暖可利用太陽能、余熱水等低品味熱源；第二輻射采暖主要以熱輻射形式換熱，熱量集中在人體受益的高度內(nèi)，熱效率較高，因使房間設計溫度比傳統(tǒng)采暖方式低 2~3℃，也能達到相同的熱舒適感，從而節(jié)省采耗。第三，地板輻射采暖使用低溫熱媒，傳送過程熱損失較小。（3）節(jié)約建筑面積 傳統(tǒng)的散熱器采暖得散熱設備和管道安裝在室內(nèi)，這不僅降低間的有效使用面積而且影響美觀。地板輻射采暖的加熱元件或水管是都設置在地下基本不占用室內(nèi)的有效面積，不影響房間裝修與布置。此外，考慮到現(xiàn)下房價居高的形勢，使用地板輻射采暖在經(jīng)濟上更具有優(yōu)勢。（4）良好的室內(nèi)環(huán)境 傳統(tǒng)采暖方式是通過強制對流來與室內(nèi)空氣進行換熱，因此產(chǎn)生揚塵以及加速有害病菌的擴散。相反，地板輻射采暖主要以熱輻射方式來散熱
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU832;TB34

【參考文獻】

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2 吳晉蘭;帶金屬導熱膜的新型干式地板輻射采暖熱工性能研究[D];天津大學;2014年

本文編號：2598621