发泡陶瓷装配式轻质结构相变房的搭建及内环境研究

彭罗文，次恩达，陈威威，雷强，艾明星，李晓卿，王会，李建强

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京，100013；2.建研科技股份有限公司，北京 100013；3.中国科学院过程工程研究所，北京 100190）

0 引 言

相变材料是一种能伴随温度变化改变自身物质状态而提供潜热的物质，将相变材料与建筑围护结构相结合，不仅可以增大围护结构的热阻，提高围护结构的保温节能效率，还可以利用其相态变化进行吸热或放热而对热能进行储存或释放，调控建筑内部温度，提高内部环境的热舒适性和稳定性，从而达到建筑节能的目的[1-4]。

我国从2015年以来陆续出台装配式建筑规划，并从2016年起全面推广装配式建筑。整体厨房、整体卫浴等集成化程度较高的模块化部品和装配式墙体、装配式吊顶等标准化程度较高的集成化部品作为装配式建筑的重要组成部分，得到

越来越广泛的关注[5]。发泡陶瓷板是以工业固体废弃物或其他矿物原料为主要原料，掺加少量外加剂和发泡剂，经高温焙烧发泡而制成的具有保温隔热性能的轻质板状陶瓷制品。发泡陶瓷材料采用工业废渣，符合国家节能减排政策；而且发泡陶瓷板综合性能指标优势较明显，具有较好的保温隔热、防火防水及隔声效果，具备易于组装，可以随意切割等特点，非常适合装配式建筑。本文以一体化设计、工业化生产、现场干作业方式搭建了发泡陶瓷轻质结构房，并从提升建筑材料功能、降低建筑能耗和调整建筑内部环境舒适度的角度出发，针对相变蓄能建筑材料目前普遍存在的渗漏问题、利用率问题、耐久性及适用性问题等，在现有研究的基础上将相变材料、铝蜂窝芯与面板通过粘接材料逐层复合成相变储能蜂窝板[6]，然后集成到发泡陶瓷板上。研究在不同环境温度的影响下轻质结构相变房的内环境情况，以评价其建筑节能效果。

1 试验

1.1 原材料

水合无机盐：无水氯化钙，氯化钙含量>96.0%，分析纯，中国科学院过程工程研究所提供；片状膨胀石墨：50目，青岛天和达石墨有限公司；表面活性剂：OP-10，化学纯，成核剂：SrCl2·6H2O，分析纯，西陇化工股份有限公司。

1.2 性能测试

材料的热物性参照JC/T 2111—2012《建筑材料相变调温性能测试方法》进行测试，相变储能板材性能参照JC/T 2339—2015《地暖用相变储能材料及构件》进行测试。

1.3 金属蜂窝调温装饰板的制备

1.3.1 复合相变储能材料的制备

针对水合无机盐挥发或分解导致相变材料减少、储热能力降低等问题，设计利用无机多孔材料独特的多孔结构和优良的天然吸附性能，结合水合无机盐相变材料制备新型的复合相变储能材料，研究了同体积条件下柱状活性炭、片状膨胀石墨、活性氧化铝球、活性白土、13X分子筛等不同类别的无机多孔颗粒对水合无机盐相变储能材料的吸附性。试验发现，吸附效率由大到小依次为：活性氧化铝球>片状膨胀石墨>柱状活性炭>活性白土>13X分子筛。

经过多次储/放热循环试验发现，活性氧化铝球、柱状活性炭等载体在水合无机盐相变过程中体积变化产生的应力作用下易发生破碎，而且储/放热循环越多、时间越长，破坏现象越明显。故选用既有较好的吸附效率、又有优异的体积稳定性的片状膨胀石墨材料作为无机吸附材料，制备石墨基复合相变储能材料。为提高吸附材料的吸附率和热稳定性，在参考现有制备复合相变材料方法[1，7-8]的基础上，利用真空浸渍法制备了具有高导热系数、优异的热稳定性的复合相变材料。这样在使用过程中复合相变储能材料能够保持形状相对固定，无液态流体生成，可以增强体系的稳定性，来缓解水合无机盐的挥发，并降低其对封闭底材的腐蚀性。其制备过程如下：

（1）将片状膨胀石墨与制备好的水合无机盐混合均匀，在真空烘箱中将其加热到40℃，保持真空状态2 h，使水合无机盐充分吸附到膨胀石墨的空隙中，之后将其取出放置于室温环境下。

（2）由于XRD显示水合无机盐与膨胀石墨吸附基质之间只是简单的物理吸附，步冷曲线测试显示复合材料的过冷度仍较大。故而向上述步骤（1）制备的复合定形相变材料中加入一定量的表面活性剂和成核剂，制得过冷度在1.4℃以内、导热系数为3.523 W/（m·K）的复合定形相变材料，其相变温度为26.8~27.7℃，相变潜热为180.9 kJ/kg。

1.3.2 相变储能板材的制备

为防止相变材料在使用过程中出现泄漏、挥发等问题，通过专用设备将无机水合盐形变材料注入铝蜂窝复合板的分仓构造孔隙中，与面层铝板、装饰面板通过逐层复合技术最终压制成型为金属蜂窝调温板。无机水合盐相变材料的属性决定了其对金属蜂窝调温装饰板的耐久性具有潜在的危害。为了研究无机水合盐对铝合金腐蚀的影响，设计以3003铝蜂窝芯为基材，在北京6～8月室外自然条件下以相变温度分别为52、30、27℃的无机水合盐包覆铝蜂窝芯2个月后观察外观显微形貌（见图1）。

图1 铝蜂窝芯腐蚀一定时间后的表面显微形貌

从图1可见，由于无机水合盐中含有大量的腐蚀性离子，包覆在无机水合盐相变材料中2个月后，铝蜂窝芯表面都出现了不同程度的腐蚀，而且随着相变温度的降低，腐蚀逐渐严重。这种现象说明铝蜂窝芯的耐蚀性能不仅与无机水合盐相变材料中腐蚀性离子的种类和多少有关，还与无机水合盐相变材料的相变温度有关，相变温度越低，相变发生越频繁，腐蚀越快。

而常用的相变材料相变温度都在30℃以下，为了提高金属蜂窝调温装饰板的使用性能和耐久性，对铝蜂窝芯和铝板表面采取了喷涂防腐涂层的防腐处理方式。试验发现，在铝蜂窝芯表面先喷涂1道防腐底漆和1道氟碳树脂，置于自然条件下相变温度为27℃左右的无机水合盐相变材料24个月后，扫描电镜观察微观形貌可以看到铝蜂窝芯表面几乎未受腐蚀[见图1（d）]。

综上，通过选用具有高导热系数、优异热稳定性的石墨基复合相变储能材料，并对铝蜂窝芯和铝板表面防腐处理，本实验制备的金属蜂窝调温装饰板测得相变潜热为1573.8 kJ/m2，经过120次耐冷热循环，未出现变形、开裂和泄漏现象。

1.4 发泡陶瓷轻质结构房

本实验按照制备整体卫生间的构造形式，采用干法施工、零部件工厂预制、现场组装的施工工艺搭建了发泡陶瓷轻质结构房（见图2），其中发泡陶瓷板密度为400 kg/m3。

图2 发泡陶瓷轻质结构房建筑构造

防水底盘构造：采用支撑器作为下部支撑，便于内部安装地漏、排水管等。支撑器上部铺设发泡陶瓷板周圈进行磨槽处理，用于固定安装L型翻边金属框，该金属框起到固定地板作用的同时将地板做成翻边构造，防止房间内部水外溢。L型金属框安装就位后铺设自粘防水层形成结构防水底盘。

墙板间连接构造：墙板水平连接采用在板中、下部位各预埋1根表面与板面平齐无外露的中空套筒，并用紧固胶填充的预埋连接方案，板上部预埋螺纹套筒用于组装过程与顶部连接件的固定及整体结构的加固。

墙板间的装配方式：墙板间连接采用连接销进行现场装配，装配过程中套筒内孔填充紧固胶用于加固处理，墙板上部采用安装专用连接件，并通过螺栓进行连接装配。

墙板与防水底盘装配方式：墙板下部外侧开槽加工，开槽宽度及高度大于防水底盘L型金属边框的高度及厚度，当整个墙体安装就位后形成一个倒扣的盒体结构安装在防水底盘中。

墙板安装就位后在防水层上再铺设1层发泡陶瓷板作为增强层，增强层生产时可直接复合瓷砖、大理石等饰面层，地面装配合格后安装门窗和其他部品、部件。建成后的轻质结构房适用于商场、酒店、学校、工业厂房、过渡性设施、高端别墅以及旅游景区用房等建筑体系。

1.5 实验布置

本实验以北京地区为例，轻质结构房（对照房）由90 mm厚发泡陶瓷板搭建，相变房由复合有金属蜂窝调温装饰板的同规格发泡陶瓷板搭建，实验房外尺寸均为1200 mm×1400 mm×2200 mm，在南面墙体上分别开有尺寸为1800 mm×530 mm可向外开启的铝合金玻璃门（如图3）。

图3 相变房和对照房

发泡陶瓷轻质结构房搭建完毕后，对照房在底板、墙板上再复合一层无相变材料的薄型陶瓷饰面金属蜂窝复合板，相变房在底板、墙板上再复合一层内置相变材料的薄型陶瓷饰面金属蜂窝调温装饰板。此外，对照房屋顶粘贴8 mmPVC板后抹灰，相变房屋顶粘贴8 mm厚填充有复合相变材料的PVC板后抹灰。相变房和对照房内部空间、墙体壁面、屋顶面抹灰层及室外都布置有测温探头，便于在试验过程中对所有房间内外部温度、屋顶温度等参数同步进行实时监控。其中测试房间内部温度的测温探头距离底板约20 cm，测试室外温度的测温探头距离水泥地面约20 cm，实验时间从2019年8月下旬至2019年11月下旬，属于夏末至冬初，昼夜温差较大，会出现中午温度较高、夜间温度骤降的现象。实验过程中，房间门呈密闭状态。

1.6 性能评价指标

为了对房间的热性能进行评估，选取了时间延迟（φ）、温度衰减因子（f）以及热舒适率（FTC）作为性能评价指标[1]。时间延迟越大，温度衰减因子越小，热舒适率越高，房间的热性能越好。

2 结果与分析

2.1 内部外温度对比分析

本实验选取了北京地区白天气温高于27℃的夏末秋初、白天平均气温低于27℃但部分时段在27℃以上的深秋以及白天气温在15℃以下的秋末冬初3个时间段，记录相变房和对照房内部环境温度以及室外地面温度。实验过程温度对比曲线如图4所示。

图4 不同时间段相变房与对照房内环境温度以及室外地面温度对比

由图4可知，在气温较高的8～10月，白天时段相变房内部温度明显低于对照房内部温度，相变房内部最高温度比对照房内部最高温度低3~10℃；夜间相变房内部温度高于对照房内部温度，相变房最低温度比对照房最低温度高2~6℃。这主要是由于相变材料在白天熔化时可以吸收大量的热能，而在夜间凝固时可以释放出储存的热量，这样可以降低房屋内部温度的波动。

由图4（a）可知，在白天气温高于27℃的2019年8月30日至9月5日，室外地面温度白天时段明显高于对照房和相变房内部温度，夜间明显低于对照房和相变房内部温度。

由图4（b）可知，在白天平均气温低于27℃但部分时段在27℃以上的2019年10月19日至10月23日，室外地面温度白天时段明显高于相变房内部温度却低于对照房内部温度，夜间明显低于对照房和相变房内部温度。发生这种现象的原因在于相变房与对照房墙体构造组成不同。由于保温性能主要取决于围护结构的传热系数，发泡陶瓷板是一种多孔轻质保温材料，其传热系数为1.12 W/（m2·K），传热阻较大，因而其保温性能较好，屋内热量难以散去。但因为复合薄型陶瓷饰面金属蜂窝复合板的发泡陶瓷对照房属于轻质围护结构体系，热稳定性较差，隔热性能较差，易受太阳辐射的影响，内表面温度容易上升，内置铝蜂窝导热性很好，热量往对照房内部聚集，所以对照房内部温度比室外地面温度高。相变房由于内置相变材料而热容量比较大，使内部温度变化减缓，室内温度较为稳定。

由图4（c）可知，在气温较低的11月，由于所用的相变材料相变温度高于内部温度，没有相变焓产生，晚间相变房内部温度与对照房内部温度没有明显的差异，但白天对照房受太阳辐射的影响更大，发泡陶瓷板内表面温度容易升得较高，导致对照房内部温度高于相变房。

2.2 屋顶内壁温度对比分析

相变房与对照房内部热环境的差异不仅体现在房间内部温度的变化，还体现在围护板材内表面温度的变化。图5为2019年8月下旬至9月上旬相变房和对照房屋顶内壁温度对比。

从图5可以看到，温度低于27℃时，相变房屋顶内壁温度曲线与对照房屋顶内壁温度曲线几乎重合；温度高于27℃时，采用了相变材料的相变房屋顶内壁峰值温度低于对照房屋顶内壁温度。可以认为，采用无机水和盐相变材料可以增大建筑围护结构的热容量，可以有效阻隔和延缓太阳辐射产生的热量流入建筑内部，其机理是当室外热量通过围护结构向内部流动时，不断被相变物质的相变过程（熔化）所吸收。

图5 相变房和对照房屋顶内表面温度对比

2.3 房间热性能对比分析

参照GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》将舒适温度范围定为22~28℃，则图4（a）对应的对照房、相变房的FTC分别为34.4%、26.3%，图4（b）对应的对照房、相变房的FTC分别为12.1%、21.5%。发生这一现象的

原因在于所用的相变材料相变点温度已接近舒适温度范围上限，当相变房内部空气温度升高到相变温度以上时，相变材料发挥了蓄热调温效果，使相变房内部温度升高受到一定的抑制；在相变温度以下时，相变材料发挥了释放热量的效果，而铝蜂窝的传热系数远大于发泡陶瓷板，故此时对相变房热量往房间内传递，使相变房内部温度高于对照房。这实际上构成了一种单向调温体系。同时也说明，要提高建筑的热舒适率，应根据不同的气候条件选择合适的相变温度的相变材料，并在围护结构中集成具有不同相变温度的复合相变材料。

表1为对照房、对照房峰值温度相对室外地面峰值温度的时间延迟和温度衰减因子。

表1 对照房、对照房峰值温度相对室外地面峰值温度的时间延迟和温度衰减因子

由表1可知，由于围护结构的热惯性，建筑房间温度的波动幅度与外部温度波动幅度之间存在明显延迟；另外，相变房温度波峰时刻相对对照房出现了一定的滞后，可以说相变房内部温度与对照房相比具有明显的衰减性和滞后性，所用相变材料起到了良好的调温作用。

3 结论

（1）石墨基复合相变储能材料具有良好的热稳定性和调温作用，用发泡陶瓷轻质围护结构与之相结合可以提高建筑物的储热能力，调节室内热环境。

（2）发泡陶瓷轻质围护结构具有较好的保温性能，但热稳定性较差，内置铝蜂窝板后热量易于往室内聚集，构成单向传热，在铝蜂窝板中填充石墨基复合相变储能材料后形成单向调温建筑围护结构体系。

（3）发泡陶瓷轻质结构相变房与对照房相比，具有明显的衰减性和滞后性，应根据不同的气候条件选择相变温度合适的相变材料，或者在围护结构中集成具有不同相变温度的相变材料。