刘成楼（北京虹霞正升涂料有限责任公司，102400）
☆　摘要：以十八烷蜡为相变材料，以膨胀珍珠岩为定形材料，制备的相变储能抹面砂浆，可广泛地应用于建筑围护结构外表做抹面保护层，具有高温时吸热储能、低温时放热的调温节能作用，各项物理性能均满足相关标准要求。
☆　关键词：相变储能；抹面砂浆；调温；节能
☆　引言：
节能减排是我国“十一五”规划纲要中提出的重要任务，建筑节能已被列入法规，“外墙外保温系统施工技术规程”已在全国强制执行。相变储能材料（PCMs）应用于建筑围护结构，可提高能源的利用率，为节约建筑能耗提供新的途径【1】。目前，常用的PCMs有无机物和有机物两大类：无机物如水合盐类PCMs，在相变时容易产生腐蚀性、过冷和相分离等现象，这是无机PCMs的固有缺陷；有机PCMs如聚乙烯乙二醇、脂肪酸及其衍生物、石蜡等，具有储能性能好、物化性能稳定、热工性能好、相变温度可调、可加工成定形PCMs等优点，已被应用于相变储能墙板、地板、天花板及混凝土中。当PCMs建筑材料用于外墙面时，夏季可因相变而隔热降温；应用于内墙面时，冬季的白天可吸收日光的辐射储能，晚上放出热量，起到调温均温作用，可大幅度地降低室内温度的波动，提高人体的舒适度，同时也具有显著的节能作用【2】。
本文选用十八烷蜡为PCMs、粉状膨胀珍珠岩为包裹定形材料，通过热融蜡液浸渗工艺，将蜡液吸附进膨胀珍珠岩的微孔隙中，制备成一种定形PCMs复合材料，将其加入到抗裂抹面砂浆中，制成相变储能抗裂抹面砂浆，做为外墙外保温系统的保护层，可对提高保温系统的保温隔热性能起叠加效应。同时，保护层也具有优良的机械强度和抗裂、防水性能。
1、PCMs的隔热机理
在高温季节，建筑围护结构因吸收太阳光的辐射热，普通墙体的外表面温度可达到60-70℃，外墙外保温系统的保护层因保温层的热阻效应而温度可达80℃左右，此时，一旦遇到暴雨，表面温度可迅速降至30℃左右，巨大温差极易产生温度裂缝，并导致渗水。
相变储能材料具有一定的相变潜热，PCMs的相变温度选择为所处环境的日平均温度值以上1-3℃【3】，并且只有相变温度接近人体的舒适温度（20℃）的PCMs，才适于应用到建筑的储能【4】。将PCMs置于建筑物的外表面，当白天气温上升达到或超过PCMs的熔点以后，PCMs吸收墙体的蓄热并储存起来，当室外环境温度低于PCMs的熔点温度时，又将储存的热能逐渐释放出去，由此降低和延缓了墙体的外表面温度峰值的上升，减少了热量向室内传导，也避免了因骤冷而引起面层开裂。因此，PCMs具有显著的调温性能。

2、实验部分
2.1主要原材料
普硅水泥；可再分散胶粉；羟丙甲基纤维素；聚丙烯纤维；水洗河沙；粉状改性硅烷憎水剂；粉状膨胀珍珠岩；十八烷蜡（熔点30℃，潜热200J/g）。
2.2基本配方
相变储能抹面砂浆的基本配方见表1
表1  PCMs抹面砂浆基本配方

2.3制备方法
（1）定形相变储能复合材料的制备：将十八烷蜡和膨胀珍珠岩注入加热釜中，在料温为70℃左右下搅拌混合并抽真空，在负压下使熔融的蜡液浸渗并吸附到膨胀珍珠岩的孔隙中，放料、降温、过筛，成定形PCMs。
（2）定形PCMs抹面砂浆的制备：除定形PCMs外将配方中的其他原料搅拌混合均匀，最后加入定形PCMs，混合均匀后即可排料、装袋。
2.4性能检测
（1）相变储能性能的检测：按照EPS板薄抹灰外保温系统的施工规程，将厚度为5mm的EPS板粘贴在北墙向阳面，面积为2×1.8（米）的四块样板，其中1号样板上批抹普通抹面砂浆复合玻纤网格布，另三块样板分别批抹相变材料不同含量的抹面砂浆再复合玻纤网格布，分别标为2、3、4号样板，批抹厚度均匀3mm。
选择高温季节的晴天，最高气温为36℃，分时段测定四块样板的表面温度，通过同时段的温度差值检验相变储能材料的调温效果，继而可推算节能效率。
（2）物理性能的检测按DBJ01-63-202《外墙外保温聚合物砂浆质量检验标准》进行。

3结果与讨论
3.1定形相变PCMs的添加量对抹面砂浆储能性能的影响
在抹面砂浆中掺入不同质量份的定形PCMs制成相变储能抹面砂浆，分别批抹在2、3、4号样板上，其表面温度的变化见表2.
表2  定形PCMs掺量对表面温度的影响

由表2可见，在抹面砂浆中加入定形PCMs，当环境温度≥相变温度（30℃）时，随着定形PCMs掺量的增加，由于相变潜热总量增加、吸收热量增多而使表面温度相应下降。当定形PCMs掺量为10%时，下午两点的表面温比对照降低了5.5℃，而在早晨5点时，由于气温低于相变温度，PCMs经过一夜的逐渐放热，表面温度缓慢下降，但比对照峰谷温度仍然高出2.5℃，这充分证明了PCMs有显著的调温和均温效果。
研究证明，在酷热的下午，由于外墙温度过高而导至热岛效应，使周围环境温度升高2-3℃。据统计，每天最高气温升高1℃，要求制冷用电量上升2%，因此可粗略地推算，因定形PCMs的降温隔热效果带来的节能效率，可达到节电11%。
3.2定形PCMs添加量对抹面砂浆粘结强度的影响
定形PCMs的不同添加量对抹面砂浆粘结强度的影响见表 3
表3  定形PCMs不同掺量对粘结强度的影响

从表2的数据中可以看出，相变储能抹面砂浆的拉伸粘结强度与对照样相比，各项处理状态下的性能指标均有不同程度地下降，且随着定形PCMs掺量的增加呈线性降低。当掺量小于10%时，各项指标均在合格范内，超过10%时则不合格。其原因是：随着膨胀珍珠岩定形PCMs掺量的增加，抹面砂浆的体积增大、密实度降低、孔隙率增高，抗压强度减小，有机胶粘剂和无机硅酸盐凝胶对骨料的包裹不完全、对空隙的填充不充分，故而导致拉伸粘结强度降低。可采取适当提高胶粘剂用量的方法予以弥补，因为抹面砂浆必须具有较高的粘结强度，这是保证保温系统的安全稳定性，避免保护层起鼓、开裂、渗水、脱落的基础性指标。
3.3定形PCMs的掺量对抹面砂浆吸水量的影响
定形PCMs的不同掺量对抹面砂浆吸水量的影响，见表4。
表4  定形PCMs不同掺量对吸水量的影响

由表3可知，随着定形PCMs掺量的增加，相变抹面砂浆的吸水量逐步上升，当掺量为10%时，吸水量比对照仅上升了11.7%，但仍控制在＜500g/m2指标范围内。当掺量超过10%时吸水量增幅加大，当掺量达到14%时吸水量超过1000g/m2标准要求。虽然膨胀珍珠岩的吸水量很大，但是开孔内已充满了石蜡，颗粒外表也包了一层蜡膜，因此定形PCMs已成为一种憎水性膨胀珍珠岩，其自身吸水性很低，当掺量少时对砂浆的吸水量影响并不显著，实验条件下吸水量的逐步上升现象，皆因砂浆的密实度降低、孔隙率升高所致。
吸水量是抹面砂浆的一项重要指标，根据DBJ01-63-202标准要求，抹面砂浆24h吸水量小于1000g/ m2，而JG149-2003标准要求为小于500 g/m2，本研究对吸水量的控制采用后者标准。抹面砂浆的吸水量越小，其抗水性越高。当吸水量过高时，一方面会降低抹面砂浆的粘结强度，降低保温层的保温隔热性能，另一方面还会因冬季冻胀导致面层开裂。
3.4定形PCMs的掺量对抹面砂浆柔韧性的影响
定形PCMs的不同掺量对抹面砂浆的柔韧性（压折比）的影响，见表5.
表5  定形PCMs不同掺量对柔韧性的影响

从表4中可知，在抹面砂浆中，随着定形PCMs掺量的增加，抗压强度、抗折强度都呈下降趋势，而压折比值上升，即柔韧性变差。当定形PCMs的掺量达到10%时，压折比为2.6，柔韧性尚好；当掺量超过了12%时，压折比为3.1，柔韧性不符合标准要求。柔韧性是抹面砂浆的一项重要指标，与保护层的抗裂性紧密相关，当压折比大于3时，抹面砂浆的刚性强、易开裂，因此要求抹面砂浆有较高的柔性（低压折比值），以便使保护层的变形量高于内层保温层的变形量，实现柔性渐变，分散和消解内部的变形应力，防止保护层开裂渗水。另外，虽然抹面砂浆的压折比符合标准要求，但是当抗压强度太小（如＜3MPa）时，势必以牺牲抗折强度为代价，导致粘结强度差、吸水量大、易开裂等一系列问题出现。

2.5定形PCMs的掺量对抹面砂浆透水性的影响
定形PCMs的不同掺量对抹面砂浆透水性的影响，见表6。
表6  定形PCMs不同掺量对透水性的影响

由表5可知，随着定形PCMs掺量的增加，。抹面砂浆的透水量相应增加，不透水性逐渐变差。当掺量为10%时，透水性为1.4ml，完全符合透水性≤3ml的标准规定，但是当掺量达到14%时，则透水量超标，透水性不合格。透水性高低是决定抹面砂浆防水性能劣与优的重要标志，抹面砂浆应该具有优异的防水性能（低透水性），以便增强对保温层的保护作用，延长使用寿命。
通常，水渗透抹面砂浆的通道有两条：（1）是微裂缝；（2）是毛细孔。因此防止保护层产生裂纹、提高表面的致密度，使用有机硅防水剂封闭毛细孔等，都是行之有效的方法。保护层产生裂纹的成因较复杂，需要多种方法综合治理，不在本文讨论之列。在实验条件下，尽管加入定形PCMs后对抹面砂浆的抗裂性无明显的负面影响，但是导致其致密度降低、孔隙率上升，才是渗水率提高的成因，为此配方中加入了适量有机硅憎水剂，对抹面砂浆的毛细孔进行有效地封闭，增强了其防水性能。

4定形PCMs抹面砂浆的应用优势与经济性
定形PCMs抹面砂浆不但可以代替普通抹面砂浆用于外墙、屋面保温系统的保护层、找平层，也可以用于无保温系统的建筑物围护结构的外侧抹面层，还可以用于需要夏季隔热降温的仓库、粮仓、冷库等设施外表抹面层。
4.1 应用优势
（1）制约因素少。降低建筑物的表面温度，减少热量向室内传导、降低结构的内外温差的方法有2种：（a）采用太阳热反射隔热涂料做饰面层，（b）围护结构外侧使用相变储能材料。
太阳热反射隔热涂料，其涂膜可将太阳红外光和辐射热反射到大气中去，从而使物体表面降温，其应用条件是：晴天；涂膜呈白色或浅淡色。当遇到阴天和需要重色调时，其隔热降温性能会大打折扣。相变储能材料没有上述制约因素，只要温度达到或超过相变材料的熔点时，它便开始相变吸热、蓄热，而温度低于其熔点时又开始放热，属于潜藏式控温，与天气的阴晴和饰面涂料的颜色关系不大。当将定形PCMs抹面砂浆和太阳热反射隔热涂料复合应用时，对建筑物围护结构的隔热控温效果会有叠加增效作用。
（2）相变温度可调。可根据不同地区的气候特点、不同建筑物结构及应用部位、人为设计的控温调温范围等条件，选择和调节相变储能材料的相变温度，具有“因地制宜、区别对待”的应变灵活性。
（3）加入方法多样。相变储能材料加入到建筑材料中的方法大致有三种：直接加入法（混合或浸渗）；利用多孔材料先吸附定形再加入；利用聚乙烯包膜制成微胶囊定形后再加入。第一种加入方法简单实用，但调温效果较差，后两种加入方法效果较好，但相变材料的定形工艺复杂，推广应用有一定难度。
4.2经济性
依据当前原材料市场价格、按基本配方推算，相变储能抹面砂浆的材料成本为1600元/吨左右，其中相变储能材料在其中增加了不足200元/吨，按相变储能抹面砂浆用量为4kg/m2计算，施工造价比普通抹面砂浆增加了0.8元/m2，为了达到节能目标，降低能耗，施工造价小幅提升也是合理的。

5 结语
本研究以十八烷蜡（相变温度30℃、潜热200J/g）为相变储能材料，以粉状硅烷憎水剂为定形材料，在温度为70℃及负压下，将蜡液吸附到膨胀珍珠岩的微孔隙中，制备成定形相变储能复合材料，将其加入到抹面砂浆中，制成相变储能抹面砂浆。可广泛地应用于建筑物围护结构的外侧做相变储能抹面保护层，在夏季酷热天气，当温度达到或高于相变储能材料熔点时，相变材料开始吸热、蓄热，从而使围护结构外层温度降低，减少热量向内部传导；当夜间温度降低到低于相变温度时，又可将储存的蓄热逐渐释放出去，从而起到调温、节能作用。在实验条件下，相变储能抹面砂浆的表面温度与普通抹面砂浆相比，高温时可降低5.5℃，低温时则高2.5℃.
相变储能抹面砂浆的物理性能指标，如拉伸粘结强度、吸水量、柔韧性、透水性方面，完全符合DBJ01-63-202及JG149-2003标准规定的要求。