应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土及其制备方法

摘要

本发明公开了一种应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，按体积百分比由以下组分组成：透光材料20％‑25％、相变储能砂浆75％‑80％，上述各组份的体积百分比之和为100％；本发明还公开了其制备方法，将透光材料制成块状，等间距均匀固定在模具内，块状透光材料占模具底板面积的20％‑25％；将相变储能砂浆的浆体料浇筑到模具内，至其与块状透光材料的厚度相同，辅以振捣，待硬化后拆模，标准条件下养护至规定龄期，即得。本发明解决了现有技术中存在的集热蓄热太阳房室内采光受限、集热蓄热墙体储热能力有限问题。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程材料技术领域，涉及一种应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，本发明还涉及该透光储能混凝土的制备方法。

背景技术

被动式太阳房是指直接受益式、附加阳光间及集热蓄热墙式太阳能建筑，其主要是利用太阳辐射能作为采暖热源，但受太阳辐射热作用的间歇性和不稳定性影响，室内温度容易产生较大的波动，降低了室内热环境质量。为减少室内温度波动幅度，被动式太阳房设计中对墙体的蓄热性能要求要远高于一般采暖建筑，特别是集热蓄热墙式太阳能建筑，其南向的集热蓄热墙的热存储性能要求更高。

集热蓄热墙式太阳能建筑，是一种有效的被动式太阳能采暖建筑形式，一方面，在直接受益窗后面筑起一道重型结构墙，墙的顶部和底部分别开有通风口，在通风口处设有可控制空气流动的活动门，通过通风口的开启与关闭时间设置，可将玻璃窗与集热蓄热墙间的热空气引入室内，提高室内温度水平，从而减小建筑采暖过程中的常规能源消耗；另一方面，集热蓄热墙作为储热材料蓄热和放热，在室内温度下降后缓慢释放白天储存于材料内部的热量，维持室温处于舒适的范围内。传统集热蓄热墙主要采用混凝土、粘土砖等重质材料建造，这类重质材料热容量相对较大，与轻质材料相比，可增大墙体的蓄热能力，但这类常用作集热蓄热墙的材料，却存在以下缺点：

(1)储热能力有限且影响室内采光

集热蓄热墙的蓄热能力一方面取决于墙体面积和体量的大小，另一方面取决于墙体材料的储热性能，集热蓄热墙的传统材料主要为混凝土、砖等显热蓄热材料，这类显热型材料的热容量有限，为提高集热蓄热墙的储热能力，不得不增加墙体的体量，而墙体体量的增大对建筑室内面积及室内采光均会产生不利影响；与显热储热材料不同的是，相变材料具有热容量高、相变时温度稳定等优良特性，将相变材料引入集热蓄热墙材料中，可显著提高墙体的热储存和热调节能力，文献1“专利号为CN 101761150 A”的中国专利公开了一种高效太阳能相变蓄热集热墙构造设计方法，该方法是将相变材料板贴附在集热蓄热墙通道内建筑墙体表面，从测试结果中可以看出，该集热蓄热墙系统比采用常规重质材料的可获得更高的热效益，表明了利用相变储能材料的优势所在；文献2《相变通风集热墙与被动式太阳房联合应用的研究》(王荣晖，吉林大学，2015)建立了集热蓄热式太阳房模型，将相变材料填充到空心砖砌体的空洞中构成集热蓄热墙体，通过测试模型房间各测点温度变化，发现掺加相变材料的集热蓄热墙使室内温度维持在一个宜的温度范围内。但上述方法，均是从集热蓄热墙构造系统设计上采用了常物性材料和相变潜热性材料的复合构造，其主体材料依然采用的是传统重质材料，使集热蓄热墙的设计和施工难度有所增加。此外，由于集热蓄热墙是设置在被动式太阳能建筑的南墙上，因此被动式集热量的多少与集热面积的大小密切相关，集热蓄热墙的面积增加有助于集热量值的提高，但会对室内采光带来不利影响，传统的重质材料集热蓄热墙及文献1和文献2中的方法，均不能解决“集热蓄热墙体面积”与“室内采光”之间的矛盾。

(2)透光混凝土改善室内采光效果，但储热能力有限

近些年出现了一种可以透光的新型混凝土，该混凝土是通过在浇筑前预埋透光材料制备而成的，文献3《应用玻璃质光纤制备透光混凝土的研究》(李悦,许志远.混凝土.2013(04):141-143)公开了一种透光混凝土的制备方法，该方法是采用水泥砂浆作为透光混凝土的基体材料，把两种玻璃质多模光纤平行排列在水泥砂浆中，制备出了透光混凝土，但该方法中的光纤布置难度较大，操作过程繁琐复杂、效率较低；文献4《树脂导光混凝土的制备方法与力学性能研究》(叶栩娜,南昌大学.2014)公开了一种利用树脂作为透光材料制备透光混凝土的方法，研究表明树脂的透光性能良好，比光纤的视角更宽，捕光的能力也更强，抗拉、抗压强度高，耐热、耐磨性能好，抗冻性能优良。透光混凝土的透光特性，对解决集热蓄热墙设置与室内采光需求之间的矛盾有所帮助，对太阳房的集热蓄热墙发展提供了技术参考，然而从已公开的文献中可以发现，透光混凝土只是从材性上解决了传统水泥混凝土不透光的问题，材料的蓄热性能并没有提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，解决了现有技术中存在的集热蓄热太阳房室内采光受限、集热蓄热墙体储热能力有限问题。

本发明所采用的另一个目的是提供一种应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，按体积百分比由以下组分组成：透光材料20％-25％、相变储能砂浆75％-80％，上述各组份的体积百分比之和为100％。

透光材料按质量百分比由以下组份构成：邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％。

相变储能砂浆按质量百分比由以下组份构成：强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.5-2.7的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料14.0％、拌和水15.8％。

定形相变材料按质量百分比由以下组份构成：低密度聚乙烯38.4％、相变石蜡57.7％、片状石墨3.9％。

本发明所采用的另一个技术方案是，应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将透光材料制成块状，等间距均匀固定在模具内，块状透光材料占模具底板面积的20％-25％；

步骤2，将相变储能砂浆的浆体料浇筑到模具内，至其与块状透光材料的厚度相同，辅以振捣，待硬化后拆模，标准条件下养护至规定龄期，即得。

块状透光材料的制备过程如下：

按质量百分比分别称取邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％，依次倒入搅拌机中搅拌均匀，得到混合液，将混合液浇入模具中，待其硬化后脱模，制备成块状透光材料。

相变储能砂浆的浆体料的制备过程如下：

按质量百分比分别称取拌和水15.8％、强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.5-2.7的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料14.0％，依次倒入水泥胶砂搅拌机中，搅拌3-5min，混合均匀，得到自密实的相变储能砂浆的浆体料。

定形相变材料的制备过程如下：

按质量百分比分别称取低密度聚乙烯38.4％、相变石蜡57.7％、片状石墨3.9％，加热的同时搅拌，得到熔融体，将冷凝后的熔融体破碎为颗粒状，并过筛。

在定形相变材料的制备过程中，在集热式磁力搅拌器的油浴池中进行加热，并将集热式磁力搅拌器调至低速搅拌状态，等温度升至170-180℃后，在低速搅拌状态保持20-25min，随后调至高速搅拌状态保持10-15min，得到熔融体，熔融体在室温下进行冷凝。

在定形相变材料的制备过程中，过筛时选用2.5mm的圆孔筛。

本发明的有益效果是，将透光材料和相变储能砂浆结合制备出应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，其中相变储能砂浆由定形相变材料和水泥砂浆基体材料构成；其中透光材料选用了邻苯型不饱和聚酯透明树脂，其具有良好的导光性能，且捕光能力更强，比光纤的视角更宽，抗拉、抗压强度较高，耐磨、耐热性能较好，抗冻性能优良，这些特点使建筑的透光效果更好；其中定形相变材料中的相变材料选用相变温度为20℃的低熔点相变石蜡，低熔点相变石蜡因其具有相变温度宽、储能密度大、化学稳定性好、无过冷和相分离现象，且原料来源广、价格低廉等优点，相变温度接近人体舒适温度；载体物质选用低密度聚乙烯(LDPE)，由于低密度聚乙稀相对于高密度聚乙稀等材料具有优异的延展性和柔韧性，这不仅使定形相变材料制备工艺简单、抗渗漏性好，还使定形相变材料的机械加工性能强；其中水泥砂浆基体材料是由水泥、石英砂、减水剂、促凝剂和缓凝剂构成，水泥采用强度等级为42.5的快硬硫铝酸盐水泥，其具有水化速度快、早期强度高，后期强度稳定增长等特点，促凝剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)的复合使用，能够使材料在一定的时间内具有良好的工作性，超过该时间段后又能够快速凝结，有效解决了储能砂浆浆料可施工时间充足与凝结硬化快等性能之间的矛盾，聚羧酸减水剂的使用，能够使砂浆具备良好的流动性，从而保证砂浆在试模中浇筑密实，在辅以轻微振捣下可使相变砂浆与透光树脂块间紧密结合。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，按体积百分比由以下组分组成：透光材料20％-25％、相变储能砂浆75％-80％，上述各组份的体积百分比之和为100％。

透光材料按质量百分比由以下组份构成：邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％。

相变储能砂浆按质量百分比由以下组份构成：强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.5-2.7的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料14.0％、拌和水15.8％。

定形相变材料按质量百分比由以下组份构成：低密度聚乙烯38.4％、相变石蜡57.7％、片状石墨3.9％。

应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将透光材料制成块状，等间距均匀固定在模具内，块状透光材料占模具底板面积的20％-25％；

步骤2，将相变储能砂浆的浆体料浇筑到模具内，至其与块状透光材料的厚度相同，辅以振捣，待硬化后拆模，标准条件下养护至规定龄期，即得。

块状透光材料的制备过程如下：

按质量百分比分别称取邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％，依次倒入搅拌机中搅拌均匀，得到混合液，将混合液浇入模具中，待其硬化后脱模，制备成块状透光材料。

相变储能砂浆的浆体料的制备过程如下：

按质量百分比分别称取拌和水15.8％、强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.5-2.7的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料14.0％，依次倒入水泥胶砂搅拌机中，搅拌3-5min，混合均匀，得到自密实的相变储能砂浆的浆体料。

定形相变材料的制备过程如下：

按质量百分比分别称取低密度聚乙烯38.4％、相变石蜡57.7％、片状石墨3.9％，加热的同时搅拌，得到熔融体，将冷凝后的熔融体破碎为颗粒状，并过筛。

在定形相变材料的制备过程中，在集热式磁力搅拌器的油浴池中进行加热，并将集热式磁力搅拌器调至低速搅拌状态，等温度升至170-180℃后，在低速搅拌状态保持20-25min，随后调至高速搅拌状态保持10-15min，得到熔融体，熔融体在室温下进行冷凝。

在定形相变材料的制备过程中，过筛时选用2.5mm的圆孔筛。

实施例1

应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％，依次倒入搅拌机中搅拌均匀，得到混合液，将混合液缓慢浇入硅胶模具中，待其硬化后脱模，制备成块状透光材料；

将块状透光材料等间距均匀排布在模具内，并用快速固化胶水将其粘接在模具底板上，块状透光材料占模具底板面积的20％；

步骤2，按质量百分比分别称取低密度聚乙烯38.4％、20℃的相变石蜡57.7％、片状石墨粉3.9％，并倒入烧杯中，将烧杯放到集热式磁力搅拌器的油浴池中进行加热，将集热式磁力搅拌器的温度设定为170℃，并将集热式磁力搅拌器调至低速搅拌状态，等温度升至170℃后保持20min，随后调至高速搅拌状态保持10min，得到熔融体，将熔融体在室温下冷凝后，将其机械破碎为颗粒状，并过2.5mm的圆孔筛，得到定形相变材料的干粉料；

按质量百分比分别称取拌和水15.8％、强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.5的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂(粉剂)0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料的干粉料14.0％，依次倒入水泥胶砂搅拌机中，搅拌3min，混合均匀，得到自密实的相变储能砂浆的浆体料。

将相变储能砂浆的浆体料浇筑到模具内，至其与块状透光材料的厚度相同，以确保块状透光材料能够穿透相变储能砂浆，辅以振捣，待硬化后拆模，标准条件下养护至规定龄期，即得。

实施例2

应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％，依次倒入搅拌机中搅拌均匀，得到混合液，将混合液缓慢浇入硅胶模具中，待其硬化后脱模，制备成块状透光材料；

将块状透光材料等间距均匀排布在模具内，并用快速固化胶水将其粘接在模具底板上，块状透光材料占模具底板面积的23％；

步骤2，按质量百分比分别称取低密度聚乙烯38.4％、20℃的相变石蜡57.7％、片状石墨粉3.9％，并倒入烧杯中，将烧杯放到集热式磁力搅拌器的油浴池中进行加热，将集热式磁力搅拌器的温度设定为175℃，并将集热式磁力搅拌器调至低速搅拌状态，等温度升至175℃后保持23min，随后调至高速搅拌状态保持13min，得到熔融体，将熔融体在室温下冷凝后，将其机械破碎为颗粒状，并过2.5mm的圆孔筛，得到定形相变材料的干粉料；

按质量百分比分别称取拌和水15.8％、强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.6的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂(粉剂)0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料的干粉料14.0％，依次倒入水泥胶砂搅拌机中，搅拌4min，混合均匀，得到自密实的相变储能砂浆的浆体料。

将相变储能砂浆的浆体料浇筑到模具内，至其与块状透光材料的厚度相同，以确保块状透光材料能够穿透相变储能砂浆，辅以振捣，待硬化后拆模，标准条件下养护至规定龄期，即得。

实施例3

应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取邻苯型不饱和聚酯透明树脂98.4％、固化剂0.7％、促进剂0.9％，依次倒入搅拌机中搅拌均匀，得到混合液，将混合液缓慢浇入硅胶模具中，待其硬化后脱模，制备成块状透光材料；

将块状透光材料等间距均匀排布在模具内，并用快速固化胶水将其粘接在模具底板上，块状透光材料占模具底板面积的25％；

步骤2，按质量百分比分别称取低密度聚乙烯38.4％、20℃的相变石蜡57.7％、片状石墨粉3.9％，并倒入烧杯中，将烧杯放到集热式磁力搅拌器的油浴池中进行加热，将集热式磁力搅拌器的温度设定为180℃，并将集热式磁力搅拌器调至低速搅拌状态，等温度升至180℃后保持25min，随后调至高速搅拌状态保持15min，得到熔融体，将熔融体在室温下冷凝后，将其机械破碎为颗粒状，并过2.5mm的圆孔筛，得到定形相变材料的干粉料；

按质量百分比分别称取拌和水15.8％、强度级数为42.5的快硬硫铝酸盐水泥35.0％、细度模数为2.7的石英砂35.0％、聚羧酸高效减水剂(粉剂)0.02％、碳酸锂0.08％、硼酸0.1％、定形相变材料的干粉料14.0％，依次倒入水泥胶砂搅拌机中，搅拌5min，混合均匀，得到自密实的相变储能砂浆的浆体料。

将相变储能砂浆的浆体料浇筑到模具内，至其与块状透光材料的厚度相同，以确保块状透光材料能够穿透相变储能砂浆，辅以振捣，待硬化后拆模，标准条件下养护至规定龄期，即得。

下表为实施例1、实施例2、实施例3制备得到的应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的性能对比。

表1 实施例1～3制备得到的应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的性能

从表1中能够看出，实施例1的透光面积百分比为20％，养护1天和养护3天抗压强度分别为8.2MPa和15.5MPa，分别达到了养护28天抗压强度的47.4％和89.6％，且实施例1中的热焓值达到12.5J/g；实施例2和实施例3较实施例1配比有所变化，主要是透光材料含量有所增加，透光面积百分比分别为23％和25％，相变储能砂浆的含量有所减少，但从强度测试数据可以看出，实施例2和实施例3同样具有早强快硬的性能特点，并且材料的热焓值均较高，分别为11.0J/g和10.6J/g。综合三个实施例的性能参数可见，1d抗压强度为5.8-8.2MPa；7d抗压强度为12.3-15.5MPa；28d抗压强度为14.2-17.3Mpa，应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土的强度发展快，其7天的抗压强度达到了普通黏土砖的抗压强度，因此其强度可以满足墙体建造的力学要求，其中相变潜热主要来自于相变储能砂浆，相变潜热值可以达到10.61-12.45J/g，相较与普通建筑材料采用显热储热的方式，储热量较大，能够起到储能的作用。

通过上述方式，本发明中将透光材料和相变储能砂浆结合制备出应用于被动式太阳房中的透光储能混凝土，其中相变储能砂浆由定形相变材料和水泥砂浆基体材料构成：

其中透光材料选用了邻苯型不饱和聚酯透明树脂，其具有良好的导光性能，且捕光能力更强，比光纤的视角更宽，抗拉、抗压强度较高，耐磨、耐热性能较好，抗冻性能优良，这些特点使建筑的透光效果更好。

其中定形相变材料中的相变材料选用相变温度为20℃的低熔点相变石蜡，低熔点相变石蜡因其具有相变温度宽、储能密度大、化学稳定性好、无过冷和相分离现象，且原料来源广、价格低廉等优点，相变温度接近人体舒适温度；载体物质选用低密度聚乙烯(LDPE)，由于低密度聚乙稀相对于高密度聚乙稀等材料具有优异的延展性和柔韧性，这不仅使定形相变材料制备工艺简单、抗渗漏性好，还使定形相变材料的机械加工性能强。

其中水泥砂浆基体材料是由水泥、石英砂、减水剂、促凝剂和缓凝剂构成，水泥采用强度等级为42.5的快硬硫铝酸盐水泥，其具有水化速度快、早期强度高，后期强度稳定增长等特点，促凝剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)的复合使用，能够使材料在一定的时间内具有良好的工作性，超过该时间段后又能够快速凝结，有效解决了储能砂浆浆料可施工时间充足与凝结硬化快等性能之间的矛盾，聚羧酸减水剂的使用，能够使砂浆具备良好的流动性，从而保证砂浆在试模中浇筑密实，在辅以轻微振捣下可使相变砂浆与透光树脂块间紧密结合。