|
建筑用相变材料热可靠性测试方法
Testing method for thermal reliability of phase change materials using in buildings
（征求意见稿）
XXXX - XX - XX发布 XXXX - XX - XX实施
中华人民共和国住房与城乡建设部 发布
目 次
前言................................................................................. II
1 范围............................................................................... 1
2 规范性引用文件..................................................................... 1
3 术语和定义......................................................................... 1
4 原理和方法......................................................................... 2
5 仪器............................................................................... 2
6 试验过程........................................................................... 3
7 数据处理........................................................................... 5
8 报告............................................................................... 6
附录A（规范性附录）相变蓄热水箱用相变材料热可靠性测示例............................... 7
前 言
本标准按照GB/T 1.1——2009给出的规则起草。
本标准由住房和城乡建设部标准定额所提出。
本标准由住房和城乡建设部建筑制品与构配件标准化技术委员会归口。
本标准起草单位：西南交通大学、清华大学、中国建筑科学研究院、重庆大学、四川省建材工业科学研究院、香港理工大学、南京大学、北京工业大学、上海海事大学、中誉远发国际建设集团有限公司、沃特世中国有限公司。
本标准主要起草人：袁艳平、张楠、肖益民、谢静超、曹晓玲、孙亮亮、王馨、张寅平、杨晓娇、袁中原、王智超、秦钢、余南阳、牛建磊、方贵银、章学来、王云贵、杨胜鹰。
建筑用相变材料热可靠性测试方法
1 范围
本标准规定了利用加速冷热循环试验和差示扫描量热法测定建筑用固液相变材料热可靠性的测试方法。热可靠性通过加速冷热循环试验前后相变温度和相变潜热的变化量来判定。
本标准适用于建筑用固液相变材料的热可靠性测试。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 19466.1-2004 塑料 差示扫描量热法（DSC）第1部分：通则
GB/T 19466.3-2004 塑料 差示扫描量热法（DSC）第3部分：熔融和结晶温度及热焓的测定
GB/T 22232-2008 化学物质的热稳定性测定 差示扫描量热法
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
3.1
建筑用相变材料 Phase change materials using in bulidings
应用于建筑中的可以随温度变化而改变物质相态，并能提供潜热储存和释放的物质。
3.2
热可靠性 Thermal reliability
相变材料在工作温度和时间内维持其储存和释放热量的能力。建筑用相变材料的热可靠性是根据相变材料在多次熔化、凝固后其相变温度和相变潜热的变化量来衡量的。
3.3
相变温度 Phase change temperature
在某一特定温度下，相变材料吸收或释放热量从一种物相转变为另一种物相，此对应的温度称为相变温度。相变温度又分为熔化温度和凝固温度。DSC测试曲线中，外推基线与对应于转变开始的曲线最大斜率处所作切线的交点对应的温度，单位为℃或K。
3.4
相变潜热 Phase change latent heat
单位质量的相变材料，在一定温度条件下，从一种物相完全转变为另一种物相时吸收或放出的热量。相变潜热又分为熔化潜热和凝固潜热，对应DSC测试曲线中相变峰的峰面积，单位为J/g或kJ/kg。
3.5
相变潜热的变化率 phase change latent heat change rate
建筑用相变材料在经过多次熔化、凝固过程后，相变潜热值的变化百分比。
3.6
加速冷热循环试验 Accelerated thermal cycle experiment
将试验样放置于具有温控系统的实验装置中，使试验样在装置控制温度范围内快速升温、降温，以实现试验样的潜热蓄热和放热循环过程。
3.7
差示扫描量热法 Differential scanning calorimetry（DSC）
在程序温度控制下，测量输入到试样和参比样的热流速率（热功率）差对温度和/或时间的关系的一种热分析法。可以通过DSC测试出建筑用相变材料的相变温度和相变潜热。
4 原理和方法
相变材料在经过多次熔化、凝固循环后，其相变温度和相变潜热会发生变化，从而影响其调控温度和储存与释放热量的能力。利用加速冷热循环试验，对建筑用相变材料进行规定次数的快速熔化、凝固循环，并测试建筑用相变材料的相变温度和相变潜热变化量。相变温度和相变潜热采用DSC测定，利用加速冷热循环试验前后相变材料的DSC测试结果对比来判定建筑用相变材料的热可靠性。
5 仪器
5.1 加速冷热循环试验装置
由电源系统、温控系统和实验箱体组成的可以快速实现温度改变的试验装置。加速冷热循环试验装置的温度控制应满足：温度范围包含所测试建筑用相变材料的使用温度范围，温度精度：偏差在±1℃之内，达到设定温度的时间≤20min，装置温度可以如图1所示连续变化设定。加速冷热循环试验装置容器不与所测试相变材料发生反应，包括耐高温塑料管、玻璃管等。根据建筑用相变材料种类和应用，控温装置宜采用高低温实验箱、金属浴、扩增仪等。
5.2 差示扫描量热仪
差示扫描量热仪应符合下列规定：
a)温度控制器：仪器可以根据程序设定，在设定温度范围内，升降温速率在1℃/min-20℃/min可控。误差为±0.1℃/min；
b)温度范围：仪器应具有冷却装置，且冷却装置的冷却温度应达到低于相变材料使用温度；
c)气体氛围：控制测试惰性条件（氮气、氩气）或活性条件（空气）的气体流量控制在10mL/min-50mL/min，惰性气体纯度达到99.999%以上；
d)试样容器：坩埚不与测试样品发生反应，包括铝坩埚、氧化铝坩埚。
5.3 电子天平
电子天平不少于2台。一台量程不少于100g，精度为0.01g。一台量程不少于1g，精度为0.0001g。
6 试验过程
6.1 加速冷热循环试验
加速冷热循环试验参数包括下列各项：
——取样量；
——高温T1；
——低温T2；
——高温恒温时间t1；
——低温恒温时间t2；
——试验循环次数。
6.1.1 试验取样
根据加速热循环装置的规格，从待测相变材料中随机称取3-5份试验样，每份试样不少于1g，装于合适的容器中，密封。
6.1.2 高、低温及恒温时间的确定
加速冷热循环试验设置的高温设定应不低于建筑用相变材料在使用过程中的最高使用温度，低温设定应不高于建筑用相变材料在使用过程中的最低使用温度。将根据6.1.1所取试验样放置于加速冷热循环试验装置中，并根据6.1.2设定加速冷热循环试验装置的高、低温。试验确定试验样在高温下完全熔化和凝固所需最短时间，此时间分别为高温、低温恒温时间t1、t2。
6.1.3 循环次数
加速冷热循环试验次数应不小于建筑用相变材料在预期使用期间完成熔化、凝固的次数。
6.1.4 循环试验
根据6.1.2和6.1.3所确定的高、低温及其恒温时间和加速冷热循环试验次数，按图1所示示意图对加速冷热循环试验装置进行温度设定。重新根据6.1.1取样，并放置于加速冷热循环试验装置中，开启加速冷热循环试验装置，使试验样开始加速冷热循环试验。待完成加速冷热循环试验后，取出试验样，待测。
6.2.1 取样
从每份加速冷热循环试验后的试验样中取样3次，每个样品的重量在1～10mg范围内，且每个样品间的质量差＜1mg。
6.2.2 DSC测试
DSC测试的仪器校准、样品称量与放置、仪器操作与试验步骤和测试结果表示按照GB/T 19466.1-2004/ISO 11357-1:1997和GB/T 19466.3-2004/ISO 11357-3:1999的规定。首先对加速冷热循环试验前的原料进行DSC测试，然后对加速冷热循环试验后的试验样进行DSC测试。
6.2.3 DSC结果
根据DSC测试结果，在DSC曲线上利用相应软件得到测试材料熔化温度（Tm），凝固温度（Tf），熔化潜热（Hm）和凝固潜热（Hf），如图2所示。样品的熔化、凝固温度和熔化、凝固潜热值是DSC测试的平均值。
注：每个样品的熔化和凝固温度测试偏差应在0.5℃之内，熔化和凝固潜热的测试偏差应在3.5%内（见GB/T 22232-2008）
7 数据处理
建筑用相变材料的热可靠性是通过加速冷热循环试验后，相变材料的熔化、凝固温度和熔化、凝固潜热的变化量来判定的。计算见式（1）-式（4）：
DTm=Tc，m-Tm …… (1)
DTf=Tc，f-Tf …… (2)
h=（Hc，m-Hm）/ Hm×100% …… (3)
d=（Hc，f-Hf）/ Hf×100% …… (4)
式中：
DTm——熔化温度的变化量；
DTf——凝固温度的变化量；
h——熔化潜热的变化率；
d——凝固潜热的变化率；
Tm——建筑用相变材料加速冷热循环试验前的平均熔化温度，单位为摄氏度（℃）；
Tf——建筑用相变材料加速冷热循环试验前的平均凝固温度，单位为摄氏度（℃）；
Hm——建筑用相变材料加速冷热循环试验前的平均熔化潜热，单位为焦每克（J/g）；
Hf——建筑用相变材料加速冷热循环试验前的平均凝固潜热，单位为焦每克（J/g）；
Tc，m——建筑用相变材料加速冷热循环试验后的平均熔化温度，单位为摄氏度（℃）；
Tc，f——建筑用相变材料加速冷热循环试验后的平均凝固温度，单位为摄氏度（℃）；
Hc，m——建筑用相变材料加速冷热循环试验后的平均熔化潜热，单位为焦每克（J/g）；
Hc，f——建筑用相变材料加速冷热循环试验后的平均凝固潜热，单位为焦每克（J/g）。
8 报告
测试报告应包括下列内容：
a) 测试相变材料种类、基本性能参数；
b) 相变材料应用领域、可使用地区等；
c) 加速冷热循环实验装置规格参数；
d) 加速冷热循环试验样品用量、温度设定情况和循环次数；
e) DSC仪器规格参数；
f) DSC测试条件，包括：样品用量、程序温度、气体氛围等；
g) 相变材料加速冷热循环前后的DSC测试曲线；
h) 相变材料加速冷热循环后的相变温度变化和相变潜热变化率；
i) 测试日期。
附录A
（资料性附录）
相变蓄热水箱用相变材料热可靠性测示例
A.1 利用相变蓄热水箱提供生活热水，相变蓄热水箱的最高使用温度约为70℃，低温使用温度约为15℃，按照标准 GB50015-2003 建筑给水排水设计规范对于用热侧常用卫生器具对热水温度的要求，相变蓄热水箱所能提供的热水温度应不小于45℃，选用相变温度约为54℃的肉豆蔻酸作为相变蓄热水箱中的相变材料。蓄热水箱的使用年限为15年。示例如下：
a) 测试相变材料种类、基本性能参数；
肉豆蔻酸（纯度：99%，分子式：C14H28O2，分子量：228.37，形态：白色固体，相变温度54℃，相变潜热：180J/g）。
b) 相变材料应用领域、可使用地区；
用于相变蓄热水箱以提供生活热水，可适用于不同地区。
c) 加速冷热循环实验装置规格参数；
快速加热和冷却的控制装置：ThermQ 恒温金属浴，温度设定范围：0℃-100℃，控温精度≤±0.2℃，升、降温时间≤8min，时间设定范围0-99h59min，容量：35*2ml。
d) 加速冷热循环试验样品用量、温度程序设定和循环次数；
从待测样品出随机取出5g肉豆蔻酸，分别等量放置于5个2ml的塑料管中，密封，分别编号1#，2#，3#，4#，5#。恒温金属浴温度程序设定为70℃恒温5min，然后降至10℃并恒温5min。加速冷热循环试验次数为5500次。
（肉豆蔻酸用于相变蓄热水箱的使用温度范围为15-70℃，根据加速冷热循环预实验确定高、低温恒温时间为5min，相变蓄热水箱中相变材料按照日调节计算使用年限内的相变次数为15*365=5475次。）
e) DSC仪器规格参数；
美国TA公司Q20，氮气保护，测温范围-90℃-720℃，温度精度：±0.05℃，量热精度：±0.1%。
f) DSC测试条件，包括：样品用量、程序温度、气体氛围等；
对加速冷热循环试验前的原料取样3次，每次称取5-10mg，且3次质量偏差＜1mg。放置于铝盘中，压盖待测。
对5份加速冷热循环实验后的样品取样，每份待测样品取样3次，每次称取5-10mg，同一样品质量偏差＜1mg。
DSC测试测试温度程序为20℃-80℃-20℃，升降温速率为5℃/min，99.999%氮气气氛，气流流量为50mL/min。
g) 相变材料加速冷热循环后的相变温度变化和相变潜热变化率；
表A.1 加速冷热循环试验前后肉豆蔻酸的热物性能
|
循环次数
|
熔化温度（℃）
|
熔化潜热（J/g）
|
凝固温度（℃）
|
凝固潜热（J/g）
|
|
0
|
54.41
|
189.00
|
52.29
|
189.33
|
|
5500
|
54.06
|
174.70
|
50.13
|
175.50
|
表2 加速冷热循环试验后肉豆蔻酸的热物性能变化
|
|
熔化温度
|
熔化潜热
|
凝固温度
|
凝固潜热
|
|
变化
|
-0.35℃
|
-7.57%
|
-2.16℃
|
-7.30%
|
h) 测试日期。
加速冷热循环试验：2017年1月-3月
DSC测试试验：2017年1月-3月
|
