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建筑用相變材料熱可靠性測(cè)試方法
Testing method for thermal reliability of phase change materials using in buildings
（征求意見(jiàn)稿）
XXXX - XX - XX發(fā)布 XXXX - XX - XX實(shí)施
中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部 發(fā)布
目??次
前言................................................................................. II
1 范圍............................................................................... 1
2 規(guī)范性引用文件..................................................................... 1
3 術(shù)語(yǔ)和定義......................................................................... 1
4 原理和方法......................................................................... 2
5 儀器............................................................................... 2
6 試驗(yàn)過(guò)程........................................................................... 3
7 數(shù)據(jù)處理........................................................................... 5
8 報(bào)告............................................................................... 6
附錄A（規(guī)范性附錄）相變蓄熱水箱用相變材料熱可靠性測(cè)示例............................... 7
前 言
本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 1.1——2009給出的規(guī)則起草。
本標(biāo)準(zhǔn)由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額所提出。
本標(biāo)準(zhǔn)由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑制品與構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。
本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：西南交通大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院、重慶大學(xué)、四川省建材工業(yè)科學(xué)研究院、香港理工大學(xué)、南京大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、上海海事大學(xué)、中譽(yù)遠(yuǎn)發(fā)國(guó)際建設(shè)集團(tuán)有限公司、沃特世中國(guó)有限公司。
本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：袁艷平、張楠、肖益民、謝靜超、曹曉玲、孫亮亮、王馨、張寅平、楊曉嬌、袁中原、王智超、秦鋼、余南陽(yáng)、牛建磊、方貴銀、章學(xué)來(lái)、王云貴、楊勝鷹。
建筑用相變材料熱可靠性測(cè)試方法
1 范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了利用加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)和差示掃描量熱法測(cè)定建筑用固液相變材料熱可靠性的測(cè)試方法。熱可靠性通過(guò)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后相變溫度和相變潛熱的變化量來(lái)判定。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于建筑用固液相變材料的熱可靠性測(cè)試。
2 規(guī)范性引用文件
下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 19466.1-2004 塑料 差示掃描量熱法（DSC）第1部分：通則
GB/T 19466.3-2004 塑料 差示掃描量熱法（DSC）第3部分：熔融和結(jié)晶溫度及熱焓的測(cè)定
GB/T 22232-2008 化學(xué)物質(zhì)的熱穩(wěn)定性測(cè)定 差示掃描量熱法
3 術(shù)語(yǔ)和定義
下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
3.1
建筑用相變材料 Phase change materials using in bulidings
應(yīng)用于建筑中的可以隨溫度變化而改變物質(zhì)相態(tài)，并能提供潛熱儲(chǔ)存和釋放的物質(zhì)。
3.2
熱可靠性 Thermal reliability
相變材料在工作溫度和時(shí)間內(nèi)維持其儲(chǔ)存和釋放熱量的能力。建筑用相變材料的熱可靠性是根據(jù)相變材料在多次熔化、凝固后其相變溫度和相變潛熱的變化量來(lái)衡量的。
3.3
相變溫度 Phase change temperature
在某一特定溫度下，相變材料吸收或釋放熱量從一種物相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物相，此對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)為相變溫度。相變溫度又分為熔化溫度和凝固溫度。DSC測(cè)試曲線(xiàn)中，外推基線(xiàn)與對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)變開(kāi)始的曲線(xiàn)最大斜率處所作切線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，單位為℃或K。
3.4
相變潛熱 Phase change latent heat
單位質(zhì)量的相變材料，在一定溫度條件下，從一種物相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物相時(shí)吸收或放出的熱量。相變潛熱又分為熔化潛熱和凝固潛熱，對(duì)應(yīng)DSC測(cè)試曲線(xiàn)中相變峰的峰面積，單位為J/g或kJ/kg。
3.5
相變潛熱的變化率 phase change latent heat change rate
建筑用相變材料在經(jīng)過(guò)多次熔化、凝固過(guò)程后，相變潛熱值的變化百分比。
3.6
加速冷熱循環(huán)試驗(yàn) Accelerated thermal cycle experiment
將試驗(yàn)樣放置于具有溫控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置中，使試驗(yàn)樣在裝置控制溫度范圍內(nèi)快速升溫、降溫，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)樣的潛熱蓄熱和放熱循環(huán)過(guò)程。
3.7
差示掃描量熱法 Differential scanning calorimetry（DSC）
在程序溫度控制下，測(cè)量輸入到試樣和參比樣的熱流速率（熱功率）差對(duì)溫度和/或時(shí)間的關(guān)系的一種熱分析法。可以通過(guò)DSC測(cè)試出建筑用相變材料的相變溫度和相變潛熱。
4 原理和方法
相變材料在經(jīng)過(guò)多次熔化、凝固循環(huán)后，其相變溫度和相變潛熱會(huì)發(fā)生變化，從而影響其調(diào)控溫度和儲(chǔ)存與釋放熱量的能力。利用加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)建筑用相變材料進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的快速熔化、凝固循環(huán)，并測(cè)試建筑用相變材料的相變溫度和相變潛熱變化量。相變溫度和相變潛熱采用DSC測(cè)定，利用加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后相變材料的DSC測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)判定建筑用相變材料的熱可靠性。
5 儀器
5.1 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置
由電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)箱體組成的可以快速實(shí)現(xiàn)溫度改變的試驗(yàn)裝置。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置的溫度控制應(yīng)滿(mǎn)足：溫度范圍包含所測(cè)試建筑用相變材料的使用溫度范圍，溫度精度：偏差在±1℃之內(nèi)，達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間≤20min，裝置溫度可以如圖1所示連續(xù)變化設(shè)定。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置容器不與所測(cè)試相變材料發(fā)生反應(yīng)，包括耐高溫塑料管、玻璃管等。根據(jù)建筑用相變材料種類(lèi)和應(yīng)用，控溫裝置宜采用高低溫實(shí)驗(yàn)箱、金屬浴、擴(kuò)增儀等。
5.2 差示掃描量熱儀
差示掃描量熱儀應(yīng)符合下列規(guī)定：
a)溫度控制器：儀器可以根據(jù)程序設(shè)定，在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，升降溫速率在1℃/min-20℃/min可控。誤差為±0.1℃/min；
b)溫度范圍：儀器應(yīng)具有冷卻裝置，且冷卻裝置的冷卻溫度應(yīng)達(dá)到低于相變材料使用溫度；
c)氣體氛圍：控制測(cè)試惰性條件（氮?dú)狻鍤猓┗蚧钚詶l件（空氣）的氣體流量控制在10mL/min-50mL/min，惰性氣體純度達(dá)到99.999%以上；
d)試樣容器：坩堝不與測(cè)試樣品發(fā)生反應(yīng)，包括鋁坩堝、氧化鋁坩堝。
5.3 電子天平
電子天平不少于2臺(tái)。一臺(tái)量程不少于100g，精度為0.01g。一臺(tái)量程不少于1g，精度為0.0001g。
6 試驗(yàn)過(guò)程
6.1 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)
加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)包括下列各項(xiàng)：
——取樣量；
——高溫T1；
——低溫T2；
——高溫恒溫時(shí)間t1；
——低溫恒溫時(shí)間t2；
——試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。
6.1.1 試驗(yàn)取樣
根據(jù)加速熱循環(huán)裝置的規(guī)格，從待測(cè)相變材料中隨機(jī)稱(chēng)取3-5份試驗(yàn)樣，每份試樣不少于1g，裝于合適的容器中，密封。
6.1.2 高、低溫及恒溫時(shí)間的確定
加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)設(shè)置的高溫設(shè)定應(yīng)不低于建筑用相變材料在使用過(guò)程中的最高使用溫度，低溫設(shè)定應(yīng)不高于建筑用相變材料在使用過(guò)程中的最低使用溫度。將根據(jù)6.1.1所取試驗(yàn)樣放置于加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置中，并根據(jù)6.1.2設(shè)定加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置的高、低溫。試驗(yàn)確定試驗(yàn)樣在高溫下完全熔化和凝固所需最短時(shí)間，此時(shí)間分別為高溫、低溫恒溫時(shí)間t1、t2。
6.1.3 循環(huán)次數(shù)
加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)不小于建筑用相變材料在預(yù)期使用期間完成熔化、凝固的次數(shù)。
6.1.4 循環(huán)試驗(yàn)
根據(jù)6.1.2和6.1.3所確定的高、低溫及其恒溫時(shí)間和加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)，按圖1所示示意圖對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置進(jìn)行溫度設(shè)定。重新根據(jù)6.1.1取樣，并放置于加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置中，開(kāi)啟加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置，使試驗(yàn)樣開(kāi)始加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)。待完成加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，取出試驗(yàn)樣，待測(cè)。
6.2.1 取樣
從每份加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的試驗(yàn)樣中取樣3次，每個(gè)樣品的重量在1～10mg范圍內(nèi)，且每個(gè)樣品間的質(zhì)量差＜1mg。
6.2.2 DSC測(cè)試
DSC測(cè)試的儀器校準(zhǔn)、樣品稱(chēng)量與放置、儀器操作與試驗(yàn)步驟和測(cè)試結(jié)果表示按照GB/T 19466.1-2004/ISO 11357-1:1997和GB/T 19466.3-2004/ISO 11357-3:1999的規(guī)定。首先對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的原料進(jìn)行DSC測(cè)試，然后對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的試驗(yàn)樣進(jìn)行DSC測(cè)試。
6.2.3 DSC結(jié)果
根據(jù)DSC測(cè)試結(jié)果，在DSC曲線(xiàn)上利用相應(yīng)軟件得到測(cè)試材料熔化溫度（Tm），凝固溫度（Tf），熔化潛熱（Hm）和凝固潛熱（Hf），如圖2所示。樣品的熔化、凝固溫度和熔化、凝固潛熱值是DSC測(cè)試的平均值。
注：每個(gè)樣品的熔化和凝固溫度測(cè)試偏差應(yīng)在0.5℃之內(nèi)，熔化和凝固潛熱的測(cè)試偏差應(yīng)在3.5%內(nèi)（見(jiàn)GB/T 22232-2008）
7 數(shù)據(jù)處理
建筑用相變材料的熱可靠性是通過(guò)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，相變材料的熔化、凝固溫度和熔化、凝固潛熱的變化量來(lái)判定的。計(jì)算見(jiàn)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——熔化溫度的變化量；
DTf——凝固溫度的變化量；
h——熔化潛熱的變化率；
d——凝固潛熱的變化率；
Tm——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均熔化溫度，單位為攝氏度（℃）；
Tf——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均凝固溫度，單位為攝氏度（℃）；
Hm——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均熔化潛熱，單位為焦每克（J/g）；
Hf——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）；
Tc，m——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均熔化溫度，單位為攝氏度（℃）；
Tc，f——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均凝固溫度，單位為攝氏度（℃）；
Hc，m——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均熔化潛熱，單位為焦每克（J/g）；
Hc，f——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）。
8 報(bào)告
測(cè)試報(bào)告應(yīng)包括下列內(nèi)容：
a) 測(cè)試相變材料種類(lèi)、基本性能參數(shù)；
b) 相變材料應(yīng)用領(lǐng)域、可使用地區(qū)等；
c) 加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)格參數(shù)；
d) 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)樣品用量、溫度設(shè)定情況和循環(huán)次數(shù)；
e) DSC儀器規(guī)格參數(shù)；
f) DSC測(cè)試條件，包括：樣品用量、程序溫度、氣體氛圍等；
g) 相變材料加速冷熱循環(huán)前后的DSC測(cè)試曲線(xiàn)；
h) 相變材料加速冷熱循環(huán)后的相變溫度變化和相變潛熱變化率；
i) 測(cè)試日期。
附錄A
（資料性附錄）
相變蓄熱水箱用相變材料熱可靠性測(cè)示例
A.1 利用相變蓄熱水箱提供生活熱水，相變蓄熱水箱的最高使用溫度約為70℃，低溫使用溫度約為15℃，按照標(biāo)準(zhǔn) GB50015-2003 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于用熱側(cè)常用衛(wèi)生器具對(duì)熱水溫度的要求，相變蓄熱水箱所能提供的熱水溫度應(yīng)不小于45℃，選用相變溫度約為54℃的肉豆蔻酸作為相變蓄熱水箱中的相變材料。蓄熱水箱的使用年限為15年。示例如下：
a) 測(cè)試相變材料種類(lèi)、基本性能參數(shù)；
肉豆蔻酸（純度：99%，分子式：C14H28O2，分子量：228.37，形態(tài)：白色固體，相變溫度54℃，相變潛熱：180J/g）。
b) 相變材料應(yīng)用領(lǐng)域、可使用地區(qū)；
用于相變蓄熱水箱以提供生活熱水，可適用于不同地區(qū)。
c) 加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)格參數(shù)；
快速加熱和冷卻的控制裝置：ThermQ 恒溫金屬浴，溫度設(shè)定范圍：0℃-100℃，控溫精度≤±0.2℃，升、降溫時(shí)間≤8min，時(shí)間設(shè)定范圍0-99h59min，容量：35*2ml。
d) 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)樣品用量、溫度程序設(shè)定和循環(huán)次數(shù)；
從待測(cè)樣品出隨機(jī)取出5g肉豆蔻酸，分別等量放置于5個(gè)2ml的塑料管中，密封，分別編號(hào)1#，2#，3#，4#，5#。恒溫金屬浴溫度程序設(shè)定為70℃恒溫5min，然后降至10℃并恒溫5min。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)為5500次。
（肉豆蔻酸用于相變蓄熱水箱的使用溫度范圍為15-70℃，根據(jù)加速冷熱循環(huán)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定高、低溫恒溫時(shí)間為5min，相變蓄熱水箱中相變材料按照日調(diào)節(jié)計(jì)算使用年限內(nèi)的相變次數(shù)為15*365=5475次。）
e) DSC儀器規(guī)格參數(shù)；
美國(guó)TA公司Q20，氮?dú)獗Ｗo(hù)，測(cè)溫范圍-90℃-720℃，溫度精度：±0.05℃，量熱精度：±0.1%。
f) DSC測(cè)試條件，包括：樣品用量、程序溫度、氣體氛圍等；
對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的原料取樣3次，每次稱(chēng)取5-10mg，且3次質(zhì)量偏差＜1mg。放置于鋁盤(pán)中，壓蓋待測(cè)。
對(duì)5份加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)后的樣品取樣，每份待測(cè)樣品取樣3次，每次稱(chēng)取5-10mg，同一樣品質(zhì)量偏差＜1mg。
DSC測(cè)試測(cè)試溫度程序?yàn)?0℃-80℃-20℃，升降溫速率為5℃/min，99.999%氮?dú)鈿夥眨瑲饬髁髁繛?0mL/min。
g) 相變材料加速冷熱循環(huán)后的相變溫度變化和相變潛熱變化率；
表A.1 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后肉豆蔻酸的熱物性能
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循環(huán)次數(shù)
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熔化溫度（℃）
|
熔化潛熱（J/g）
|
凝固溫度（℃）
|
凝固潛熱（J/g）
|
|
0
|
54.41
|
189.00
|
52.29
|
189.33
|
|
5500
|
54.06
|
174.70
|
50.13
|
175.50
|
表2 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后肉豆蔻酸的熱物性能變化
|
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熔化溫度
|
熔化潛熱
|
凝固溫度
|
凝固潛熱
|
|
變化
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-0.35℃
|
-7.57%
|
-2.16℃
|
-7.30%
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h) 測(cè)試日期。
加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)：2017年1月-3月
DSC測(cè)試試驗(yàn)：2017年1月-3月
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