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建筑用相變材料熱可靠性測試方法
Testing method for thermal reliability of phase change materials using in buildings
（征求意見稿）
XXXX - XX - XX發(fā)布 XXXX - XX - XX實施
中華人民共和國住房與城鄉(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)語和定義......................................................................... 1
4 原理和方法......................................................................... 2
5 儀器............................................................................... 2
6 試驗過程........................................................................... 3
7 數(shù)據(jù)處理........................................................................... 5
8 報告............................................................................... 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)、中譽遠(yuǎn)發(fā)國際建設(shè)集團(tuán)有限公司、沃特世中國有限公司。
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、牛建磊、方貴銀、章學(xué)來、王云貴、楊勝鷹。
建筑用相變材料熱可靠性測試方法
1 范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了利用加速冷熱循環(huán)試驗和差示掃描量熱法測定建筑用固液相變材料熱可靠性的測試方法。熱可靠性通過加速冷熱循環(huán)試驗前后相變溫度和相變潛熱的變化量來判定。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于建筑用固液相變材料的熱可靠性測試。
2 規(guī)范性引用文件
下列文件對于本文件的應(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)晶溫度及熱焓的測定
GB/T 22232-2008 化學(xué)物質(zhì)的熱穩(wěn)定性測定 差示掃描量熱法
3 術(shù)語和定義
下列術(shù)語和定義適用于本標(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間內(nèi)維持其儲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，此對應(yīng)的溫度稱為相變溫度。相變溫度又分為熔化溫度和凝固溫度。DSC測試曲線中，外推基線與對應(yīng)于轉(zhuǎn)變開始的曲線最大斜率處所作切線的交點對應(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，對應(yīng)DSC測試曲線中相變峰的峰面積，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)過多次熔化、凝固過程后，相變潛熱值的變化百分比。
3.6
加速冷熱循環(huán)試驗 Accelerated thermal cycle experiment
將試驗樣放置于具有溫控系統(tǒng)的實驗裝置中，使試驗樣在裝置控制溫度范圍內(nèi)快速升溫、降溫，以實現(xiàn)試驗樣的潛熱蓄熱和放熱循環(huán)過程。
3.7
差示掃描量熱法 Differential scanning calorimetry（DSC）
在程序溫度控制下，測量輸入到試樣和參比樣的熱流速率（熱功率）差對溫度和/或時間的關(guān)系的一種熱分析法。可以通過DSC測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)過多次熔化、凝固循環(huán)后，其相變溫度和相變潛熱會發(fā)生變化，從而影響其調(diào)控溫度和儲存與釋放熱量的能力。利用加速冷熱循環(huán)試驗，對建筑用相變材料進(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測定，利用加速冷熱循環(huán)試驗前后相變材料的DSC測試結(jié)果對比來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)試驗裝置
由電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和實驗箱體組成的可以快速實現(xiàn)溫度改變的試驗裝置。加速冷熱循環(huán)試驗裝置的溫度控制應(yīng)滿足：溫度范圍包含所測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)試驗裝置容器不與所測試相變材料發(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和應(yīng)用，控溫裝置宜采用高低溫實驗箱、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：控制測試惰性條件（氮氣、氬氣）或活性條件（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。一臺量程不少于100g，精度為0.01g。一臺量程不少于1g，精度為0.0001g。
6 試驗過程
6.1 加速冷熱循環(huán)試驗
加速冷熱循環(huán)試驗參數(shù)包括下列各項：
——取樣量；
——高溫T1；
——低溫T2；
——高溫恒溫時間t1；
——低溫恒溫時間t2；
——試驗循環(huán)次數(shù)。
6.1.1 試驗取樣
根據(jù)加速熱循環(huán)裝置的規(guī)格，從待測相變材料中隨機(jī)稱取3-5份試驗樣，每份試樣不少于1g，裝于合適的容器中，密封。
6.1.2 高、低溫及恒溫時間的確定
加速冷熱循環(huán)試驗設(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程中的最低使用溫度。將根據(jù)6.1.1所取試驗樣放置于加速冷熱循環(huán)試驗裝置中，并根據(jù)6.1.2設(shè)定加速冷熱循環(huán)試驗裝置的高、低溫。試驗確定試驗樣在高溫下完全熔化和凝固所需最短時間，此時間分別為高溫、低溫恒溫時間t1、t2。
6.1.3 循環(huán)次數(shù)
加速冷熱循環(huán)試驗次數(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
根據(jù)6.1.2和6.1.3所確定的高、低溫及其恒溫時間和加速冷熱循環(huán)試驗次數(shù)，按圖1所示示意圖對加速冷熱循環(huán)試驗裝置進(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)試驗裝置中，開啟加速冷熱循環(huán)試驗裝置，使試驗樣開始加速冷熱循環(huán)試驗。待完成加速冷熱循環(huán)試驗后，取出試驗樣，待測。
6.2.1 取樣
從每份加速冷熱循環(huán)試驗后的試驗樣中取樣3次，每個樣品的重量在1～10mg范圍內(nèi)，且每個樣品間的質(zhì)量差＜1mg。
6.2.2 DSC測試
DSC測試的儀器校準(zhǔn)、樣品稱量與放置、儀器操作與試驗步驟和測試結(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。首先對加速冷熱循環(huán)試驗前的原料進(jìn)行DSC測試，然后對加速冷熱循環(huán)試驗后的試驗樣進(jìn)行DSC測試。
6.2.3 DSC結(jié)果
根據(jù)DSC測試結(jié)果，在DSC曲線上利用相應(yīng)軟件得到測試材料熔化溫度（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測試的平均值。
注：每個樣品的熔化和凝固溫度測試偏差應(yīng)在0.5℃之內(nèi)，熔化和凝固潛熱的測試偏差應(yīng)在3.5%內(nèi)（見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加速冷熱循環(huán)試驗后，相變材料的熔化、凝固溫度和熔化、凝固潛熱的變化量來判定的。計算見式（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)試驗后的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）。
8 報告
測試報告應(yīng)包括下列內(nèi)容：
a) 測試相變材料種類、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)實驗裝置規(guī)格參數(shù)；
d) 加速冷熱循環(huán)試驗樣品用量、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測試曲線；
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)計規(guī)范對于用熱側(cè)常用衛(wèi)生器具對熱水溫度的要求，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) 測試相變材料種類、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)實驗裝置規(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、降溫時間≤8min，時間設(shè)定范圍0-99h59min，容量：35*2ml。
d) 加速冷熱循環(huán)試驗樣品用量、溫度程序設(shè)定和循環(huán)次數(shù)；
從待測樣品出隨機(jī)取出5g肉豆蔻酸，分別等量放置于5個2ml的塑料管中，密封，分別編號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)實驗確定高、低溫恒溫時間為5min，相變蓄熱水箱中相變材料按照日調(diào)節(jié)計算使用年限內(nèi)的相變次數(shù)為15*365=5475次。）
e) DSC儀器規(guī)格參數(shù)；
美國TA公司Q20，氮氣保護(hù)，測溫范圍-90℃-720℃，溫度精度：±0.05℃，量熱精度：±0.1%。
f) DSC測試條件，包括：樣品用量、程序溫度、氣體氛圍等；
對加速冷熱循環(huán)試驗前的原料取樣3次，每次稱取5-10mg，且3次質(zhì)量偏差＜1mg。放置于鋁盤中，壓蓋待測。
對5份加速冷熱循環(huán)實驗后的樣品取樣，每份待測樣品取樣3次，每次稱取5-10mg，同一樣品質(zhì)量偏差＜1mg。
DSC測試測試溫度程序為20℃-80℃-20℃，升降溫速率為5℃/min，99.999%氮氣氣氛，氣流流量為50mL/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（℃）
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熔化潛熱（J/g）
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凝固溫度（℃）
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凝固潛熱（J/g）
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0
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54.41
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189.00
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52.29
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189.33
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5500
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54.06
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174.70
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50.13
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175.50
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表2 加速冷熱循環(huán)試驗后肉豆蔻酸的熱物性能變化
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熔化溫度
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熔化潛熱
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凝固溫度
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凝固潛熱
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變化
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-0.35℃
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-7.57%
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-2.16℃
|
-7.30%
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h) 測試日期。
加速冷熱循環(huán)試驗：2017年1月-3月
DSC測試試驗：2017年1月-3月
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