摘 要

能源是人类社会发展进步不可缺少的重要物资，然而常规化石能源的大量开采与消耗，已经出现了能源短缺、环境污染等一系列问题，所以如何降低传统能源的消耗和利用新能源来代替传统能源受到越来越多的重视，尤其是太阳能热量的利用，但是如何高效的储存热量是一个技术难题。储热混凝土具有高的导热系数和比热容，并且易于成型、性能稳定、价格低廉，因此可以应用到太阳能电站中，当光照充足时储存多余热量。

本文主要针对混凝土储热材料的力学性能和热学性能等问题，在参考大量文献的基础上，对混凝土储热材料进行改良，通过将40%矿渣粉和60%普通硅酸盐水泥混合作为混凝土的胶凝材料体系，选择合适的粗、细集料，同时加入石墨粉、钢纤维和铁粉等添加物改善混凝土的力学性能和热学性能，使制备出的混凝土满足储热材料的热性能要求。

关键词：储热材料，混凝土，比热容，导热系数

Abstract

Energy is an indispensable and important resources for the development and progress of human society. However, a series of problems such as energy shortage and environmental pollution have arisen in the large-scale exploitation and consumption of conventional fossil energy. Therefore, how to reduce the consumption of traditional forms of energy and how to use new forms of energy has attracted more and more attention, especially the utilization of solar energy. But it is a technical problem to store heat efficiently. Thermal storage concrete has high thermal conductivity and specific heat capacity, and is easy to form, it is stable with low cost. Therefore, it can be applied to solar power plants to store heat when the light is sufficient.

In this paper, aiming at the good mechanical and thermal properties of concrete thermal storage materials, the concrete thermal storage materials are improved on the basis of a large number of references. By mixing 40% slag powder and 60% ordinary Portland cement as the cementing material system of concrete, appropriate coarse and fine aggregates are selected, and additives such as graphite powder, steel fiber and iron powder are added to improve concrete quality. The obtained mechanical and thermal properties make the prepared concrete meet the thermal performance requirements using as thermal storage materials.

Key Words：Thermal storage materials, concrete, specific heat capacity, thermal conductivity

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 储热方法 2

1.2.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容和技术路线 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 技术路线 4

第二章 储热混凝土的制备及原理 6

2.1 引言 6

2.2 混凝土储热模块的传热机理 6

2.3 混凝土储热模块的制备工艺 7

2.3.1 混凝土储热模块的热学性能设计 7

第三章 储热混凝土的热学性能研究 10

3.1 引言 10

3.2 混凝土储热模块材料的选择 10

3.2.1 水泥的选择 10

3.2.2 集料的选择 10

3.2.3 添加物 11

3.2.4 减水剂 12

3.2.5 水 12

3.3 混凝土最佳配合比 12

3.3.1 混凝土水灰比的确定 12

3.3.2 混凝土配合比的确定 12

3.4 混凝土储热模块的热学性能 13

3.4.1 混凝土储热模块的比热容 13

3.4.2 混凝土储热模块的导热系数 13

3.5 混凝土储热模块的性能测试 14

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致 谢 22

附录A 23

附录B 24

第一章 绪论

1.1 研究背景

能源是人类社会赖以生存和发展以及科技进步的重要物质基础，是世界各国的重要战略资源。目前全球使用的大部分能源是三种传统的不可再生能源：煤炭、石油、天然气这三种传统的。根据《BP世界能源统计年鉴》提供的权威数据显示，2016年世界探明石油储量约2707亿吨，按照2016年消耗水平计算，还可以满足全世界使用57年。截至2016底，世界天然气探明储量为186.6×10¹² m³，该储备足以保证52.5年的供应需要。2016年，世界煤炭的储量探明为1. 14×10¹²吨，还可以再使用153年，比石油和天然气储量多出近两倍。但是随着储量的减少，开采难度就会加大，开采价值就会随之下降，不可再生能源的开采年限还将大大减少^[1]。

在面对传统能源逐渐枯竭的同时，传统三大能源的高能耗、高污染也是必须考虑的问题。燃烧传统能源后，会产生大量的大气污染物，如二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化物、颗粒物和二氧化碳等，将造成巨大的大气污染，严重危害人类的生存发展。因此新型能源，尤其是可再生能源的开发和利用，已经成为当今一个重要趋势和研究的热门课题。

随着不可再生资源的逐渐消耗和可再生资源利用技术的发展，潮汐能、太阳能和风能等新型能源的开发和利用受到人们越来越多的关注。在众多的新型可再生能源中，太阳能是世界上公认的最好的新型清洁能源，并且与其他能源相比具有普遍性、无限性的优点，其利用工艺过程简单可靠，技术也日渐成熟。然而，太阳能的使用很容易受到气候和季节变化、光照强度和时间以及地域差异的影响。为了保证稳定连续的使用太阳能，我们需要优质、高效的储热装置来储存太阳能，并在太阳能不足或没有太阳能时释放太阳能。以此来确保连续供应能源。因此高效、廉价的储热装置就显得尤为重要。

近几年来的研究表明，利用地下土壤作为太阳能储热介质来储存热能的技术，不论在技术的可行性上还是经济的合理性上都是可以实现的。目前，已经有一些国家将该技术用于农业和建筑供暖，利用土壤储热的太阳能供暖系统的成本很低，目前常用的电加热供暖系统的年成本是利用土壤储热的太阳能供暖系统的三倍左右。因此，从长远来看，利用地下土壤储热的技术被认为是最具有应用前景的跨季节储热的方法之一^[2-4]。

但是由于地下土壤导热系数低，储热效率低，储热密度小，不适合跨季节长期储存太阳能，而地下混凝土储热技术是在地下土壤储热技术的研究基础上提出的一种新的地下储存热能的方法。这种方法是通过在建筑物的桩基中埋入换热管，通过换热管将热量传递给混凝土，在冬季再将热量释放，从而进行储热、取热的循环。该方法为人们提供了一种新的地下热量储存的方式，将会大大减轻能源紧张的压力^[5-7]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 储热方法

目前国际上常用的的储热系统按照热的形式可大致分为三类：显热储热、潜热储热、热化学储热。

1. 显热储热

显热储热主要是利用储热体的特性随温度变化而变化来进行储热的方法。这个过程相对简单可行，所以发展也最为成熟，显热储热材料可以分为液体显热储热材料和固体显热储热材料两种。液体显热储热材料主要有：熔融盐、合成油和水等，固体显热储热材料主要有：岩石、陶瓷和混凝土等。固体显热储热材料能够在更高的工作温度下使用，同时具有更低的建设成本。显热储热的优点是储热材料来源丰富且成本低廉。显热储热的缺点是储热密度低，储热系统笨重，且在放热过程中温度不稳定，应用受到一定限制^[8-9]。

1. 潜热储热

潜热储热是在温度发生变化时，材料相变期间发生的可逆反应来储存与释放能量的。常见的相变过程有固-液、固-气、液-气这三种。潜热储热的优点是储热密度高，在储热和放热过程中材料的温度几乎不变，特别是固-液相变储热，有很高储热效率。但是潜热储热系统对相变材料的要求很高，潜热储热材料容易出现过冷和两相分离等的现象，而且它的导热率小、成本高，因此国内外很少有学者研究潜热储热材料^[10-11]。

1. 热化学储热

热化学储热是在可逆化学反应或者化学吸、脱附反应过程中利用物资的吸、放热性质来完成热量的存储与释放。典型的热化学储热体系有CaO-H₂O、MgO-H₂O等，热化学储热的优点是储热能力高、可长期储热。然而，目前热化学储热技术仅仅处在试验阶段，在实际应用中还存在许多问题，还没有建成大规模的热电站。热化学储热的化学反应过程复杂，有较高的技术要求，难以实现；储热材料对设备腐蚀大，系统安全性要求高，运行和维修要求高、一次性投资较大等^[12-14]。

通过对三种储热方法的对比，显热储热方法是最具有发展前途的，同时也是目前利用最广泛，技术应用最成熟的储热方式。其中，混凝土储热材料与其他显热储热材料相比，不仅材料来源丰富，而且运用原理简单，建造成本低，比较适合地下储热。混凝土具有优异的热性能，并且便于使用和维护，是发展潜力最大的储热材料之一，受到越来越多的研究人员的重视。

1.2.2 国内外研究现状

关于储热混凝土系统的研究，国外要早于国内，技术也相对成熟于我国。1994 年，日本的Morino，率先提出了一个关于地下土壤换热的钢管桩模型，是现在混凝土蓄热桩的雏形^[15]。另外，德国是运用混凝土储热技术较早的国家，德国图宾根的Kreissparkasse Tuebingen银行，是利用混凝土储热桩建造的实际建筑物，其主楼是用150个深18~20米的混凝土桩做热交换器，进行供暖和制冷^[16]。

国外，各学者通过不同方法、不同设备进行了研究，具体研究情况汇总在表1-1中。

表1-1 国外研究情况

在我国关于混凝土储热技术的研究与运用还不成熟，相对于其他国家还比较落后。近几年，我国的研究人员对混凝土储热技术进行了一些研究。我国各学者的研究内容和结论汇总在表1-2中。

此外，何百灵进行实验研究，将普通硅酸盐水泥、矿渣粉进行复合，并作为储热混凝土材料中的胶凝材料使用，所得制品的耐热性能比单一使用铝酸盐水泥或者是普通硅酸盐水泥时有很大改善。而且，使用玄武岩，材料性能优于使用其他粗骨料。此外，在混凝土中添加铜矿砂、石墨粉、钢矿渣等掺合料后，材料热学性能提高显著，混凝土导热系数提升了145.4%^[21]。

吉林大学赵大军教授等，通过对储热模型的理论分析和计算机模拟，确定储热模型，建立储热桩，进行储热实验，证明了地下混凝土储热技术的可行性，得到了比较合理的储热结构模型^[23-25]。

但这些研究大多处还停留在理论上，在实际工程中应用的却是极少。

表1-2 国内研究情况

1.3 研究内容和技术路线

虽然混凝土作为储热材料具有许多优异性能，如：低成本、良好的机械性能、可承受多次载荷的热循环等。但是要在低温条件下储存或者释放热量，混凝土必须通过一些手段来改善其相关性能，如：导热系数、蓄热量等。对于储热材料来说，导热系数是一个非常关键的性能指标，材料吸收和释放能量的速度与其导热系数的数值正相关，如果储热材料具有较高的导热系数，它就能快速而有效吸、放热，提高工作效率。现有研究表明，通过一些措施确实可以改善混凝土的热学性能，如在混凝土内掺入粉煤灰、钢纤维以及石墨粉等，都能提高混凝土的导热性和耐温性。改善混凝土的相关性能，它将会是一种非常具有发展前途的储热材料。

1.3.1 研究内容

本文就储热混凝土材料的设计与制备展开研究，主要研究内容包括以下几个方面：

1、研究低温储热混凝土的最佳配比及其制备工艺；

2、研究影响储热混凝土性能的技术因素，如配合料掺量等；

3、探讨及表征材料微观结构；

4、对材料性能进行研究分析。

1.3.2 技术路线

本文通过对提高储热混凝土导热系数和比热容系数的材料进行研究，确定储热混凝土材料的最优配方，进行混凝土储热实验并测试其性能。通过测试仪器研究储热混凝土的力学性能和电学性能。记录实验过程和现象，对实验结果做出分析。技术路线如图1-1所示。

图1-1 技术路线图

第二章 储热混凝土的制备及原理

2.1 引言

本文的目的是研究储热混凝土材料，即用水泥基材料作为基体，通过掺入其他矿物掺合料或集料来改善其性能，并制备出性能优异和应用前景广阔的储热材料。要解决的第一个问题就是储热混凝土的工作原理，所需性能，制备出满足性能要求的储热材料。一般来说储热材料的必须具有以下特性。

1. 储热密度大，热容大，蓄热量大。

无论何种材料，只要储热密度大且储热量大，就能在有效的空间和体积内储存足够多的能量。

1. 稳定性好，不易挥发和分解。

只有性能稳定的储热材料，才能在使用过程中安全，高效的运行。

1. 无毒，无害，无腐蚀，不易燃易爆，且价格低廉。

作为一种储存能源的材料，首先要保证的就是安全问题，只有这样才能安全运行。

1. 导热系数大。

材料的导热系数高才能更快的吸热和放热，提高工作效率，保证能量可以及时的储存和释放。

2.2 混凝土储热模块的传热机理