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建築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發布 XXXX - XX - XX實施
中華人民共和國住房與城鄉建設部 發布
目 次
前言................................................................................. II
1 範圍............................................................................... 1
2 規範性引用文件..................................................................... 1
3 術語和定義......................................................................... 1
4 原理和方法......................................................................... 2
5 儀器............................................................................... 2
6 試驗過程........................................................................... 3
7 數據處理........................................................................... 5
8 報告............................................................................... 6
附錄A（規範性附錄）相變蓄熱水箱用相變材料熱可靠性測示例............................... 7
前 言
本标準按照GB/T 1.1——2009給出的規則起草。
本标準由住房和城鄉建設部标準定額所提出。
本标準由住房和城鄉建設部建築制品與構配件标準化技術委員會歸口。
本标準起草單位：西南交通大學、清華大學、中國建築科學研究院、重慶大學、四川省建材工業科學研究院、香港理工大學、南京大學、北京工業大學、上海海事大學、中譽遠發國際建設集團有限公司、沃特世中國有限公司。
本标準主要起草人：袁豔平、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、餘南陽、牛建磊、方貴銀、章學來、王雲貴、楊勝鷹。
建築用相變材料熱可靠性測試方法
1 範圍
本标準規定了利用加速冷熱循環試驗和差示掃描量熱法測定建築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試驗前後相變溫度和相變潛熱的變化量來判定。
本标準适用于建築用固液相變材料的熱可靠性測試。
2 規範性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅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（包括所有的修改單）适用于本文件。
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：熔融和結晶溫度及熱焓的測定
GB/T 22232-2008 化學物質的熱穩定性測定 差示掃描量熱法
3 術語和定義
下列術語和定義适用于本标準。
3.1
建築用相變材料 Phase change materials using in bulidings
應用于建築中的可以随溫度變化而改變物質相态，并能提供潛熱儲存和釋放的物質。
3.2
熱可靠性 Thermal reliability
相變材料在工作溫度和時間内維持其儲存和釋放熱量的能力。建築用相變材料的熱可靠性是根據相變材料在多次熔化、凝固後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變為另一種物相，此對應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，外推基線與對應于轉變開始的曲線最大斜率處所作切線的交點對應的溫度，單位為℃或K。
3.4
相變潛熱 Phase change latent heat
單位質量的相變材料，在一定溫度條件下，從一種物相完全轉變為另一種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
建築用相變材料在經過多次熔化、凝固過程後，相變潛熱值的變化百分比。
3.6
加速冷熱循環試驗 Accelerated thermal cycle experiment
将試驗樣放置于具有溫控系統的實驗裝置中，使試驗樣在裝置控制溫度範圍内快速升溫、降溫，以實現試驗樣的潛熱蓄熱和放熱循環過程。
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/或時間的關系的一種熱分析法。可以通過DSC測試出建築用相變材料的相變溫度和相變潛熱。
4 原理和方法
相變材料在經過多次熔化、凝固循環後，其相變溫度和相變潛熱會發生變化，從而影響其調控溫度和儲存與釋放熱量的能力。利用加速冷熱循環試驗，對建築用相變材料進行規定次數的快速熔化、凝固循環，并測試建築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，利用加速冷熱循環試驗前後相變材料的DSC測試結果對比來判定建築用相變材料的熱可靠性。
5 儀器
5.1 加速冷熱循環試驗裝置
由電源系統、溫控系統和實驗箱體組成的可以快速實現溫度改變的試驗裝置。加速冷熱循環試驗裝置的溫度控制應滿足：溫度範圍包含所測試建築用相變材料的使用溫度範圍，溫度精度：偏差在±1℃之内，達到設定溫度的時間≤20min，裝置溫度可以如圖1所示連續變化設定。加速冷熱循環試驗裝置容器不與所測試相變材料發生反應，包括耐高溫塑料管、玻璃管等。根據建築用相變材料種類和應用，控溫裝置宜采用高低溫實驗箱、金屬浴、擴增儀等。
5.2 差示掃描量熱儀
差示掃描量熱儀應符合下列規定：
a)溫度控制器：儀器可以根據程序設定，在設定溫度範圍内，升降溫速率在1℃/min-20℃/min可控。誤差為±0.1℃/min；
b)溫度範圍：儀器應具有冷卻裝置，且冷卻裝置的冷卻溫度應達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、氩氣）或活性條件（空氣）的氣體流量控制在10mL/min-50mL/min，惰性氣體純度達到99.999%以上；
d)試樣容器：坩埚不與測試樣品發生反應，包括鋁坩埚、氧化鋁坩埚。
5.3 電子天平
電子天平不少于2台。一台量程不少于100g，精度為0.01g。一台量程不少于1g，精度為0.0001g。
6 試驗過程
6.1 加速冷熱循環試驗
加速冷熱循環試驗參數包括下列各項：
——取樣量；
——高溫T1；
——低溫T2；
——高溫恒溫時間t1；
——低溫恒溫時間t2；
——試驗循環次數。
6.1.1 試驗取樣
根據加速熱循環裝置的規格，從待測相變材料中随機稱取3-5份試驗樣，每份試樣不少于1g，裝于合适的容器中，密封。
6.1.2 高、低溫及恒溫時間的确定
加速冷熱循環試驗設置的高溫設定應不低于建築用相變材料在使用過程中的最高使用溫度，低溫設定應不高于建築用相變材料在使用過程中的最低使用溫度。将根據6.1.1所取試驗樣放置于加速冷熱循環試驗裝置中，并根據6.1.2設定加速冷熱循環試驗裝置的高、低溫。試驗确定試驗樣在高溫下完全熔化和凝固所需最短時間，此時間分别為高溫、低溫恒溫時間t1、t2。
6.1.3 循環次數
加速冷熱循環試驗次數應不小于建築用相變材料在預期使用期間完成熔化、凝固的次數。
6.1.4 循環試驗
根據6.1.2和6.1.3所确定的高、低溫及其恒溫時間和加速冷熱循環試驗次數，按圖1所示示意圖對加速冷熱循環試驗裝置進行溫度設定。重新根據6.1.1取樣，并放置于加速冷熱循環試驗裝置中，開啟加速冷熱循環試驗裝置，使試驗樣開始加速冷熱循環試驗。待完成加速冷熱循環試驗後，取出試驗樣，待測。
6.2.1 取樣
從每份加速冷熱循環試驗後的試驗樣中取樣3次，每個樣品的重量在1～10mg範圍内，且每個樣品間的質量差＜1mg。
6.2.2 DSC測試
DSC測試的儀器校準、樣品稱量與放置、儀器操作與試驗步驟和測試結果表示按照GB/T 19466.1-2004/ISO 11357-1:1997和GB/T 19466.3-2004/ISO 11357-3:1999的規定。首先對加速冷熱循環試驗前的原料進行DSC測試，然後對加速冷熱循環試驗後的試驗樣進行DSC測試。
6.2.3 DSC結果
根據DSC測試結果，在DSC曲線上利用相應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在0.5℃之内，熔化和凝固潛熱的測試偏差應在3.5%内（見GB/T 22232-2008）
7 數據處理
建築用相變材料的熱可靠性是通過加速冷熱循環試驗後，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——建築用相變材料加速冷熱循環試驗前的平均熔化溫度，單位為攝氏度（℃）；
Tf——建築用相變材料加速冷熱循環試驗前的平均凝固溫度，單位為攝氏度（℃）；
Hm——建築用相變材料加速冷熱循環試驗前的平均熔化潛熱，單位為焦每克（J/g）；
Hf——建築用相變材料加速冷熱循環試驗前的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）；
Tc，m——建築用相變材料加速冷熱循環試驗後的平均熔化溫度，單位為攝氏度（℃）；
Tc，f——建築用相變材料加速冷熱循環試驗後的平均凝固溫度，單位為攝氏度（℃）；
Hc，m——建築用相變材料加速冷熱循環試驗後的平均熔化潛熱，單位為焦每克（J/g）；
Hc，f——建築用相變材料加速冷熱循環試驗後的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）。
8 報告
測試報告應包括下列内容：
a) 測試相變材料種類、基本性能參數；
b) 相變材料應用領域、可使用地區等；
c) 加速冷熱循環實驗裝置規格參數；
d) 加速冷熱循環試驗樣品用量、溫度設定情況和循環次數；
e) DSC儀器規格參數；
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前後的DSC測試曲線；
h) 相變材料加速冷熱循環後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℃，按照标準 GB50015-2003 建築給水排水設計規範對于用熱側常用衛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；
肉豆蔻酸（純度：99%，分子式：C14H28O2，分子量：228.37，形态：白色固體，相變溫度54℃，相變潛熱：180J/g）。
b) 相變材料應用領域、可使用地區；
用于相變蓄熱水箱以提供生活熱水，可适用于不同地區。
c) 加速冷熱循環實驗裝置規格參數；
快速加熱和冷卻的控制裝置：ThermQ 恒溫金屬浴，溫度設定範圍：0℃-100℃，控溫精度≤±0.2℃，升、降溫時間≤8min，時間設定範圍0-99h59min，容量：35*2ml。
d) 加速冷熱循環試驗樣品用量、溫度程序設定和循環次數；
從待測樣品出随機取出5g肉豆蔻酸，分别等量放置于5個2ml的塑料管中，密封，分别編号1#，2#，3#，4#，5#。恒溫金屬浴溫度程序設定為70℃恒溫5min，然後降至10℃并恒溫5min。加速冷熱循環試驗次數為5500次。
（肉豆蔻酸用于相變蓄熱水箱的使用溫度範圍為15-70℃，根據加速冷熱循環預實驗确定高、低溫恒溫時間為5min，相變蓄熱水箱中相變材料按照日調節計算使用年限内的相變次數為15*365=5475次。）
e) DSC儀器規格參數；
美國TA公司Q20，氮氣保護，測溫範圍-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；
對加速冷熱循環試驗前的原料取樣3次，每次稱取5-10mg，且3次質量偏差＜1mg。放置于鋁盤中，壓蓋待測。
對5份加速冷熱循環實驗後的樣品取樣，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後的相變溫度變化和相變潛熱變化率；
表A.1 加速冷熱循環試驗前後肉豆蔻酸的熱物性能
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循環次數
|
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 加速冷熱循環試驗後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) 測試日期。
加速冷熱循環試驗：2017年1月-3月
DSC測試試驗：2017年1月-3月
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