崔艷琦，龔方方，張燕妮，譚光營

（仲愷農業(yè)工程學院 城市建設學院，廣東 廣州 510225）

相變材料（PCM）在建筑節(jié)能中的應用研究進展

崔艷琦，龔方方，張燕妮，譚光營

（仲愷農業(yè)工程學院 城市建設學院，廣東 廣州 510225）

相變材料（PCM）應用于建筑節(jié)能，既可解決峰期電力緊張、采暖和制冷費用過高的問題，而且對降低建筑能耗、減少室內溫度的波動性，提高室溫的舒適程度都有積極作用?？偨Y了國內外相變材料在建筑節(jié)能中的研究和應用歷史，介紹了相變材料空調系統(tǒng)的主要應用實例，并提出相變材料在建筑應用中存在的主要問題和基本對策。

相變材料；建筑節(jié)能；相變空調系統(tǒng)

0 前言

隨著我國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，節(jié)能已成為影響城市現(xiàn)代化建設和居民生活的關鍵，有效節(jié)能不僅可以降低石化能源的消耗，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，而且可以減少二氧化碳的排放和空氣污染，提高居民的健康水平。建筑能耗約占我國總能耗的30%以上，室內取暖和制冷占建筑能耗的40%[1]，因此，利用相變儲能技術以降低建筑內的能耗，已成為近年來建筑節(jié)能研究的熱點之一。相變儲能技術是利用相變材料在相變過程中能夠吸收或放出大量熱量并保持溫度恒定的原理，把相變材料制備成空調系統(tǒng)，安裝在室內，白天溫度高于人的舒適溫度時，相變材料發(fā)生熔化，自動吸收熱量，從而控制室內的溫度，夜間氣溫低時，相變材料發(fā)生固化并釋放出熱量，從而保持室內溫度不變。國內外學者對相變材料應用于建筑節(jié)能的研究已有很長的時間，其研究較多的是應用于圍護結構，尤其是相變墻體，在室內作為節(jié)能控溫材料的研究還剛剛起步[2]。

1 相變材料儲能技術研究的歷史

相變材料儲能技術最早主要應用在航空儲能，直到20世紀60年代該技術才開始應用于建筑中。1957年，加拿大霍金斯等科學家將12 t相變材料與111 m2的室內地板進行一體化儲能，但由于相變材料發(fā)生降解作用，其效果不夠明顯[3]。張蒙等[4]把相變材料與建筑材料混合一起用于民用建筑的控溫，對200多種相變材料進行考察和研究，提出了6種測試方法，為相變材料應用于民用建筑提供了一定的基礎。1992年，研究人員發(fā)現(xiàn)相變材料在相變過程會發(fā)生過冷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會嚴重影響其傳熱性能，為了克服過冷現(xiàn)象的發(fā)生，科學家研究出了各種助劑。1997年，研究人員開始研究相變材料應用于建筑的圍護結構，采用相變材料制備成磚，進而再制成相變墻體，這種墻體建成的建筑可降低能耗17%。2002年，Dincer和Rosen[5]出版了相變材料儲能技術專著，對相變材料儲能技術及其在建筑的應用作了系統(tǒng)的研究，為后來各國學者開展相變材料在建筑領域的應用研究提供較系統(tǒng)的理論基礎。2004年，F(xiàn)arid等[6]為了解決相變材料在建筑應用過程中的封裝等技術問題，把微膠囊技術應用于相變材料中。2008年～2009年，Harald等[7]和張仁元[8]分別出版了相變材料及其應用技術的專著，系統(tǒng)的介紹了相變材料相變過程的理論以及在各領域的應用技術，為相變材料的理論研究和應用提供可靠的技術支持。經(jīng)過了幾十年科學家對相變材料的研究和實踐探索，人們對相變材料在節(jié)能降耗，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展的重要意義有了深刻的認識，因此，世界各國政府和科研機構都投入大量的資金進行攻關研究，并且取得了明顯的成果。尤其近年來，世界石油能源危機，石化能源排放的二氧化碳造成全球氣候變暖，對人類的生存和發(fā)展造成了嚴重的威脅，學者們把對相變材料的應用領域從室外轉向室內的空調控溫，從原來單純的儲能取暖，轉變到制冷降溫，并且可根據(jù)房間的大小，制備各式各樣的空調機。英國諾丁漢大學薩爾法教授利用英國EPS公司生產(chǎn)的S25、S27型相變材料制備成工業(yè)和民用的箱體冷卻機，供工業(yè)廠房和民用建筑制冷[9]。美國的道格拉斯以十水硫酸鈉為原料，制備制冷空調，其相變溫度為8～9℃[10-11]。日本的三菱油化公司在相變材料中添加成核劑和其它成分，生產(chǎn)出性能良好的相變材料，并可用于空調機的制備[12]。謝全安等[13]采用十水硫酸鈉和水合氫氧化鈉為原料，以硼砂、硅藻土為成核劑和懸浮劑，研究出性能良好的可以作為制備空調機的相變材料。此外，研究員還研究出相變材料加熱器，供出廚房、取暖、醫(yī)療、服裝和農業(yè)等方面使用，既降低能耗，節(jié)約能源，又干凈衛(wèi)生，無廢氣污染。由此可見，這些領域已成為相變材料今后發(fā)展的主要方向之一。

2 相變材料在建筑節(jié)能中的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的采暖和制冷主要有制冷劑冷卻系統(tǒng)和水-氣冷卻系統(tǒng)，這些系統(tǒng)普遍存在能耗高、噪聲大、空氣對流性差等缺點。利用相變材料的相變吸熱和放熱性能進行采暖和降溫，不僅比傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)節(jié)約能源、噪聲小、無空氣擾動，而且室內空氣溫度恒定，符合人體的舒適程度，有利于居住者的身體健康，減少或不用供暖和空調設施。

2.1 分體箱式相變材料取暖降溫系統(tǒng)

分體箱式空調系統(tǒng)主要通過相變材料相變過程吸熱和放熱的性能調節(jié)室內空氣的溫度，其系統(tǒng)主要包括機殼、相變材料封裝盒、空氣輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，見圖1[9]。

圖1 箱式相變材料空調機

該類型空調系統(tǒng)中的相變材料有2種安裝方式：一種是直接法，即相變材料直接與室內空氣接觸進行熱交換，此方法傳熱效果較好，但需要相變材料輸送和儲存系統(tǒng)，其投資和運作成本比較高；另一種是間接法，即相變材料與空氣分開，相變材料通過金屬或塑料盒包裝后放入空調機殼里，這種方法傳熱效果比直接法差，但其結構簡單，安裝方便，占空間較小。

2.2 相變材料毛細管網(wǎng)調溫系統(tǒng)

張世忠等[14]發(fā)明了一種毛細管網(wǎng)調溫裝置，其原理如圖2所示。

圖2 相變材料毛細管網(wǎng)調溫裝置示意

該相變調溫系統(tǒng)可安裝在房間的墻壁、天花板、地板或者獨立放置，內部毛細管的外徑為5～15mm，間距為30～100 mm，根據(jù)用途的不同，可采用不同種類的相變材料。當系統(tǒng)用于夏季室內制冷時，可選用相變溫度為25～29℃的相變材料，當同時用于夏季制冷與冬季采暖時，可用相變溫度為16～35℃的相變材料。該系統(tǒng)主要利用相變材料相變吸熱和放熱的性能，自動調節(jié)室內的氣溫，在不需要電能的條件下，控制室內空氣的溫度，既節(jié)能環(huán)保，又方便安全，可應用于住宅、學校、醫(yī)院等各種建筑。

2.3 自由冷卻相變材料控溫系統(tǒng)

自由冷卻相變材料控溫系統(tǒng)是把相變材料系統(tǒng)安裝在天花板上，類似傳統(tǒng)的空調，其結構如圖3所示[15]。

圖3 自由冷卻相變材料控溫系統(tǒng)結構示意

當夜間氣溫較低時，相變材料發(fā)生固化，吸收空氣的冷量，當白天房間內氣溫較高時，通過控制系統(tǒng)可以把夜間吸收的冷量輸送到房間達到降溫的效果。該系統(tǒng)中相變材料的相變溫度的選擇是關鍵，通常會選擇符合人體舒適度的20～26℃[16]。

2.4 相變材料天花板控溫系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的建筑中，天花板常用于裝飾房間，也是供暖和制冷的重要組成部分。Frank[17]研究相變材料控溫系統(tǒng)，把相變材料安裝在天花板里，利用相變材料的特殊性能，調節(jié)室內的溫度。Kodo和Ibamobo[18]利用微膠囊相變材料，其相變溫度為25℃，安裝在辦公室天花板里，工作原理如圖4所示。

圖4 天花板相變材料控溫系統(tǒng)工作原理

夜間，風機把冷空氣輸送到天花板空間的相變材料處，讓其冷卻固化，吸收冷量并儲存起來，待室內需要制冷時，所儲存的冷量便釋放出來，調節(jié)室內的氣溫。

2.5 相變材料地板控溫系統(tǒng)

該系統(tǒng)的相變材料主要由水合鹽、脂肪酸、石蠟等構成，其相變溫度為30℃[19]，相變材料蓄能層直接安裝在樓板以下，其工作原理如圖5所示[20]。

圖5 相變材料地板控溫系統(tǒng)工作原理

夜間氣溫較低時，樓板下的相變材料吸收環(huán)境的冷量并儲存起來，當白天房間氣溫較高時，這冷量釋放出來直接用于調節(jié)房間氣溫。

3 相變材料用于建筑存在的問題與發(fā)展對策

3.1 相變材料控溫系統(tǒng)存在的問題

相變材料應用于建筑雖然已有數(shù)十年的歷史，但是應用于控溫系統(tǒng)仍屬于初始階段。相變材料室內應用的研究進展較為緩慢，應用缺乏普遍性，存在的問題是多方面的，但歸納起來當前主要有以下幾點：

（1）由于相變材料應用室內的研究與開發(fā)仍然處于起步階段，總體配套政策和設施還不夠完整，人們對于相變材料空調的認識不夠深入，使用動力空調也已形成習慣，加上其投資和操作成本往往較高，因此缺乏市場競爭力。

（2）相變材料的封裝技術研究還不夠完善，其傳熱效率不高，現(xiàn)在采用的封裝材料一般是塑料或者金屬材料，金屬材料雖然具有好的傳熱效果，但是其抗腐蝕能力差，壽命短，容易造成相變材料的泄漏，存在安全隱患。

（3）相變材料的制備技術還不能完全適應建筑的要求，現(xiàn)在的相變材料普遍存在熱導率低、相變熱不高等問題，有的相變材料在相變過程還存在過冷現(xiàn)象，嚴重影響材料的傳熱性能和使用性能，有機相變材料雖然具有一定的抗腐蝕能力，但其潛熱低，儲存能量較少，很難達到空調的要求。

（4）對相變材料應用裝置的設計研究還要進一步完善，目前，對相變材料裝置的設計還未有比較科學和合理的數(shù)學模型和求解方法，對各種部件的設計和選擇仍然缺乏規(guī)范和經(jīng)驗。

3.2 相變材料空調發(fā)展對策

無論動力控溫或者相變控溫，其工作的目的都是為人們的工作和生活提供舒適的溫度，并且盡量節(jié)約能源和減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)人和自然高度協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。同時用盡量少的投入和成本，取得最大的經(jīng)濟和社會效益。根據(jù)相變材料在建筑中的研究和應用中存在的主要問題，相變材料空調的發(fā)展宜采用如下對策：

（1）各級政府應制定鼓勵相變材料應用于建筑的政策和措施，加大對相變材料應用于建筑的研究和推廣應用的投入，對相變材料節(jié)能裝置的研究和開發(fā)給予資金的支持，并且加大對相變材料節(jié)能的宣傳力度。

（2）強化對相變過程的熱性能研究，在建筑應用中，相變材料的固化和熔化特性對熱效果起關鍵性作用。相變傳熱是非線性的，一直是國內外學者研究的熱點問題，他們的研究主要是在凝固過程的動態(tài)模擬和強化傳熱方面，而對于冷卻過程的傳熱，由于其過冷現(xiàn)象的存在，傳熱過程比較復雜，這些問題至今仍然未有較好的求解方法，因此，需要對其進行進一步深入的研究。

（3）提高相變材料的導熱性能，相變材料的導熱性能普遍較低，因此，提高相變材料的導熱性能對于相變材料在建筑中的應用十分重要。目前，大多數(shù)研究者使用金屬填充物、金屬網(wǎng)格、碳纖維等增強相變材料的導熱性能，但是，這還遠遠達不到制備空調的要求，須結合納米材料等新技術，進一步提高其導熱性能。

（4）研究和開發(fā)適宜制備相變材料的封裝材料和各種零部件，封裝材料的熱性能和機械性能，直接關系到應用的性能和效果，目前使用的金屬、塑料等封裝材料均存在一定的缺點，因此，需要結合材料新技術進一步研究出適合建筑應用的封裝材料和規(guī)范的零部件。

[1] 趙之貴，孫志高，焦麗君，等.新型相變材料儲能試板的制備與性能試驗研究[J].新型建筑材料，2015（8）：27-30.

[2] 劉曉龍，柯國炬，田波.相變材料在大體積混凝土中應用的研究現(xiàn)狀[J].新型建筑材料，2015（5）：81-84.

[3] Lane G A.Solar heat storage：latent heat materials[M].Background and scientific principles.Boca Raton，F(xiàn)L：CRC Press，1983.

[4] Meng Zhang，Mario A Medina，Jennifer B King.Development of a thermally enhanced frame wall with phase-change materials for on-peak air conditioning demand reduction and energy savings in residential buildings[J].International Journal of Energy Research，2005，29（9）：795-809.

[5] Dincer I，Rosen MA.Thermal energy storage：Systems and applications[M].John Wiley&sons，2002.

[6] Farid M，Khudhair AM，Razack SAK，et al.A review on phase change energy storage：materials and applications[J].Energy conversion and management，2004（45）：1597-1615.

[7] Harald Mehling&Luisa F Cabeza.Heat and cold storage with PCM[M].Springer，2008：21-25.

[8] 張仁元，相變材料與相變儲能技術[M].北京：科學出版社，2009.

[9] Yanqi Cui.Investigation of phase change material passive cooling system for buildings[D].Thesis of degree of doctor，2014.

[10] Vander Ham F，Seckler M M，Witkamp G J.Eutectic freeze crystallization in a new apparatus the cooled disk column crystallizer[J].Chemical engineeringand processing，2004，43（2）：161-167.

[11] Ames D A.Eutectic salt compositions for coolness storage：US Patent，4689164[P].1990.

[12] 特開平.三菱油化（株），蓄熱材組成物：日本公開特許公報，6-80957[P].1994.

[13] 謝全安，鄭丹星，武向紅.Na2SO4·10H2O共晶鹽的熱化學研究[J].太陽能學報，2002，23（1）：70-73.

[14] 張世忠，張奕.一種毛細管網(wǎng)相變調溫裝置：中國，201666635u [P].2010.

[15] Adeel Waqas，Ziaudin.Phase change material（PCM）storage for free cooling of buildings-A review[J].Renewable and sustainable energy reviews，2013，18（2）：607-625.

[16] Arkar C，Vidrih B，Medved S.Efficiency of free cooling using latent heat storage integrated into the ventilation system of a low energy building[J].International journal of refrigeration，2007，30：134-143.

[17] Frank B.Phase change material for space heating and cooling [J].Sustainable energy center，University ofSouth Australia，2002.

[18] Kodo T，Ibamobo T.Research on using the PCM for ceiling board[M].IEA ECESIA，Annex 17，3rd workshop，Tokyo，Japan. 2002.

[19] Abhat A.Low temperature latent thermal energy storage[J]. Heat Storage Materials，1983，30（4）：313-332.

[20] Nagano K，Takeda S，Mochida T，et al.Study of a floor supply air conditioning system using granular phase change material to augment building mass thermal storage-Heat response in small scale experiments[J].Energy and buildings，2006，38：436-446.

Development of study on the applications of phase change material（PCM）for energy saving in buildings

CUI Yanqi，GONG Fangfang，ZHANG Yanni，TAN Guangying
（Urban Construction Department，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China）

Integrated phase change material（PCM）into buildings can solve the power shortage of peak period and high cost of heating and cooling，meanwhile，it helps to reduce the building energy consumption and the volatility of the indoor temperature，improving the comfort level of the room temperature.This paper summarizes the applications and research of PCM in building energy saving in domestic and international level，and introduces the main application examples of PCM cooling and heating system，also points out the main issues existing in the application and corresponding countermeasures.

PCM，energy saving in buildings，PCM cooling and heating system

TU832.1+8

A

1001-702X（2016）08-0026-04

2016-03-05

崔艷琦，女，1979年生，廣東廣州人，副教授，博士。