相变材料（PCM）在建筑节能中的应用研究进展

崔艳琦，龚方方，张燕妮，谭光营

（仲恺农业工程学院 城市建设学院，广东 广州 510225）

相变材料（PCM）在建筑节能中的应用研究进展

崔艳琦，龚方方，张燕妮，谭光营

（仲恺农业工程学院 城市建设学院，广东 广州 510225）

相变材料（PCM）应用于建筑节能，既可解决峰期电力紧张、采暖和制冷费用过高的问题，而且对降低建筑能耗、减少室内温度的波动性，提高室温的舒适程度都有积极作用。总结了国内外相变材料在建筑节能中的研究和应用历史，介绍了相变材料空调系统的主要应用实例，并提出相变材料在建筑应用中存在的主要问题和基本对策。

相变材料；建筑节能；相变空调系统

0 前言

随着我国社会和经济的快速发展，节能已成为影响城市现代化建设和居民生活的关键，有效节能不仅可以降低石化能源的消耗，实现能源的可持续发展，而且可以减少二氧化碳的排放和空气污染，提高居民的健康水平。建筑能耗约占我国总能耗的30%以上，室内取暖和制冷占建筑能耗的40%[1]，因此，利用相变储能技术以降低建筑内的能耗，已成为近年来建筑节能研究的热点之一。相变储能技术是利用相变材料在相变过程中能够吸收或放出大量热量并保持温度恒定的原理，把相变材料制备成空调系统，安装在室内，白天温度高于人的舒适温度时，相变材料发生熔化，自动吸收热量，从而控制室内的温度，夜间气温低时，相变材料发生固化并释放出热量，从而保持室内温度不变。国内外学者对相变材料应用于建筑节能的研究已有很长的时间，其研究较多的是应用于围护结构，尤其是相变墙体，在室内作为节能控温材料的研究还刚刚起步[2]。

1 相变材料储能技术研究的历史

相变材料储能技术最早主要应用在航空储能，直到20世纪60年代该技术才开始应用于建筑中。1957年，加拿大霍金斯等科学家将12 t相变材料与111 m2的室内地板进行一体化储能，但由于相变材料发生降解作用，其效果不够明显[3]。张蒙等[4]把相变材料与建筑材料混合一起用于民用建筑的控温，对200多种相变材料进行考察和研究，提出了6种测试方法，为相变材料应用于民用建筑提供了一定的基础。1992年，研究人员发现相变材料在相变过程会发生过冷现象，这种现象会严重影响其传热性能，为了克服过冷现象的发生，科学家研究出了各种助剂。1997年，研究人员开始研究相变材料应用于建筑的围护结构，采用相变材料制备成砖，进而再制成相变墙体，这种墙体建成的建筑可降低能耗17%。2002年，Dincer和Rosen[5]出版了相变材料储能技术专著，对相变材料储能技术及其在建筑的应用作了系统的研究，为后来各国学者开展相变材料在建筑领域的应用研究提供较系统的理论基础。2004年，Farid等[6]为了解决相变材料在建筑应用过程中的封装等技术问题，把微胶囊技术应用于相变材料中。2008年～2009年，Harald等[7]和张仁元[8]分别出版了相变材料及其应用技术的专著，系统的介绍了相变材料相变过程的理论以及在各领域的应用技术，为相变材料的理论研究和应用提供可靠的技术支持。经过了几十年科学家对相变材料的研究和实践探索，人们对相变材料在节能降耗，实现人类社会的可持续发展的重要意义有了深刻的认识，因此，世界各国政府和科研机构都投入大量的资金进行攻关研究，并且取得了明显的成果。尤其近年来，世界石油能源危机，石化能源排放的二氧化碳造成全球气候变暖，对人类的生存和发展造成了严重的威胁，学者们把对相变材料的应用领域从室外转向室内的空调控温，从原来单纯的储能取暖，转变到制冷降温，并且可根据房间的大小，制备各式各样的空调机。英国诺丁汉大学萨尔法教授利用英国EPS公司生产的S25、S27型相变材料制备成工业和民用的箱体冷却机，供工业厂房和民用建筑制冷[9]。美国的道格拉斯以十水硫酸钠为原料，制备制冷空调，其相变温度为8～9℃[10-11]。日本的三菱油化公司在相变材料中添加成核剂和其它成分，生产出性能良好的相变材料，并可用于空调机的制备[12]。谢全安等[13]采用十水硫酸钠和水合氢氧化钠为原料，以硼砂、硅藻土为成核剂和悬浮剂，研究出性能良好的可以作为制备空调机的相变材料。此外，研究员还研究出相变材料加热器，供出厨房、取暖、医疗、服装和农业等方面使用，既降低能耗，节约能源，又干净卫生，无废气污染。由此可见，这些领域已成为相变材料今后发展的主要方向之一。

2 相变材料在建筑节能中的研究现状

传统的采暖和制冷主要有制冷剂冷却系统和水-气冷却系统，这些系统普遍存在能耗高、噪声大、空气对流性差等缺点。利用相变材料的相变吸热和放热性能进行采暖和降温，不仅比传统的空调系统节约能源、噪声小、无空气扰动，而且室内空气温度恒定，符合人体的舒适程度，有利于居住者的身体健康，减少或不用供暖和空调设施。

2.1 分体箱式相变材料取暖降温系统

分体箱式空调系统主要通过相变材料相变过程吸热和放热的性能调节室内空气的温度，其系统主要包括机壳、相变材料封装盒、空气输送系统和控制系统，见图1[9]。

图1 箱式相变材料空调机

该类型空调系统中的相变材料有2种安装方式：一种是直接法，即相变材料直接与室内空气接触进行热交换，此方法传热效果较好，但需要相变材料输送和储存系统，其投资和运作成本比较高；另一种是间接法，即相变材料与空气分开，相变材料通过金属或塑料盒包装后放入空调机壳里，这种方法传热效果比直接法差，但其结构简单，安装方便，占空间较小。

2.2 相变材料毛细管网调温系统

张世忠等[14]发明了一种毛细管网调温装置，其原理如图2所示。

图2 相变材料毛细管网调温装置示意

该相变调温系统可安装在房间的墙壁、天花板、地板或者独立放置，内部毛细管的外径为5～15mm，间距为30～100 mm，根据用途的不同，可采用不同种类的相变材料。当系统用于夏季室内制冷时，可选用相变温度为25～29℃的相变材料，当同时用于夏季制冷与冬季采暖时，可用相变温度为16～35℃的相变材料。该系统主要利用相变材料相变吸热和放热的性能，自动调节室内的气温，在不需要电能的条件下，控制室内空气的温度，既节能环保，又方便安全，可应用于住宅、学校、医院等各种建筑。

2.3 自由冷却相变材料控温系统

自由冷却相变材料控温系统是把相变材料系统安装在天花板上，类似传统的空调，其结构如图3所示[15]。

图3 自由冷却相变材料控温系统结构示意

当夜间气温较低时，相变材料发生固化，吸收空气的冷量，当白天房间内气温较高时，通过控制系统可以把夜间吸收的冷量输送到房间达到降温的效果。该系统中相变材料的相变温度的选择是关键，通常会选择符合人体舒适度的20～26℃[16]。

2.4 相变材料天花板控温系统

在传统的建筑中，天花板常用于装饰房间，也是供暖和制冷的重要组成部分。Frank[17]研究相变材料控温系统，把相变材料安装在天花板里，利用相变材料的特殊性能，调节室内的温度。Kodo和Ibamobo[18]利用微胶囊相变材料，其相变温度为25℃，安装在办公室天花板里，工作原理如图4所示。

图4 天花板相变材料控温系统工作原理

夜间，风机把冷空气输送到天花板空间的相变材料处，让其冷却固化，吸收冷量并储存起来，待室内需要制冷时，所储存的冷量便释放出来，调节室内的气温。

2.5 相变材料地板控温系统

该系统的相变材料主要由水合盐、脂肪酸、石蜡等构成，其相变温度为30℃[19]，相变材料蓄能层直接安装在楼板以下，其工作原理如图5所示[20]。

图5 相变材料地板控温系统工作原理

夜间气温较低时，楼板下的相变材料吸收环境的冷量并储存起来，当白天房间气温较高时，这冷量释放出来直接用于调节房间气温。

3 相变材料用于建筑存在的问题与发展对策

3.1 相变材料控温系统存在的问题

相变材料应用于建筑虽然已有数十年的历史，但是应用于控温系统仍属于初始阶段。相变材料室内应用的研究进展较为缓慢，应用缺乏普遍性，存在的问题是多方面的，但归纳起来当前主要有以下几点：

（1）由于相变材料应用室内的研究与开发仍然处于起步阶段，总体配套政策和设施还不够完整，人们对于相变材料空调的认识不够深入，使用动力空调也已形成习惯，加上其投资和操作成本往往较高，因此缺乏市场竞争力。

（2）相变材料的封装技术研究还不够完善，其传热效率不高，现在采用的封装材料一般是塑料或者金属材料，金属材料虽然具有好的传热效果，但是其抗腐蚀能力差，寿命短，容易造成相变材料的泄漏，存在安全隐患。

（3）相变材料的制备技术还不能完全适应建筑的要求，现在的相变材料普遍存在热导率低、相变热不高等问题，有的相变材料在相变过程还存在过冷现象，严重影响材料的传热性能和使用性能，有机相变材料虽然具有一定的抗腐蚀能力，但其潜热低，储存能量较少，很难达到空调的要求。

（4）对相变材料应用装置的设计研究还要进一步完善，目前，对相变材料装置的设计还未有比较科学和合理的数学模型和求解方法，对各种部件的设计和选择仍然缺乏规范和经验。

3.2 相变材料空调发展对策

无论动力控温或者相变控温，其工作的目的都是为人们的工作和生活提供舒适的温度，并且尽量节约能源和减少对环境的污染，实现人和自然高度协调和可持续发展。同时用尽量少的投入和成本，取得最大的经济和社会效益。根据相变材料在建筑中的研究和应用中存在的主要问题，相变材料空调的发展宜采用如下对策：

（1）各级政府应制定鼓励相变材料应用于建筑的政策和措施，加大对相变材料应用于建筑的研究和推广应用的投入，对相变材料节能装置的研究和开发给予资金的支持，并且加大对相变材料节能的宣传力度。

（2）强化对相变过程的热性能研究，在建筑应用中，相变材料的固化和熔化特性对热效果起关键性作用。相变传热是非线性的，一直是国内外学者研究的热点问题，他们的研究主要是在凝固过程的动态模拟和强化传热方面，而对于冷却过程的传热，由于其过冷现象的存在，传热过程比较复杂，这些问题至今仍然未有较好的求解方法，因此，需要对其进行进一步深入的研究。

（3）提高相变材料的导热性能，相变材料的导热性能普遍较低，因此，提高相变材料的导热性能对于相变材料在建筑中的应用十分重要。目前，大多数研究者使用金属填充物、金属网格、碳纤维等增强相变材料的导热性能，但是，这还远远达不到制备空调的要求，须结合纳米材料等新技术，进一步提高其导热性能。

（4）研究和开发适宜制备相变材料的封装材料和各种零部件，封装材料的热性能和机械性能，直接关系到应用的性能和效果，目前使用的金属、塑料等封装材料均存在一定的缺点，因此，需要结合材料新技术进一步研究出适合建筑应用的封装材料和规范的零部件。

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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

崔艳琦，女，1979年生，广东广州人，副教授，博士。