相變材料(PCM)在工業建筑節能中的應用

崔艷琦

(仲愷農業工程學院城建學院，廣東廣州 510000)

Cui Yanqi(College of City Construction，Zhongkai College of Agriculture Engineering，Guangzhou 510000，China)

相變材料(PCM)在工業建筑節能中的應用

崔艷琦

(仲愷農業工程學院城建學院，廣東廣州 510000)

介紹了相變材料的主要性能，結合工業建筑的特點和基本要求，闡述了相變材料在工業建筑圍護結構與采暖空調中的應用，并針對相變材料在實際應用中存在的問題，提出了相變材料的研究方向。

相變材料，工業建筑，圍護結構，采暖空調，節能

隨著我國經濟和現代化建設的高速發展，人們生活和生產對能源的需求日益增加，能源的供需矛盾愈加激烈，已經成為影響我國國民經濟發展和人民生活的主要瓶頸，據科學家預測，世界探明的煤炭可以開發135年，石油42年，天然氣60年［1］。在這些不可再生能源的使用中，工業耗能占70%，我國工業產品的耗能比發達國家要高30%～90%，第一產業產品單耗為0.9 t標煤，第二產業為6.58 t標煤，第三產業為0.91 t標煤，同時，每消耗1 kW時的能量，還會排放0.608 3 kg的二氧化碳，嚴重污染環境［2］。近年來，北京、天津等地連續多次發布環境污染的紅色警報，許多工廠不得不臨時停工停產，由此可見，加快工業化建設的進程，雖然促進了社會進步，提高了人們生活的幸福感，但工業的快速發展，消耗了大量的不可再生資源，破壞了人們賴以生存的生態環境，對人類的生存和發展造成嚴重的威脅［3］。因此，近年來，國家采取了許多獎勵政策措施，許多科研工作者也紛紛對此展開攻關研究并取得了很多成果，對我國的節能減排起到積極的作用。在這樣的背景下，各種各樣的相變材料及相變儲能器應運而生，較多的應用是在建筑物的取暖和降溫。由于工業建筑長期處于高溫，即24 h處于工作狀態，這將對相變儲能技術的應用造成困難。本文根據工業建筑的特性，探索相變儲能技術在其的應用。

1 相變材料及其主要性能

1.1 相變材料及儲能技術

相變材料(Phase Change Materials，簡稱相變材料)是在一定的溫度和壓力條件下，能夠發生相變，這種相變包括固—液、液—氣、固—氣和固—固等之間的轉變，在這些相變的過程中，伴隨著熱量的吸收或釋出，由于相變材料的這一特殊性能，人們又稱其為相變儲能材料，即相變材料可以把環境的熱量吸收并儲存起來，再根據需要，在不同的時間釋放出來，用于調節和控制環境的溫度，從而達到節能的效果。相變材料可以根據其化學結構分為有機相變材料和無機相變材料，無機相變材料主要包括無機鹽、無機水合鹽、金屬和合金等，與有機相變材料相比，無機相變材料具有導熱系數大、潛熱大、密度大和價格便宜等優點。有機相變材料主要有脂肪酸、石蠟等，與無機相變材料相比，有機相變材料容易成型、腐蝕性小、化學穩定性較好和不發生過冷現象。按相變的溫度又可以把相變材料分為低溫、中溫和高溫相變材料。通常可以把相變溫度在100℃以下的稱為低溫相變材料，100℃ ～250℃的稱為中溫相變材料，250℃以上的稱為高溫相變材料。人們可以根據相變材料的應用條件，選擇適宜相變溫度的相變材料。

隨著科學技術的進步和人民生活的不斷提高，對能源的使用要求也越來越高，如由于城市的用電無法穩定，白天用電高峰時，負荷過大，造成用電緊張，而夜晚用電低谷時，電力過剩，造成電力的浪費。因此，能量的儲存便成為科學家們研究的熱點課題。能量的儲存就是把某一時間和某一地點多余的能量收集并儲存起來，然后輸送到最需要的時間和地點使用。能量的儲存包括顯熱儲能、潛熱儲能和化學儲能。其中潛熱儲能是目前研究最多，應用最廣的一種儲能技術。

1.2 相變材料的主要性能

相變材料的性能是直接影響到其在工業建筑中應用的節能效果，雖然相變材料的性能很多，但是影響其在工業建筑節能應用的主要性能有如下幾方面。

1.2.1 熱性能

相變材料之所以用于能量的儲存，就是因為相變材料具有其獨特的熱性能，當環境的溫度高于其相變溫度時，相變材料發生熔化，同時吸收環境的熱量并且以潛熱的形式儲存起來，當環境的溫度低于其相變溫度時，相變材料發生固化，同時釋放出所吸收的熱量，這個過程周而復始地循環進行，而材料的物理和化學性能保持不變。此外，相變材料還具有較好的導熱性能、傳熱性能以及較高的熱容和適宜的相變溫度。

1.2.2 物理性能

影響相變材料使用的主要物理性能包括密度、蒸汽壓、機械強度和成核率。高密度的相變材料具有單位體積吸放高熱量的能力，可以提高相變材料儲存能量的效果;相變材料相變時蒸汽壓越小，對于容器的設計和操作越方便，封裝過程出現的問題就越少;機械強度也是直接影響相變材料封裝和操作的重要因素，如果其機械性能太差，就會影響相變材料的使用效果和壽命;相變材料的成核率太低，相變過程容易產生過冷現象，影響熱傳導的效果。

1.2.3 化學性能

在相變材料使用過程中，主要考慮的化學性能有:化學穩定性，即相變材料在使用過程中不發生分解或不與其他成分發生化學反應;不易燃、不易爆、無毒、無腐蝕性。

2 相變材料在工業建筑的應用

2.1 工業建筑節能的含義與特點

建筑節能是指在建筑的設計、建設和使用的過程中，通過合理的建筑布局、材料選用、采用可再生能源等措施，提高其圍護結構的保溫性能，增強采暖空調的效能，降低建筑的能耗，達到節能減排的目的。作為以生產設備和生產工人為主要服務對象的工業建筑，由于其行業的多樣化，工藝流程的復雜化，決定了工業建筑節能的艱巨性。迄今為止，我國工業建筑的節能還沒有統一標準和要求，多數是通過工藝技術革新達到節能減排的目的，并未對各種工藝的建筑節能提出具體的節能設計標準，這與發達國家相比相對滯后。據有關數據表明，我國工業建筑的能耗占建筑總能耗的53%～55%，而民用建筑的能耗僅占總能耗的45%～47%［4］。由此可見，工業建筑節能的意義重大，其節能的潛力遠遠超出民用建筑。在工業建筑的設計過程中，建筑師對于建筑的布局和構造以及室內環境等方面，并不像民用建筑設計那樣，處于主導地位，需要與生產工藝、動力、采暖、空調、供水、供電、運輸等許多專業相互配合，共同完成。工業生產過程往往伴隨著高溫高壓和三廢排放的過程，余熱的回收往往是工業建筑節能的特點之一。通過回收工業過程的余熱，輸送給廠房、辦公室、生活用房等作為采暖、空調等用途，改善工人的工作環境，提高工作效率，節約能源。

工業余熱屬于第二次能源，是在工業生產過程中產生的廢渣、廢氣、廢液所帶出的熱量。工業余熱非常豐富，據有關資料證明，工業余熱占工業熱量總量的30%，屬于石油、煤、天然氣、水能源之后第五常規能源［5］。工業余熱比較多的行業是鋼鐵、冶煉、石油化工、機械加工和陶瓷等，這些工業過程的熱效率不到30%［6］。由于這些工業過程都是以間接操作為主，所以給余熱的回收使用帶來困難，傳統的回收方案是產生熱水和蒸汽。自從20世紀80年代以來，國內外有關學者，興起相變儲能技術的研究和應用，為工業余熱的回收利用開辟了一條新的途徑。根據不同的工藝排出的不同溫度的余熱，分別采用低溫、中溫、高溫不同相變溫度的相變材料，把其余熱儲存起來，再把它們轉變成各種用途的能量，輸送給用戶。

2.2 相變材料在工業建筑圍護結構的應用

相變材料在工業建筑圍護結構的應用與在民用建筑的應用是一樣的，主要是在外墻、屋頂、門窗、地板等建筑結構里應用相變材料，提高這些圍護結構的保溫隔熱性能，減少工業廠房的熱損失。據有關資料顯示，通過建筑圍護結構的能量損失占整個建筑物能量損失的50%，因此，提高建筑圍護結構的節能效果是整個工業建筑的節能關鍵［7］。在實際應用中，是通過混合、浸滲、吸附、微膠囊等方法把相變材料與建筑材料復合起來，生產出適合工業建筑圍護結構的建筑構件，然后再用于建造工業廠房，再結合廠房的朝向設計，可以使這些相變材料建筑構件在白天氣溫高時可以吸收太陽的熱量，降低室內的溫度，晚上氣溫低時，起到隔熱降溫的作用，改善車間的工作環境，提高工作效率。由于工業建筑的圍護結構往往比較大而且高，使用相變材料進行保溫隔熱的效果也比較明顯。相變材料在工業建筑的應用見圖1，圖2［8，9］。

相變材料在工業建筑的應用，其相變溫度的選擇是根據氣溫的高低來決定，在南方夏天，由于氣溫較高以及建筑圍護結構吸收太陽的輻射能，其表面的溫度達60℃～70℃，因此，其外墻選用相變溫度為40℃ ～50℃的相變材料為宜，內墻和地板選用20℃～30℃的相變材料為宜，這樣既可以充分利用太陽的熱能，又可以保證室內的溫度符合人體舒適度的要求［7］。

圖1 相變材料在工業建筑屋頂使用示意圖

圖2 相變材料在工業建筑地板使用示意圖

2.3 相變材料在工業建筑采暖空調中的應用

圖3工業相變材料空調內部結構圖

圖4工業相變材料空調正面圖

采暖空調是工業建筑重要的組成部分，也是能耗較高的一個環節。據報道，制冷空調消耗的能源占建筑總能耗的40%［10］。在工業建筑的設計過程中，如何在能耗、環境、工藝以及工人的舒適程度等方面找到合理的平衡點，已成為工業建筑設計的重要研究課題。相變采暖空調在工業建筑的應用，既可以把工藝過程的余熱儲存起來進行采暖和制冷，同時還可以合理利用太陽能進行取暖，為工業建筑提供一種低能耗、低污染、高舒適度的工作場所。工業建筑中的相變材料采暖空調與民用建筑相變材料采暖空調相似，可以設置在圍護結構，如墻、天花板等。當建筑物需要冷或熱風時，通過閥門進行控制，由于采暖空調裝置里面的相變材料發生相變，并且與環境進行熱量交換，不斷地為建筑物提供冷風或熱風。相變材料在采暖空調中的應用有主動式和被動式兩種，被動式供暖就是相變材料儲能器把工業余熱儲存起來，自然循環向需要的地點供應熱量，同時由于自然對流達到空氣流通的目的。被動式供暖不需要任何動力設備，只需要相變材料儲能器和輸送設備，投資少，工藝過程簡單，操作成本低。主動式供暖是通過動力設備把儲存的余熱輸送到需要的建筑物，主要設備包括熱儲存器、換熱器、泵或風機、輸送管道等，見圖3，圖4［2］。

3 結語

目前相變材料在工業建筑的應用才剛剛起步，還有許多技術問題需要進一步的研究和解決:如根據不同行業的工藝要求，開發出各種適合工業建筑使用的低、中、高溫相變材料，以滿足不同用戶的需要;提高各種相變材料的傳熱和導熱系數，相變空調的制冷效率主要取決于相變材料的熱性能，目前，有關學者使用添加金屬粉或金屬氧化物等方法，提高相變材料的導熱性能，但是，在實際的應用中，由于金屬與相變材料的相容性差等問題，造成在實際應用中受到限制。近幾年，有學者的研究報道在制冷劑中添加一種由納米材料制成的添加劑，可改善制冷劑的熱力學性質、傳熱性能和流動性能。同時還可以提高制冷劑的比熱容和導熱系數;提高相變材料的穩定性和耐久性，包括相變材料與建筑材料的相容性和長期穩定性;相變材料在工業建筑應用的經濟性問題等。

［1］ BP Statistical Review of World Energy，June 2009.

［2］ Cui Yanqi.Investigation of phase change material passive cooling system for building，thesis of PhD of University of Nottingham，2014(10):233-234.

［3］ 張生玲.能源資源開發利用與中國能源安全研究［M］.北京:經濟科學出版社，2011:69-71.

［4］ 肖體全.建筑節能在工業建筑設計中的應用探討［J］.設計與研究，2013(2):38-39.

［5］ 趙 杰.相變儲能材料在工業余熱回收中的應用［J］.化工進展，2009(3):63-64.

［6］ 付 英.相變儲能材料在工業余熱回收領域中的應用研究進展［J］.工業爐，2009(6):11-14.

［7］ 徐 昆.復合相變材料的制備及在建筑物圍護中的應用［D］.無錫:江南大學碩士論文，2012:10-12.

［8］ R.Velraj，A.Pasupathy.Phase change material based thermal storage for energy conservation in building architecture［J］.International Energy Journal，2006，7(2):5.

［9］ Atul Sharma.Review on thermal energy storage with phase change materials and and applications［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(6):318-345.

［10］ European Commission.Directive 2010/31/EU of the European parliament and of the council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings(recast)［J］.Official Journal of the European Union.L153 of，2010，18(20):13-35.

Application of PCM in industrial building energy saving

The paper introduces major properties of PCM.Combining industrial building features and basic demands，it describes the application of PCM in industrial building enclosure structure and HVAC.In light of problems existing actual application of PCM，it puts forward PCM research direction.

PCM(Phase Change Materials)，industrial building，enclosure structure，HVAC，energy saving

Cui Yanqi
(College of City Construction，Zhongkai College of Agriculture Engineering，Guangzhou 510000，China)

TU201.5

A

1009-6825(2016)35-0195-03

2016-10-09

崔艷琦(1979-)，女，副教授