崔艷琦

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城建學(xué)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(yè)建筑節(jié)能中的應(yīng)用

崔艷琦

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城建學(xué)院，廣東廣州 510000)

介紹了相變材料的主要性能，結(jié)合工業(yè)建筑的特點(diǎn)和基本要求，闡述了相變材料在工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與采暖空調(diào)中的應(yīng)用，并針對(duì)相變材料在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出了相變材料的研究方向。

相變材料，工業(yè)建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采暖空調(diào)，節(jié)能

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展，人們生活和生產(chǎn)對(duì)能源的需求日益增加，能源的供需矛盾愈加激烈，已經(jīng)成為影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的主要瓶頸，據(jù)科學(xué)家預(yù)測(cè)，世界探明的煤炭可以開發(fā)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(yè)耗能占70%，我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的耗能比發(fā)達(dá)國(guó)家要高30%～90%，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品單耗為0.9 t標(biāo)煤，第二產(chǎn)業(yè)為6.58 t標(biāo)煤，第三產(chǎn)業(yè)為0.91 t標(biāo)煤，同時(shí)，每消耗1 kW時(shí)的能量，還會(huì)排放0.608 3 kg的二氧化碳，嚴(yán)重污染環(huán)境［2］。近年來(lái)，北京、天津等地連續(xù)多次發(fā)布環(huán)境污染的紅色警報(bào)，許多工廠不得不臨時(shí)停工停產(chǎn)，由此可見，加快工業(yè)化建設(shè)的進(jìn)程，雖然促進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步，提高了人們生活的幸福感，但工業(yè)的快速發(fā)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(tài)環(huán)境，對(duì)人類的生存和發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅［3］。因此，近年來(lái)，國(guó)家采取了許多獎(jiǎng)勵(lì)政策措施，許多科研工作者也紛紛對(duì)此展開攻關(guān)研究并取得了很多成果，對(duì)我國(guó)的節(jié)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(chǔ)能器應(yīng)運(yùn)而生，較多的應(yīng)用是在建筑物的取暖和降溫。由于工業(yè)建筑長(zhǎng)期處于高溫，即24 h處于工作狀態(tài)，這將對(duì)相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用造成困難。本文根據(jù)工業(yè)建筑的特性，探索相變儲(chǔ)能技術(shù)在其的應(yīng)用。

1 相變材料及其主要性能

1.1 相變材料及儲(chǔ)能技術(shù)

相變材料(Phase Change Materials，簡(jiǎn)稱相變材料)是在一定的溫度和壓力條件下，能夠發(fā)生相變，這種相變包括固—液、液—?dú)?、固—?dú)夂凸獭痰戎g的轉(zhuǎn)變，在這些相變的過(guò)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(chǔ)能材料，即相變材料可以把環(huán)境的熱量吸收并儲(chǔ)存起來(lái)，再根據(jù)需要，在不同的時(shí)間釋放出來(lái)，用于調(diào)節(jié)和控制環(huán)境的溫度，從而達(dá)到節(jié)能的效果。相變材料可以根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)分為有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變材料，無(wú)機(jī)相變材料主要包括無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)水合鹽、金屬和合金等，與有機(jī)相變材料相比，無(wú)機(jī)相變材料具有導(dǎo)熱系數(shù)大、潛熱大、密度大和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)相變材料主要有脂肪酸、石蠟等，與無(wú)機(jī)相變材料相比，有機(jī)相變材料容易成型、腐蝕性小、化學(xué)穩(wěn)定性較好和不發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)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?？梢园严嘧儨囟仍?00℃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(jù)相變材料的應(yīng)用條件，選擇適宜相變溫度的相變材料。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活的不斷提高，對(duì)能源的使用要求也越來(lái)越高，如由于城市的用電無(wú)法穩(wěn)定，白天用電高峰時(shí)，負(fù)荷過(guò)大，造成用電緊張，而夜晚用電低谷時(shí)，電力過(guò)剩，造成電力的浪費(fèi)。因此，能量的儲(chǔ)存便成為科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)課題。能量的儲(chǔ)存就是把某一時(shí)間和某一地點(diǎn)多余的能量收集并儲(chǔ)存起來(lái)，然后輸送到最需要的時(shí)間和地點(diǎn)使用。能量的儲(chǔ)存包括顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。其中潛熱儲(chǔ)能是目前研究最多，應(yīng)用最廣的一種儲(chǔ)能技術(shù)。

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(yè)建筑中應(yīng)用的節(jié)能效果，雖然相變材料的性能很多，但是影響其在工業(yè)建筑節(jié)能應(yīng)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(chǔ)存，就是因?yàn)橄嘧儾牧暇哂衅洫?dú)特的熱性能，當(dāng)環(huán)境的溫度高于其相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)生熔化，同時(shí)吸收環(huán)境的熱量并且以潛熱的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)環(huán)境的溫度低于其相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)生固化，同時(shí)釋放出所吸收的熱量，這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始地循環(huán)進(jìn)行，而材料的物理和化學(xué)性能保持不變。此外，相變材料還具有較好的導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)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(chǔ)存能量的效果;相變材料相變時(shí)蒸汽壓越小，對(duì)于容器的設(shè)計(jì)和操作越方便，封裝過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題就越少;機(jī)械強(qiáng)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(jī)械性能太差，就會(huì)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(guò)程容易產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象，影響熱傳導(dǎo)的效果。

1.2.3 化學(xué)性能

在相變材料使用過(guò)程中，主要考慮的化學(xué)性能有:化學(xué)穩(wěn)定性，即相變材料在使用過(guò)程中不發(fā)生分解或不與其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng);不易燃、不易爆、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性。

2 相變材料在工業(yè)建筑的應(yīng)用

2.1 工業(yè)建筑節(jié)能的含義與特點(diǎn)

建筑節(jié)能是指在建筑的設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用的過(guò)程中，通過(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，增強(qiáng)采暖空調(diào)的效能，降低建筑的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。作為以生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工人為主要服務(wù)對(duì)象的工業(yè)建筑，由于其行業(yè)的多樣化，工藝流程的復(fù)雜化，決定了工業(yè)建筑節(jié)能的艱巨性。迄今為止，我國(guó)工業(yè)建筑的節(jié)能還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和要求，多數(shù)是通過(guò)工藝技術(shù)革新達(dá)到節(jié)能減排的目的，并未對(duì)各種工藝的建筑節(jié)能提出具體的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相對(duì)滯后。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)工業(yè)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(yè)建筑節(jié)能的意義重大，其節(jié)能的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出民用建筑。在工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑師對(duì)于建筑的布局和構(gòu)造以及室內(nèi)環(huán)境等方面，并不像民用建筑設(shè)計(jì)那樣，處于主導(dǎo)地位，需要與生產(chǎn)工藝、動(dòng)力、采暖、空調(diào)、供水、供電、運(yùn)輸?shù)仍S多專業(yè)相互配合，共同完成。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往伴隨著高溫高壓和三廢排放的過(guò)程，余熱的回收往往是工業(yè)建筑節(jié)能的特點(diǎn)之一。通過(guò)回收工業(yè)過(guò)程的余熱，輸送給廠房、辦公室、生活用房等作為采暖、空調(diào)等用途，改善工人的工作環(huán)境，提高工作效率，節(jié)約能源。

工業(yè)余熱屬于第二次能源，是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣、廢氣、廢液所帶出的熱量。工業(yè)余熱非常豐富，據(jù)有關(guān)資料證明，工業(yè)余熱占工業(yè)熱量總量的30%，屬于石油、煤、天然氣、水能源之后第五常規(guī)能源［5］。工業(yè)余熱比較多的行業(yè)是鋼鐵、冶煉、石油化工、機(jī)械加工和陶瓷等，這些工業(yè)過(guò)程的熱效率不到30%［6］。由于這些工業(yè)過(guò)程都是以間接操作為主，所以給余熱的回收使用帶來(lái)困難，傳統(tǒng)的回收方案是產(chǎn)生熱水和蒸汽。自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者，興起相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用，為工業(yè)余熱的回收利用開辟了一條新的途徑。根據(jù)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(chǔ)存起來(lái)，再把它們轉(zhuǎn)變成各種用途的能量，輸送給用戶。

2.2 相變材料在工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

相變材料在工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與在民用建筑的應(yīng)用是一樣的，主要是在外墻、屋頂、門窗、地板等建筑結(jié)構(gòu)里應(yīng)用相變材料，提高這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，減少工業(yè)廠房的熱損失。據(jù)有關(guān)資料顯示，通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能量損失占整個(gè)建筑物能量損失的50%，因此，提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果是整個(gè)工業(yè)建筑的節(jié)能關(guān)鍵［7］。在實(shí)際應(yīng)用中，是通過(guò)混合、浸滲、吸附、微膠囊等方法把相變材料與建筑材料復(fù)合起來(lái)，生產(chǎn)出適合工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑構(gòu)件，然后再用于建造工業(yè)廠房，再結(jié)合廠房的朝向設(shè)計(jì)，可以使這些相變材料建筑構(gòu)件在白天氣溫高時(shí)可以吸收太陽(yáng)的熱量，降低室內(nèi)的溫度，晚上氣溫低時(shí)，起到隔熱降溫的作用，改善車間的工作環(huán)境，提高工作效率。由于工業(yè)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往比較大而且高，使用相變材料進(jìn)行保溫隔熱的效果也比較明顯。相變材料在工業(yè)建筑的應(yīng)用見圖1，圖2［8，9］。

相變材料在工業(yè)建筑的應(yīng)用，其相變溫度的選擇是根據(jù)氣溫的高低來(lái)決定，在南方夏天，由于氣溫較高以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收太陽(yáng)的輻射能，其表面的溫度達(dá)60℃～70℃，因此，其外墻選用相變溫度為40℃ ～50℃的相變材料為宜，內(nèi)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(yáng)的熱能，又可以保證室內(nèi)的溫度符合人體舒適度的要求［7］。

圖1 相變材料在工業(yè)建筑屋頂使用示意圖

圖2 相變材料在工業(yè)建筑地板使用示意圖

2.3 相變材料在工業(yè)建筑采暖空調(diào)中的應(yīng)用

圖3工業(yè)相變材料空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4工業(yè)相變材料空調(diào)正面圖

采暖空調(diào)是工業(yè)建筑重要的組成部分，也是能耗較高的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)報(bào)道，制冷空調(diào)消耗的能源占建筑總能耗的40%［10］。在工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何在能耗、環(huán)境、工藝以及工人的舒適程度等方面找到合理的平衡點(diǎn)，已成為工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的重要研究課題。相變采暖空調(diào)在工業(yè)建筑的應(yīng)用，既可以把工藝過(guò)程的余熱儲(chǔ)存起來(lái)進(jìn)行采暖和制冷，同時(shí)還可以合理利用太陽(yáng)能進(jìn)行取暖，為工業(yè)建筑提供一種低能耗、低污染、高舒適度的工作場(chǎng)所。工業(yè)建筑中的相變材料采暖空調(diào)與民用建筑相變材料采暖空調(diào)相似，可以設(shè)置在圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如墻、天花板等。當(dāng)建筑物需要冷或熱風(fēng)時(shí)，通過(guò)閥門進(jìn)行控制，由于采暖空調(diào)裝置里面的相變材料發(fā)生相變，并且與環(huán)境進(jìn)行熱量交換，不斷地為建筑物提供冷風(fēng)或熱風(fēng)。相變材料在采暖空調(diào)中的應(yīng)用有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，被動(dòng)式供暖就是相變材料儲(chǔ)能器把工業(yè)余熱儲(chǔ)存起來(lái)，自然循環(huán)向需要的地點(diǎn)供應(yīng)熱量，同時(shí)由于自然對(duì)流達(dá)到空氣流通的目的。被動(dòng)式供暖不需要任何動(dòng)力設(shè)備，只需要相變材料儲(chǔ)能器和輸送設(shè)備，投資少，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，操作成本低。主動(dòng)式供暖是通過(guò)動(dòng)力設(shè)備把儲(chǔ)存的余熱輸送到需要的建筑物，主要設(shè)備包括熱儲(chǔ)存器、換熱器、泵或風(fēng)機(jī)、輸送管道等，見圖3，圖4［2］。

3 結(jié)語(yǔ)

目前相變材料在工業(yè)建筑的應(yīng)用才剛剛起步，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決:如根據(jù)不同行業(yè)的工藝要求，開發(fā)出各種適合工業(yè)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(dǎo)熱系數(shù)，相變空調(diào)的制冷效率主要取決于相變材料的熱性能，目前，有關(guān)學(xué)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(dǎo)熱性能，但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，由于金屬與相變材料的相容性差等問(wèn)題，造成在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。近幾年，有學(xué)者的研究報(bào)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(xué)性質(zhì)、傳熱性能和流動(dòng)性能。同時(shí)還可以提高制冷劑的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù);提高相變材料的穩(wěn)定性和耐久性，包括相變材料與建筑材料的相容性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性;相變材料在工業(yè)建筑應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題等。

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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