时间：2025-11-05 点击量：
冷冻储能：采用低温相变蓄冷材料的空调系统
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组刘俊杰教授的巴基斯坦博士生Yusra Tahir和天津商业大学贾利芝老师合作，在《Energy & Buildings》期刊（影响因子：7.1）上发表了关于空调系统用低温（1–10 °C）相变蓄冷材料的综述，比较了其性能、特性以及其系统集成方式。论文还重点指出了相变蓄冷技术发展面临的关键挑战和未来的研究方向。
一、题目
空调系统用低温相变蓄冷材料最新进展
State-of-the-art low temperature phase change material (PCM) for air conditioning system
二、 作者
Yusra Tahir, Junjie Liu(刘俊杰), Lizhi Jia (贾利芝，通讯作者)
三、 研究亮点
• 低温相变蓄冷空调系统的集成提高了制冷效率，并促进了可再生电力能源利用。
• 蓄冷设备的优化设计提高了其传热性能、稳定性和蓄放冷性能。
•对比相变蓄冷、水、冰和冰浆蓄冷，发现低温相变材料能量密度有一定优势，冰浆蓄冷可以进行更大负荷管理并且换热效果更佳。
• 相变储能空调系统可显著节能，但目前尚缺乏材料应用上的创新和标准化。
四、 摘要
能源与发展紧密相连，全球30%至60%的能源用于供暖和制冷。将储能系统（TES）与空调系统相结合，可以提高效率并优化峰值负荷管理。在众多储能方法中，利用相变材料（PCM）的潜热储存具有最高的能量密度。本文重点关注低温相变蓄冷材料（1–10 °C），并指出三水合氯酸锂因其高能量密度（120.88 Wh/L）和紧凑的体积（39.21 m³）而成为最合适的选择。相变蓄冷系统，尤其是采用铝制圆柱形蓄冷设备能够改善传热性能。相变蓄冷空调系统的应用，可减少二氧化碳排放高达27%，是冰/水蓄冷的可持续替代方案。
五、 主要结果
低温相变材料在空调系统中的应用：全球能源需求因城市化进程和日益增长的制冷需求而不断增加。空调和供暖消耗了30%至60%的总电力，因此，热能储存（TES）对于降低峰值负荷和提高效率至关重要。在众多热能储存方法中，利用相变材料（PCM）进行潜热储存具有高能量密度和紧凑性等优点。
本文综述了用于空调系统的低温（1-10℃）相变蓄冷材料，涵盖了它们的材料特性、分类和集成策略。有机相变材料，包括石蜡和生物基材料（图1），具有环境友好，化学稳定性好和可靠性高的优点，但需要提高其导热性。无机相变材料（图2），主要由盐类和金属组成，例如盐水合物和三水合氯酸锂，具有高能量密度，熔点范围窄（18.5–116°C）和储量丰富等优点，但面临腐蚀和过冷等挑战。共晶相变材料（图3）通过组合不同的材料来调节熔点，为低温蓄冷提供稳定的热性能，但其应用受到泄漏和低导热系数的限制。
图1：低温有机相变蓄冷材料相变温度及潜热
图2：低温无机相变蓄冷材料相变温度及潜热
图3：低温共晶相变蓄冷材料相变温度及潜热
相变材料（PCM）选择原则：如图 4 所示，用于空调系统蓄冷的PCM 选择取决于其相变温度、热物性及动力学性能等。有机、无机、生物基和共晶 PCM 在能量密度、导热系数、稳定性和环境兼容性方面各有优劣，通常需要进行封装、添加成核剂或改进传热性能等增强措施。多准则决策（MCDM）等决策工具有助于优化 PCM 选择，确保在 1–10°C 的蓄冷应用中实现高效、安全且经济的可行性。
图 4：空调系统相变材料选择标准流程图
相变材料（PCM）蓄冷方法/设备：基于PCM的蓄冷罐将填充PCM的容器与循环传热流体（HTF）集成在一起，以高效地存储和交换能量。其性能取决于容器的几何形状、结构以及诸如翅片、添加剂或封装等热强化技术。泄漏、体积膨胀和腐蚀等问题可通过选择合适的材料（通常为不锈钢或铝）和封装方法来缓解。宏观封装适用于大型系统，经济高效；而微观封装则可实现紧凑、快速响应的设计；混合方法则可在成本、效率和耐久性之间取得平衡。
PCM蓄冷系统中的高效传热依赖于合适的相变温度的选择和换热器配置，通常为壳管式、螺旋式、盘管式或紧凑型换热器。圆柱形和同轴式换热器在空调蓄冷系统中表现最佳。翅片、复合材料、金属泡沫和碳基添加剂等强化换热措施可提高其导热性能，不同措施对于设备性能的影响见表1所示。
表1 强化传热技术对比
Enhancement Technique | Charging/Discharging Rate | Comparison | Ref. |
Fins | Significantly enhance performance by accelerating charging and discharging times, achieving reductions of 84.6 % and 87.9 %, and also improving melting and heat charging rates by 37.2 % and 59.1 %, respectively. | · Best for both charging/discharging balances: Fins (up to ~88% reduction in times, robust across conditions). · Highest single improvement in phase change rate: Composite materials (~92.5%). · Strong thermal performance but with practical drawbacks: Nanoparticles (may slow full charging). · Best for efficiency gain: Carbon Nanotubes (61.7% cooling efficiency increase).
| [152] |
The charging rate can be improved by up to 74%; moreover, uniform fins demonstrate higher efficiency during discharging, achieving approximately 79 % enhancement. | [235] | ||
Composite materials | Charging/discharging rate can be elevated by 92.5%. | [236] | |
Nanoparticles | The full charging time by around 30%. Specifically, the required charging time decreases from 7.015 h to 6.74 h, while the melting time drops from 6.74 h to 4.12 h, resulting in an overall process time reduction of approximately 58.7% when smaller tubes are used in the presence of nanoparticles. | [237] | |
Carbon nanotubes | Charging/discharging time reduced by 48 min compared to traditional pure paraffin spheres without fins, and cooling efficiency improved by 61.7%. | [238] |
定形相变材料（SSPCM）将相变材料固定在多孔载体（矿物或聚合物）中，无需封装即可防止泄漏并提高导热性。常用的载体材料包括天然矿物（硅藻土、蛭石、珍珠岩、高岭土、膨润土、浮石、海泡石）和聚合物（聚乙烯、聚氨酯、丙烯酸树脂）见表2。通过添加导电填料，例如剥离石墨纳米片或多孔碳添加剂，可以进一步提高导热系数，这些填料在保持潜热容量的同时增强传热性能。
表2 定形相变材料总结
PCM / Composite | Supporting Matrix / Additive | Thermal Conductivity | Heat of Fusion | Other Notes / Performance | Ref. |
Fatty acids (lauric, myristic, palmitic) | Hydrophobic modified diatomite (mortar integration at 5–15%) | Reduce up to 37.9% | N/A | 28-day compressive strength reduced by up to 53.3% | [260] |
PCM in PU foams (PUF + DMPEG modification) | Polyurethane foams (PUF) with diethanolamine modified methoxypolyethylene glycol (DMPEG) | Improved insulation & thermoregulation | N/A | Good thermal reliability & stability after cycling | [261] |
PEG | Diatomite | +10.34% | -39.16% | Composite TES material | [262] |
Bio-PCM (Stearic acid) | Expanded vermiculite / TiO₂ | +132% | -28.8% | Enhanced thermal conductivity, reduced fusion | [263] |
Expanded vermiculite | +61.9% | +32.4% | Good stability | [264] | |
Montmorillonite nanosheet (3D network) | +50.2% | +4.8% | Strong structure, improved conductivity | [265] | |
PEG | Rice husk ash | +33.9% | +47.41% | Sustainable support material | [266] |
Capric–palmitic acid eutectic | Silica | +6.25% | +31.2% | Composite form-stable PCM | [267] |
Palmitic acid | Polypyrrole | +3.23% | +20.05% | Stable thermal behavior | [268] |
PEG | Biochar (potato-derived) | 10× increase (to ~4.5 W/m·K) | N/A | Stable after 200 cycles | [269] |
Diatomite | From 0.32 → 0.67 W/m·K | N/A | Linear correlation with PCM loading | [270] | |
Diatomite + Ag nanoparticles (3–10 nm) | +127% | N/A | Superior conductivity, stable cycling | [271] | |
Paraffin | Expanded perlite + 5 wt.% expanded graphite | +46% | N/A | Stable after 5000 cycles, excellent durability | [272] |
Note = (+) for improvement, (-) for reduction and (N/A) not available
相变材料浆料——即分散在流体中的相变材料——兼具储能和传热功能，具有高潜热、可调熔点和卓越的空调冷能存储效率。它们能够实现更小巧、更灵活、更节能的制冷系统，有助于降低峰值负荷并实现可持续运行。
相变材料与空调系统的集成：集成相变材料的空调系统可以是被动式、主动式或混合式，并可分为自然冷却、太阳能辅助冷却、蒸发/辐射冷却、建筑围护结构集成和空调应用。本综述重点关注主动式空调系统中的低温PCM（1–10°C），该系统可实现高达5%的节能、1.8%的性能系数（COP）提升和30%的二氧化碳减排。图 5–7 展示了集成方案，包括空气回路、水回路和太阳能辅助。尽管低温相变蓄冷材料集成已证实具有诸多优势，但相关研究仍然有限，仍有很大的研究空间。
图5：PCM蓄冷装置与空调系统空气回路集成示意图
图 6：PCM 蓄冷与空调系统水循环回路集成示意图
图7：PCM蓄冷与太阳能空调系统水循环回路集成示意图
相变材料与水和冰蓄冷的比较：显热储能（水/岩石）价格低廉，但体积庞大且效率低下。基于相变材料的潜热储能具有更高的能量密度和更稳定的温度，能够实现峰值负荷转移。冰的冰点低且容易过冷，而相变材料（有机相变材料，如甲酸、植物油；无机相变材料，如三水合氯酸锂；以及共晶相变材料，如十五烷+十八烷）的冰点约为8°C，可灵活集成。低温相变材料例如：三水合氯酸锂的能量密度，优于水、冰和冰浆。冷冻水经济但体积庞大，冰可以进行更大负荷管理，而相变材料虽然成本较高、导热系数较低并且性能有衰减，但能带来最高的节能减排效益（见表2）。
表2：空调用蓄冷技术比较
Aspect | Chilled Water | Ice Storage | PCM Storage | Ref. |
Energy Density | Low (≈25 kWh/m³) | higher storage density | Very High (≈100 kWh/m³; 20–40% > ice/water) | [322- 324] |
Operating Temperature | 4–6 °C | 0 °C (fixed) | Flexible (above 0 °C, often ~8 °C) | [44, 245] |
System Efficiency | Moderate, continuous pumping energy | 30–40% efficiency drop due to low evaporating temps | High; stable charging/discharging near phase change | [242, 244] |
Space Requirement | Large (volume-intensive) | Very High (50–70% more than chilled water) | Compact (30–40% less than chilled water) | [243] |
Investment Cost (USD/kW) | Low: 3,638–4,815 | - | High: 6,420–16,050 (encapsulation + materials) | [9] |
Maintenance | requires extensive pipe networks, higher continuous energy use | Highest (glycol check, HX replacement in 15–20 years) | Lowest (20–25 years life) | [9, 23] |
O&M Cost (USD/kW·yr) | 74.9–267.5 | Moderate | Higher (128.4–802.5; monitoring for cycling/degradation) | [9] |
Payback Period | 2–3 years (fastest) | 4–6 years (longer due to high capital cost) | 3–5 years | [243, 23 and 325] |
Lifetime | 20–25 years | 15–20 years | 20–25 years (with proper encapsulation) | [243] |
Scalability | Mature, large-scale district cooling | Highly scalable, proven in commercial/data centers | Modular; scaling limited by encapsulation & cycling | [23] |
Environmental Impact | High space + refrigerant dependency | 20–30% CO₂ reduction (load shifting) | Up to 40% CO₂ reduction; some systems refrigerant-free | [23, 243] |
Regional Trends | Europe (district cooling, free cooling) | North America (data centers, peak shifting) | Asia-Pacific (policy-driven adoption, compact systems) | [23, 325] |
本综述重点介绍了空调用低温相变蓄冷材料（1–10 °C），着重强调了其能源效率和负荷转移潜力。三水合氯酸锂（LiClO₃·3H₂O）以其8 °C的熔点、高潜热（253 kJ/kg）和体积能量密度（120.88 Wh/L）而著称，而有机相变材料（例如甲酸、四氢呋喃、石蜡和生物油）则提供了稳定且无腐蚀性的替代方案。蓄冷设备的性能取决于设备材料、几何形状、结构以及封装或定形措施，以防止泄漏和腐蚀。集成相变蓄冷的空调系统可实现20%–70%的节能，但其面临的挑战包括导热系数低、成本高以及标准测试方法缺乏的问题。未来的工作应侧重于实验验证、标准化耐久性测试、优化封装、先进的热交换器设计以及技术经济评估，以实现相变蓄冷技术在暖通空调应用中的经济高效、紧凑和可持续部署。
致谢：本研究获得“十四五”国家重点研发计划（项目编号：2024YFB2408704）和天津市自然科学基金重点项目（项目编号：23JCZDJC01170）资助。
引用格式: Yusra Tahir, Junjie Liu, Lizhi Jia, State-of-the-art low temperature phase change material (PCM) for air conditioning system, Energy and Buildings, Volume 350, 2026, 116614,
ISSN 0378-7788,
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.116614.
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稿件编辑：贾利芝
稿件审核：刘俊杰、田媛
