项目简介相变储能材料(Phase Change Materials, PCMs)是一类利用在某一特定温度下发生物理相态变化以实现能量的存储和释放的储能材料，一般有固- 液、液-气和固- 固相变三种形式。目前固- 液相变储能材料的研究和应用最为广泛，其工作原理为：当环境温度高于相变温度时，材料由固态转变为液态并吸收热量；而当环境温度低于相变点时，材料由液态转变为固态释放热量，从而维持环境温度在适宜水平。在相变过程中材料吸收或释放的热量，是材料单一相态温度变化时吸收或释放热量的几十倍甚至几百倍。相变储能材料储能原理应用范围 相变储能材料响应温度变化所吸收和释放的是热能，在能源高效利用和节能保温领域有着重要的应用价值。如在建筑节能、太阳能利用、电力调峰、可再生能源消纳、工业余热回收、纺织品、冷链运输、医疗健康等方面拥有广阔的市场前景。项目阶段目前主要的有机相变储能材料产品来源于石油工业的副产物，具有毒性，同时因其不会被生物降解，所以会持续产生污染。研发团队以国家“973”计划—“节能领域纳米材料机敏特性关键科学问题研究”课题的研究成果为基础，制备出基于天然可再生油脂的相变储能材料，具有绿色无毒、可降解、储能密度高等优点。通过对相变储能材料进行功能化处理，使其进一步具备了高光热转换效率及良好的储热特性，可高效利用太阳能及环境余热。知识产权已申请相关专利。调配出的不同温度的相变材料合作方式1. 可根据实际情况研制具有不同相变温度的相变储能材料，满足各类需求。2. 完成建筑用相变储能材料产品的中试生产，实现了相变储能产品的规模化制备，如相变储能地板产品、相变储能板材产品、相变储能粉体（60-80 目）与颗粒产品（5-8mm）等。其中，地板和板材产品可用于室内装修，粉体和颗粒产品可作为其他建材，如涂料、砂浆、水泥、混凝土等的添加物。3. 将制备的相变储能板材应用于实际建筑中，取得了很好的控温节能效果：在北京冬季时，白天室内最多可少升温6-7℃，且温度峰值延后近2 小时；夜晚温度降低时间最多可延迟近6 小时（以降至18℃为限），有效减小了室内温度波动，并减少约18% 的采暖电能能耗。4. 研制了一套相变蓄热供暖系统，该系统可将谷电期间的电能转化为热能并存储于相变储能材料内，在非谷电期间则利用所存储的热能实现用户供暖。该系统有助于电力系统的蓄热调峰，也可有效降低终端用户的采暖成本，同时还具有体积小、效率高、节能环保、无噪音、使用寿命长等优点。该系统实际的供暖试验结果表明，峰电期间仅利用存储的热量进行供暖，可使用户室内平均温度达到20℃，与市政集中供暖相比，采暖费用可降低约20%。

相变储能材料技术是近年来蓄能领域和新材料领域新兴的研究热点，该 技术对建筑节能、解决能源紧张有着重要的应用价值。相变储能技术在建筑 中有着广泛的应用，对于太阳能供热系统，由于太阳能具有间断性与能量密 度低的特点，不能连续稳定的提供热量，限制了太阳能的大面积使用，为了 蓄存不稳定的太阳能，常以蓄热水箱为蓄热设备，水为蓄热介质来维持系统 稳定运行，从而使得蓄热水箱需要放置在一个特定的房间中，占用了宝贵的 建筑面积。本成果所涉及的模块化相变箱及其构成的相变蓄能系统，其通过 采用设置多个独立腔体的技术能同时实现蓄热和末端供热的目的，同时，在 达到同样存储热量的情况下能减少传统蓄热水箱体积，还能增大蓄热水箱运 行时长，减少辅助能源设备能耗；水箱中所用相变材料相变潜热大，在相变 温度附近蓄放热温度稳定，采用封装成板片形式的技术放置于普通蓄热水箱 中，将时间和空间上分布不均不稳定的太阳能转化成稳定的热能储存在相变材 料中，可以有效增大太阳能能源利用率。 太阳能通风烟囱(Solar Chimney, SC)作为世界上最丰富、最具发展潜力 的能源资源一太阳能的被动利用技术之一，因其具有降低建筑通风与空调能耗、 改善室内空气品质及能源资源可再生等优点而广泛应用于生态建筑设计中， 是生态与节能建筑研究中的一个热点。但是传统太阳能烟囱一直存在着蓄热 能力差、工作不稳定的缺点，在没有太阳辐射的时段无法运行。本团队成果 创新点在于将相变材料与传统太阳能烟囱相耦合，相变材料是替代传统蓄热 介质的最佳选项，与显热蓄能相比，相变蓄热是种潜热蓄能模式，具有蓄能 密度高，体积小，温度变化小，相变温度选择范围宽，易于控制等优点。相 变材料耦合太阳能烟囱可以有效提高烟囱本身的蓄热能力，将多余的太阳能 贮存起来，在没有太阳辐射时使用，从而有效延长了太阳能烟囱的工作时间。 市场及经济效益分析： 在自然通风领域，目前节能设计中由于太阳能等可再生能源在时间和强 度等方面的间歇性和不稳定性，导致当前面临最大的挑战就是满足建筑的热 舒适性，传统太阳能烟囱利用普通围护结构或金属板作为蓄热介质，蓄热方 式是显热蓄热，墙体表面温度是随着太阳辐射强度的变化而变化的，墙体温 度的变化极容易引起通风量变化或人体热不舒适感。另外，烟囱蓄热墙的蓄 热能力差，在多云天气或夜间，太阳能烟囱工作效能很差或不能工作，这极 大地限制了太阳能烟囱的实际应用。同时，相比于市场常见的机械通风技术, 其能达到良好的通风效果，但是需要复杂的通风设备和动力设备，结构复杂， 而以相变太阳能烟囱为代表的自然通风技术低能耗，结构简单，仅需经过合 理布置房间的门窗位置即可形成有组织的自然风，尤其在过度季节和气候温和 地区具有广阔的应用前景。 团队介绍： 本研究团队拥有一批由教授、副教授、青年教师、博士和硕士组成的高 层次科研人员及先进的科研设备，在相变传热理论和数值模拟分析等方面均 具有扎实的基础，人员组成结构合理，团队成员大都有丰富的现场实测经验 及实验室研究的工作经历。研究团队的主要研究人员卢军教授主持完成了国 家自然科学基金项目“山地城镇室外热环境预测与评价”，作为专题负责人完 成了国家科技攻关项目“长江流域住宅节能理论与策略研究"，主研完成了国 家十一五科技支撑计划子课题“城镇热岛效应机理和模拟技术研究”以及数 十项建筑可再生能源利用科研课题和工程方案的可行性研究，具有坚实的理 论基础和丰富的实验工作经验，目前正在主持完成国家自然科学基金项目“高 海拔寒冷地区室内热环境质量及调控机理研究"的研究工作。卢军教授在相 变材料在建筑领域应用研究方面有较多的工作积累，尤其是相变蓄能水箱与被 动式自然通风技术等方面取得了丰富成果，发表多篇学术论文，为团队发展提供 相关研究建议和指导。

换热器网络作为热回收系统是石油化工和其他过程工程中不可或缺的部分，通过对换热器网络的系统最优化设计，可以最有效地利用物料本身带有的热量和冷量，从而达到节能和降低设备费用的效果。我校和汉堡工业大学联合研发的换热器网络最优化设计软件以混合遗传算法作为MINLP问题的基本求解器，并结合了多种进化策略，特别是提出了大规模换热网络的单性遗传算法的进化策略，使得设计软件能够有效地运用于流股数超过100股的大型换热器网络最优化设计问题，这是目前使用商用软件无法进行有效计算的。使用这一软件对文献中的许多经典算例进行了计算比较，大多获得了比文献报道的结果更优的换热网络设计，远远好于使用商业软件HEXTRAN得到的结果；对于大规模换热器网络，其年度总费用（投资费用与运行费用之和）的降低更为显著。 主要性能指标1．换热器网络的最优化设计所涉及的换热器包括加热器和冷却器的可选类型可以由用户自行增减； 2．可以使用多个冷热公用工程，软件自动选择最优的公用工程匹配；3．可以在用户子程序中根据实际设计要求自行设定最优化目标函数，加入禁止匹配、禁止分流、面积限制、换热器种类限制等多种约束条件；4.可以选择多种进化策略及不同的相关参数以检验计算结果收敛于全局最优解的可信度； 5.可用于流股数超过100股的大型换热器网络最优化设计； 可在个人计算机的windows环境下运行（带用户界面），也可在大型并行计算机的UNIX系统中运行（不带用户界面）。

相关成果获得国家发明专利 2 项，通过国家 863 项目的验收，测试发现紧凑 度是传统光管换热器的 12 倍，最大换热效能从 31%提升至 81%。为国内某钢铁公 司设计和制备的新型内外翅片管高温换热器已经通过现场测试，在设计工况下温 度效率比其现有产品的温度效率提高 10%以上。

1．模拟监测换热器技术指标冷却水进口温度约为32℃，出口温度约为40℃-42℃，流速控制在08-1.2 m/S，试管水侧壁温75-85℃，热水箱温度控制60-100℃，试管Φ19*2。2. 主要监测设备指标 （1）WGRZ-3型换热器在线监测仪“换热器在线监测仪”是“污垢热阻在线测试仪”改型换代的新产品。它既保持了原产品测试准确、性能可靠等优点，又增加了许多新的功能。使得这一新产品既能满足现场监测换热器的智能测控要求,也能适合现场运行换热器的监控需要，并能和计算机实时连网通讯。是实现工业循环水现场监测现代科学管理必不可少的好帮手(专利号：200430058415.1) 。主要功能：  ① 液晶显示换热器各种参数,主要有进出口温度、蒸汽温度、流量、监测时间、污垢热阻瞬时值。   ② 液晶显示污垢热阻变化曲线图。           ③ 能对流量或蒸汽进行控制。④ 连续测量90天，不怕悼电。      ⑤ 能和计算机实现实时通信，数据和曲线由计算机打印。⑥ 具有多种报警显示。⑦ 能把pH、电导率的变送信号传送。（2）模拟换热器① 测试管采用ф19×2，有效长度1170毫米，三根，20号碳钢，试管外壁采用不抛光镀铬处理，以消除壳侧流体腐蚀的影响。② 冷却水走管侧，壳侧走热流体。③ 采用电加热，功率大于18千瓦（380V）。④ 冷却水温差8-10℃。⑤ 进出口各装1个挂片架。（3）现场安装条件① 用DN25管子引入现场给水，到监测换热器。② 用DN25管子从监测换热器引出到水池。③ 提供三相四线电源和地线一根（20千瓦）。④ 占地总面积不小于5个平方。⑤ 室内⑥ 电器控制柜和模拟监测换热器分开放置。

（3）换热器拆装操作实训装置 ①装置特色 列管换热器拆装实训装置主要由列管换热器、拆装工具、工具货架等组成，主要考查选手掌握典型列管式换热器的结构、组装、试压操作、试压系统组建技能，以及压力容器安全检验的有关知识。 ②系统功能及训练目标 1)典型换热器的结构、组装、密封、水压实验压力确定、实验步骤、实验注意事项、压力容器使用过程中的检验常识，选手之间配合良好。 2)考察学生对换热器内部结构熟悉程度、对化工设备安全性检验知识及技能掌握的程度。 3)换热器的拆装：认识管壳式换热器的结构及其关键零部件；拆装前的准备工作（包括拆装工具的准备、待拆装换热器基本状态检查、拆装操作规程及注意事项等）；制定拆装计划与实施方案；对换热器进行拆卸，严格遵守拆卸顺序，并对已拆卸下的零件进行标号；对换热器按顺序（对照零件标号）组装。 4)换热器的清洗过程：认识换热器的各种清洗方法；清洗前的准备工作（如清洗工具的准备，包括榔头、锉刀、铲刀、刮刀、钢丝刷、吸尘器等）；制定清洗操作计划实施方案；对换热器的管、壳程进行清洗，注意整个清洗过程的顺序及操作要领。 5)换热器的水压试验装置：可分别按管、壳程水压流程图进行管、壳程水压试验系统的组装；可进行管程与壳程水压试验；符合设备及试压系统拆装过程中的安全规范。

该项目经过课题组多年研究，在分子设计的基础上，结合分子自组装及纳米技术，研发出一系列具有相变蓄冷、储热功能的新型复合材料。所生产出的产品经用户试用，获得好评。 课题组所研发的相变材料是在低温下为柔软的膏状，在高温下为液态的材料。这类材料在相转变前后可吸收或释放大量相变潜热。可用相变材料开发制冷或制热的物质。

设计出了高效相变蓄热供暖系统。通过太阳能集热器在白天收集热量，并将其储存用于供暖使用。 系统采用一定比例的石蜡—膨胀石墨作为蓄热材料，其具与供暖相适应的相变温度，较高的导热系数， 性质稳定，设计的石蜡—膨胀石墨蓄热罐通过内埋的  U 型翅片管实现与太阳能热蒸汽换热和用户供暖用水间的换热。装置节能环保，成本低廉，结构简单，应用场合广泛。