相變蓄熱材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 柵　劉 凱　李 靜　侯景鑫

（嘉興學院建筑工程學院浙江嘉興314000）

相變蓄熱材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 柵劉 凱李 靜侯景鑫

（嘉興學院建筑工程學院浙江嘉興314000）

相變蓄熱技術(shù)是提高能源利用率和保護環(huán)境的技術(shù)，用于調(diào)和熱能供給與需求不相匹配的矛盾。該技術(shù)的迅速發(fā)展為緩解人類能源危機提供了一種全新的重要手段。太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)與相變儲能技術(shù)相結(jié)合是新能源利用的一個重要方法。太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)具有間歇性、不穩(wěn)定性缺點，而相變儲能技術(shù)能夠間歇地利用太陽能。

本文主要從國內(nèi)外關(guān)于太陽能蓄熱材料的研究進展，其中包括太陽能相變材料的分類，物理、化學性質(zhì)等，指出相變蓄熱材料的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的集熱效率、能量蓄積密度和太陽能保證率。目前對于一些相變材料缺陷的改進方法，及相變材料在太陽能供暖中的應(yīng)用及發(fā)展前景。

太陽能；輻射采暖；相變儲能；相變蓄熱材料

1　提出背景

能源與環(huán)境問題是當今世界所面臨的兩大難題。其中能源是當今工業(yè)生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)，同時，有效利用能源，可以提高人們的生活品質(zhì)，有利于經(jīng)濟發(fā)展，從而帶動整個社會的進步。建筑能耗占總能耗較大的比重，有近30%的總能源消耗在建筑物上。而在我國，建筑能耗已超過全國能耗總量的l/4，且遞增趨勢日益明顯。

2　太陽能供暖系統(tǒng)

太陽能供暖系統(tǒng)的組成：太陽能集熱器與輔助熱源——提供能量；熱量儲存及熱量交換的設(shè)備；末端設(shè)備——建筑采暖和生活熱水需求。當白天太陽輻射較大，太陽能集熱器正常工作；當太陽輻射不足，則由輔助熱源補充太陽能不足的部分。太陽能供暖系統(tǒng)與其他常規(guī)能源供暖系統(tǒng)相比，其特征在于：（1）系統(tǒng)在低溫下運行。（2）具有儲存熱量的設(shè)備。（3）與輔助熱源配套使用。（4）適合在節(jié)能建筑中應(yīng)用。

3　相變材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

蓄熱材料按蓄熱方式可分為：顯熱蓄熱材料、相變蓄熱材料、熱化學蓄能材料和吸附蓄熱材料。其中，相變蓄熱是利用材料在相變時的吸熱或放熱來貯能或釋能的，這類材料具有蓄熱密度較高、蓄熱能力好、相變溫度近似恒定等優(yōu)點，因此近年來得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。

以水這一常見的物質(zhì)為例，熔化1kg的冰所吸收的熱量大約是使1kg水溫度升高1℃所需熱量的80倍。這就表明相變蓄熱技術(shù)可以實現(xiàn)僅用少量材料卻可以貯存大量的能量。所以，目前應(yīng)用最多和最重要的蓄熱方式就是相變蓄熱，而將相變材料與太陽能供暖系統(tǒng)相結(jié)合是能源利用的一個重要的新方法，有利于能源的節(jié)約與環(huán)保。

4　相變蓄熱材料的選擇原則

用來蓄熱的相變材料，不但要有合適的相變溫度，而且它們還應(yīng)滿足下面的條件：（1）較大的相變潛熱。（2）較大的導(dǎo)熱系數(shù)。（3）較好的穩(wěn)定性。（4）與容器不發(fā)生化學反應(yīng)。

無機相變蓄熱材料大多都有腐蝕性，因此在選擇相變材料的封裝容器時要考慮到它們的相容性，相變材料對容器材料無腐蝕作用。

另外，相變材料還應(yīng)有較小的體積膨脹率，便宜的價格，無毒等特性。

5　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在相變機理方面的研究，一直進行的較緩慢。針對有機相變材料隨著熔化——凝固循環(huán)次數(shù)的增加，其熔點和潛熱值下降，水合鹽類相變材料存在嚴重的過冷和相分層現(xiàn)象，凝固過程中成核性能差等一系列問題始終未能得到有效解決。文獻對水合鹽的成核原理進行了研究，認為當成核劑與水合鹽的晶格參數(shù)相差在15%以內(nèi)時，能很好的起成核作用，但這一理論只對少數(shù)水合鹽成核劑的選擇有效，對絕大多數(shù)水合鹽成核劑的選擇是無效的。

6　發(fā)展方向

隨著全球經(jīng)濟發(fā)展，能源形勢也日益緊張，節(jié)能與環(huán)保已成為世界各國的重要課題之一。相變蓄熱技術(shù)利用物質(zhì)的相變來實現(xiàn)能量的儲存和釋放，有利于能源的有效利用，并在全球氣候環(huán)境的保護方面發(fā)揮了重要作用。而以后，相變蓄熱技術(shù)會被更多的領(lǐng)域應(yīng)用，其已在節(jié)能環(huán)保材料，工程保溫材料，航空和航天器材，貯能炊具等方面都展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。而且，尋找合適的相變蓄熱材料將成為相變蓄熱技術(shù)的重點。

7　結(jié)語

太陽能是一次能源，也是可再生能源，太陽能利用技術(shù)為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，即節(jié)約能源減少污染。因而，它的應(yīng)用得到社會越來越廣泛的重視。我國的研究和發(fā)展水平與西方國家相比有較大差距，有必要對太陽能供暖技術(shù)進行深入研究，向其他發(fā)達國家學習，取長補短，提高太陽能的利用效率。

相變材料與太陽能供暖系統(tǒng)相結(jié)合的方案，目前還局限于地板輻射采暖，但它有著較大的優(yōu)點：簡單易行，便于安裝，環(huán)保衛(wèi)生等，同時，相變蓄熱材料能夠把熱能有效的儲存起來，在供能不足的情況下提供能量，以便達到預(yù)期的采暖效果。總之，在保證人們需求的情況下，合理開發(fā)利用其他可再生能源，同時加強相變蓄熱技術(shù)的研發(fā)，是一條實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展道路。此外，相變蓄熱技術(shù)還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)暖房、路面的融雪技術(shù)、建筑大廳、游泳池等。

［1］江億，楊旭東.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］王劍峰，鄭飛，陳光明.組合式相變材料貯熱系統(tǒng)中的相變溫度分布研究.太陽能學報，1988，19（3）：294-298.

浙江省大學生科研創(chuàng)新團隊資助項目。