蓄熱技術及其應用

程述青

摘 要：蓄熱技術是緩解人類能源危機的一種重要手段。本文首先介紹了蓄熱技術的分類和特點，分析了蓄熱技術在國內外的研究情況，又闡述了它在暖通空調等領域的應用狀況，最后對蓄熱技術的發展進行了展望。

關鍵詞：蓄熱技術；相變；暖通空調；節能

Abstract： The heat storage technology is an important means to alleviate the energy crisis of the human. This paper first introduces the classification and characteristics of the heat storage technology， heat storage technology research at home and abroad， and expounded the status of its application in areas such as HVAC， outlook on the development of regenerative technologies.

Key words： heat storage technology； phase transition； HVAC； energy saving

在許多能量利用系統中，往往存在著能量供應和需求的時間性差異，造成了能量利用的巨大浪費。蓄熱技術是解決該問題的一種有效途徑。蓄熱技術的核心應用在于調和熱能供給與需求在時間和空間上不相匹配的矛盾，在太陽能熱利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及建筑節能、暖通空調等領域具有廣泛的應用前景。

1.蓄熱技術分類及特點

蓄熱技術目前主要有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱（相變蓄熱）和化學反應蓄熱三種。

顯熱蓄熱是利用物質溫度的變化來存蓄熱量的。常用的顯熱蓄熱介質有水、水蒸氣、鵝卵石等。顯熱蓄熱介質來源廣泛，價格低廉，系統簡單，是目前最成熟、應用最廣泛的蓄熱方式。

潛熱蓄熱是利用物質在凝固/熔化、凝結/氣化、凝華/升華以及其他形式的相變過程中，吸收或放出相變潛熱的原理。由于液氣或固氣轉化時，容積變化非常大，不易控制，在實際工程中較難應用，目前有實際應用價值的是固液相變式蓄熱。該技術的優勢是：蓄熱密度大、相變時溫度穩定、所用裝置簡單、體積小、設計靈活等。

化學反應蓄熱是指利用可逆化學反應的結合熱儲存熱能。化學能蓄熱的特點是：可逆性好；正逆反應轉變的速率快；蓄熱密度比顯熱蓄熱和潛熱蓄熱都大，可以貯存高溫熱能；也無須絕熱保溫，可以長時間的蓄熱。但化學能蓄熱系統復雜、價格也高。

2.蓄熱技術國內外研究情況

20世紀30年代以來，相變蓄熱的基礎理論和應用技術研究在發達國家（如美國、加拿大、日本、德國等）迅速崛起。材料科學，太陽能，航天技術，建筑物空調采暖通風及工業廢熱利用等領域的相互滲透與迅猛發展為相變蓄熱研究和應用創造了條件。在相變蓄熱的理論和應用研究方面，美國一直處于領先地位。Dr. Maria Telkes等先后在相變材料的配制和性能研究、相平衡、相變傳熱、相變材料性能改善等方面做了大量工作，并在馬薩諸塞州建起了世界上第一座PCM太陽能暖房。60年代，隨著載人空間技術的迅速發展，美國NASA 大力發展了相變材料熱控技術。70 年代早期，日本三菱電子公司和東京電力公司聯合進行了用于采暖和制冷系統的相變材料的研究。德國也進行了大量相變儲能的機制和應用的研究，Krichel 繪制了大量PCM的物性圖表。近年來，相變蓄熱的應用研究主要集中在太空太陽能動態發電系統蓄熱，建筑物圍護結構蓄熱和空調蓄熱和工業余熱、廢熱回收系統蓄熱。相變蓄熱在太陽能熱泵的應用研究領域，土耳其K. Kaygusuz 等學者研究較為深入[1]。

我國是在20世紀80年代初開始著手研究蓄熱材料的，而且早期主要研究對象是相變蓄熱材料中的無機水合鹽類。90年代中期，研究重點才轉向有機蓄熱材料及固-固相變蓄熱材料，但研究的種類和方法還比較少。近年來，國內對相變蓄熱材料的研究日益廣泛，尤其以相變蓄熱材料的組成、提高相變材料蓄熱與放熱特性以及組合相變材料的開發研制為主。浙江大學、華南理工大學、清華大學在這些方面做了大量工作[2]。但與發達國家相比，我國相變蓄熱材料的理論和應用研究還較薄弱，從應用范圍來看，國內的蓄熱材料目前只是應用在太陽暖房、農用日光溫室等領域。在太陽能熱泵中的應用研究還處于初始階段。

3.蓄熱技術的應用

3.1太陽能熱儲存

太陽能是巨大的能源寶庫，具有清潔無污染、取用方便的特點。但到達地球表面的太陽輻射具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩定性。為了保持供熱或供電裝置穩定不間斷地運行，就需要蓄熱裝置把太陽能儲存起來，在太陽能不足時再釋放出來，從而滿足生產和生活用能連續和穩定供應的需要。

3.2 工業廢熱、余熱回收

目前工業熱能儲存采用的是再生式加熱爐和廢熱蓄能鍋爐等蓄能裝置。采用蓄熱技術來回收儲存堿性氧氣轉爐或電爐的煙氣余熱以及干法熄焦中的廢熱，既節約了能源，又減少了空氣污染以及冷卻、淬火過程中水的消耗量。在造紙和制漿工業中，燃燒廢木料的鍋爐適應負荷的能力較差，采用蓄熱裝置后，可以提高其負荷適應能力。在食品工業的洗滌、蒸煮和殺菌等過程中，由于負荷經常發生波動，采用蓄熱裝置后就能很好地適應這種波動。紡織工業的漂白和染色工藝過程也可采用蓄熱裝置來滿足負荷波動[3]。

3.3電力調峰及電熱余熱儲存

電力資源的短缺是人類長期面臨的問題，但是電力資源的浪費卻非常嚴重，如我國的葛洲壩水利樞紐工程，其高峰與低谷的發電輸出功率分別為220萬kW和80萬kW，用電低谷發不出的電能只有通過放水解決。若能把這部分能源回收，則可大大緩解能源緊張狀況。蓄熱技術仍是目前回收未并網的小水電、風力發電的一個重要手段。在電廠中采用蓄熱裝置可以經濟地解決高峰負荷，填平需求低谷，以緩沖蓄熱方式調節機組負荷更方便。采用蓄熱裝置可以節約燃料，降低電廠的初投資和燃料費用，提高機組的運行效率和改善機組的運行條件，從而提高電廠的運行效益和改善電廠的利用率，降低排氣污染，改善環境[3]。

3.4太空太陽能動力系統蓄熱

由于目前光伏轉換效率低，難以達到較高的功率，解決辦法是基于高溫熱力學循環的動態太陽能發電系統。為了保證空間工作熱動力的連續性，太陽能的集熱、蓄熱系統可以解決無光期發電系統熱能供給的連續性。由于相變蓄熱所具有的高蓄熱密度和低的溫度波動特性，而被空間發電蓄熱系統采用[4]。

3.5 暖通空調領域

蓄能技術在暖通空調領域中的應用主要分為兩類：

一是采用相變材料與建筑圍護結構結合，如相變墻板、相變頂板和相變地板。將相變材料復合到現有建材中，可以在建筑承重增加較小的條件下有效增大建筑熱慣性，減小室內溫度波動，增加室內環境舒適性。

二是利用相變材料直接蓄能用于供暖或空調系統。如在國防工程內部電站余熱利用中，采用相變蓄熱材料石蠟來儲存發電機組產生的余熱，需要時將這些熱能用于空氣加熱，節約了能源，提高了能源的再利用率[5]。

3.6 其他應用

蓄熱在醫藥工業中也有廣泛應用。血液運送、熱與冷治療過程中，溫度維持就需要利用溫控蓄熱材料來調節。蓄熱技術也可以應用于農業中，來調控農作物生長所需適宜的溫室溫度；應用于紡織服裝中以增強服裝的保暖功能。另外，敏感性強的電子設備間的溫度維持，食品、化學藥品或試劑等的運輸、儲存、零售中的熱保護，電子設備、集成塊的散熱，人造衛星、宇宙航行和軍事武器系統的溫度控制等場合，都需要蓄熱技術提供支持[6]。

4.結語

隨著人類對節約能源和環境保護的重視，對蓄熱技術的需求越來越強烈。蓄熱技術在節能，工程保溫材料，航空和航天器材，貯能炊具等方面都將展示出廣闊的應用前景。今后研究的主要方向是制備出具有更多功能的新型相變材料，如導電相變材料，形狀記憶相變材料等。將納米技術與復合相變材料的制備相結合，制備高效的納米復合相變材料也是蓄熱技術領域的一個新熱點。

參考文獻

[1] 孫志林、屈宗長.相變蓄熱技術在太陽能熱泵中的應用[J]. 制冷與空調，2006.6（6），44-48.

[2] 王坤.太陽能建筑供暖和蓄熱系統的研究[D].江蘇大學，2009.

[3] 崔海亭、袁修干、侯欣賓.蓄熱技術的研究進展與應用[J].化工進展，2002.21（1）.23-25.

[4] 王永川、陳光明、洪峰、張海峰.組合相變蓄熱材料應用于太陽能供暖系統[J].熱力發電，2004（2）.7-9，37.

[5] 齊琦、姜益強、馬最良.相變蓄熱材料及其在暖通空調領域中的應用[J].建筑熱能通風空調，2006，25（3）.17-19.26.

[6] 左遠志、丁靜、楊曉西.中溫相變蓄熱材料研究進展[J].現代化工，2005.25（12）.15-19