相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用分析

杜輝

摘?要：在時代發展與科技進步的大背景下，太陽能等清潔能源日益受到人們的重視，太陽能供暖系統在國內逐步普及、推廣開來。但太陽能供暖系在運行過程中，始終存在著無法穩定、連續供暖的問題;惟有做好熱能儲存，才可解決這一難題。在太陽能供暖系統中積極應用相變蓄熱材料，可以幫助太陽能系統實現高效率的熱能儲存與熱能利用。本文將就此方面展開論述、分析。

關鍵詞：相變蓄熱;太陽能供暖系統;相變蓄熱材料;應用

隨著社會的發展，國內建筑能耗也在不斷增長。據統計，2018年全國社會總能耗達46.4億噸標準煤，其中建筑能耗占比達20%～33.3%，全國建筑碳排放量超過20億噸。建筑在運行過程中不僅消耗了大量化石燃料，而且還產生了嚴重的環境污染問題。當前，我國正在致力于建設資源節能型、環境友好型社會，因此，應當在建筑中大力推廣太陽能等清潔能源。而推廣太陽能技術，特別是在供暖系統中，又需要主動應用相變蓄熱材料。

一、相變蓄熱

常見的熱能儲存方式，可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、化學反應蓄熱。顯熱蓄熱技術主要有水蓄熱技術與巖石床蓄熱技術，這種蓄熱方式需要采用必要的保溫措施，熱量耗散大，蓄熱容量小、工作溫度低，傳輸距離短。潛熱蓄熱利用吸收或釋放潛熱來達到蓄熱目的，這種蓄熱方式同樣需要采用必要的保溫措施，在長期儲存熱能時熱量耗散較大，蓄熱容量適中、工作溫度低、傳輸距離較短。化學反應蓄熱主要利用可逆化學反應的熱效應來進行蓄熱，這種蓄熱方式不需要采用保溫措施，熱量耗散較小、蓄熱容量較大、工作溫度較高、傳輸距離較長。

在進行潛熱蓄熱的過程中，物質會由固定轉變為液態、或由液態轉變為氣態，釋放出相變熱（熔解熱或汽化熱）。因此，潛熱蓄熱又稱為相變蓄熱。相變蓄熱又可分為固態-固態相變、固態-液態相變[1]。相較于顯熱蓄熱，采用相變蓄熱可以增加更大的蓄熱量;相較于化學反應蓄熱，相變蓄熱的成本較低，因此，相變蓄熱日益受到人們的重視。

二、相變蓄熱材料

相變蓄熱材料的種類有很多，如：水，其熔點為0℃，其熔化熱達333kJ·kg-1，其熱導率達0.612W·m-1·k-1，其密度為998kg·m-3;氯化鉀結晶水（liCl03·3H2O），其熔點為8.1℃，其熔化熱達253kJ·kg-1，其密度為1720kg·m-3;氟化鉀結晶水（KF·4H2O），其熔點為18.5℃，其熔化熱達231kJ·kg-1，其密度為1447kg·m-3;氫氧化鋇結晶水（Ba（OH）2·8H2O），其熔點為78℃，其熔化熱達265.7kJ·kg-1，其熱導率達0.653W·m-1·k-1，其密度為1937kg·m-3;等等。

三、在太陽能供暖系統中應用相變蓄熱材料

（一）太陽能供暖系統

太陽能供暖系統，由太陽能集熱器、供暖管道、散熱設備、貯熱設備、輔助熱源等組成。該系統通過集熱器采集太陽光輻射能，加熱其中的熱媒，熱媒再沿供熱管道輸入散熱設備，為用戶提供熱能[2]。據分析，在建筑能耗中，暖通能耗占比超過三分之一。大力推廣太陽能供暖系統，可以有效降低建筑能耗。

但太陽能供暖系統在運行過程中，會受到陰雨、多云、暗夜的影響，無法穩定、連續地為用戶輸出熱能。這就需要我們開動腦筋想辦法，積極應用相變蓄熱材料。

（二）在太陽能供暖系統中應用相變蓄熱材料

1.選擇相變蓄熱材料

在太陽能供暖系統中，宜選擇含水硫酸鈉（NA2SO4·10H20）充當相變蓄熱材料。含水硫酸鈉的熔點達31℃，熔解熱達220.8kj/kg，密度達1440kg/m3，固相比熱達1.95kj/kg·℃，液相比熱達3.355kj/kg·℃;其熔點溫度適中，其體積較小，其熱導率較高，便于施工[3]。選擇含水硫酸鈉，可選用十二烷基苯碘酸鈉作為防相分離劑，選用硼砂作為防過冷劑。

2.計算相變蓄熱材料用量

設相變蓄熱材料質量為m（單位為kg），材料的相變溫度為a（單位為℃），材料的最初溫度為b（可取值為20℃），材料升溫后的最終溫度為c（單位為℃），材料液相比熱容為Cl（單位為kj/kg·℃），材料固相比熱容為Cs（單位為kj/kg·℃），材料在蓄熱過程中儲存的熱量為Q（單位為kj），相變潛熱為X（單位為kj/kg），則相變蓄熱材料的用量為：

m=Q/（（a-b）·Cs+X+（c-a）·Cl）

3.充分利用水硫酸鈉進行相變蓄熱

太陽能集熱器接受到的熱能傳輸至水硫酸鈉，經過5小時持續加熱，水硫酸鈉會基本熔化，蓄積熱能[4];入夜后，太陽能集熱器停止加熱，水硫酸鈉則向用戶的房間釋放出蓄積的熱量，進行供熱，使室內溫度保持在27℃左右;在散熱過程中，水硫酸鈉逐漸凝固。第二天日出后水硫酸鈉再次受到加熱，開始新的蓄熱。

四、結語

太陽能技術是一個系統工程，需要做好各個方面的協調、配合，需要管控好各個細節。在太陽能供暖系統中應用相變蓄熱材料，可以節約太陽能供暖系統的運行成本，提高太陽能供暖系統的運行時間;因此，相變蓄熱材料值得大力推廣。

參考文獻：

[1]劉巖，傅振鶴.太陽能相變蓄熱新風供暖系統研究[J].山東工業技術，2019（14）：78.

[2]孟娟，吳文瀟，成蒙，關欣.強化太陽能相變蓄熱技術的研究進展[J].新能源進展，2019，7（02）：155-160.

[3]陳彥康，張華，王子龍，張喬丹，梁浩.相變材料太陽能蓄熱水箱熱特性實驗研究[J].制冷學報，2019，40（02）：105-112.

[4]何峰，李廷賢，姚金煜，王如竹.基于相變儲熱的太陽能多模式采暖系統及應用[J].儲能科學與技術，2019，8（02）：311-318.