相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用

謝毅，賈兵，郝慶英，賀立三，胡國華(河南省科學院能源研究所有限公司，河南 鄭州 450008)

0 引言

現代化建筑設計與建設開始大量應用可再生資源，太陽能作為最常見的一種建筑能源，設計太陽能供暖系統，不僅可以節約能源，還有利于提升生活質量。當前設計太陽能供暖系統，考慮到取暖、空調帶來的能耗比較大，在建筑總能耗中達到50%～70%，為了緩解該問題開始采用相變蓄熱材料，該材料屬于相變儲能節能技術范疇，在建筑節能中十分常見。相變蓄熱材料儲存、釋放能量之后，可以減小室內溫度大幅度波動，優化室內供熱，實現節能減排。相變蓄熱材料本身的熱密度比較大，相變時材料能夠恒溫穩定輸出熱量，而且與之相關的裝置結構、操作也非常簡單，在太陽能供暖系統設計與建筑節能領域的應用比較普遍。

1 相變蓄熱材料性能與選擇

無論是建筑行業，還是社會發展，均面臨能源、環境這兩點問題，提高能源利用率，減少能源浪費，是目前建筑節能減少戰略目標實現的根本[1]。建筑領域現階段對太陽能這一類可再生資源給予極大的重視，而且為了實現太陽能資源利用效果的最大化，專門設計太陽能供暖系統，提升生活品質、促進經濟發展。相變蓄熱材料作為節能材料的一種，涉及到諸多類型，例如：水、氯化鉀結晶水、氟化鉀結晶水、氫氧化鋇結晶水，各個材料性能如表1所示。

表1 相變蓄熱材料性能

選擇相變蓄熱材料，為了滿足太陽能供暖系統運行要求，需要滿足如下要求：(1)相變溫度適中；(2)相變潛熱大；(3)導熱系數大；(4)穩定性能強；(5)不會和容器產生化學反應。因為無機相變蓄熱材料本身存在腐蝕性，所以選擇材料封裝容器，需要重點分析其容器與材料之間的相容性，保證材料本身不會腐蝕容器[2]。與此同時，相變材料體積膨脹率小，價格方面具有經濟性特點，在太陽能供暖系統中應用不會產生毒性，憑借以上特性也決定了該材料在建筑領域的重要性。

2 相變蓄熱材料應用原理

相變蓄熱材料通過物質的相變會產生相變熱，這是儲存、再利用熱量的必要條件。對比顯熱蓄熱材料，相變蓄熱材料的蓄熱密度更高，一般可達200 kJ/kg甚至更高，恒溫環境下利用相變可釋放大量的熱量，憑借其蓄熱與放熱功能、近似等溫、可控制等諸多優勢，可以使太陽能供暖系統節能效果更為理想。

相變蓄熱材料在建筑節能領域已經成為關注的焦點，通常CaCl2·6H2O、C2H3NaO2·3H2O、有機醇比較常用[3]。基于有機相變材料這一角度，如果熔化—凝固循環持續性的進行，熔點、潛熱值會隨之降低，水合鹽這一類型的相變材料可能會出現過冷、相分層等問題，尤其是在凝固時降低成核性能，這些問題需要在太陽能供暖系統運行與相變蓄熱材料應用中重點分析、解決。根據當前水合鹽成核原理的分析，成核劑、水合鹽晶格參數的差異小于15%，那么起成核效果也非常理想，但是該理論并不適合所有水合鹽成核劑。

3 太陽能供暖系統中的相變蓄熱材料與使用

3.1 在系統運行中的應用

太陽能供暖系統中包含了集熱器、散熱與貯熱裝置、供熱管道和輔助熱源，集熱器可以將太陽光中的敷設能加以采集，對熱媒進行加熱處理，隨之熱媒經過供熱管道進入到散熱設備，從而提供建筑需要的熱能。建筑所有消耗的能源當中，暖通能耗占比超過了35%，設計并運行太陽能供暖系統有利于減小能源耗損。然而系統運行期間，如果天氣條件欠佳可能會降低熱能輸出的穩定性與持續性。此時應用相變蓄熱材料非常必要，材料本身具有良好的蓄熱功能，而且相變溫度近似恒定，所以在陰雨、多云等天氣條件下也可以滿足用戶對熱能的需求。例如將1 kg冰熔化之后吸收熱量可以提高相同質量水的溫度，而且每提高1 ℃，會消耗80倍熱量，可見太陽能供暖系統與相變蓄熱材料融合，有利于能源的持續利用。

3.2 材料種類的選擇

太陽能供暖系統中應用相變蓄熱材料，必須要有水硫酸鈉，該化學物質可以直接作為相變蓄熱材料運用[4]。水硫酸鈉熔點為31 ℃，密度為1 440 kg/m3，溶解熱是220.8 kJ/kg，固相比熱為1.95 kJ/(kg·℃)，而且液相比熱為3.355 kJ/(kg·℃)，由此總結其熔點溫度適合太陽能供暖系統要求，整體體積比較小，熱導率高，對于建筑中的太陽能供暖系統的創建、運行有非常便利的條件。挑選水硫酸鈉之后，還需要選擇防相分離劑、防過冷劑，一般以十二烷基苯碘酸鈉、硼砂為主[5]。

3.3 材料用量的計算

科學選擇相變蓄熱材料，為了達到最佳應用效果需要準確計算材料用量。可將相變蓄熱材料的質量假設為m，相變溫度設定為a，初始溫度設定為b，建議取值20 ℃，溫度升高之后的最終溫度設定為c，固相比熱容假設為Cs(kJ/(kg·℃))，液相比熱容假設為CI(kJ/(kg·℃))，蓄熱期間材料儲存熱量假設為Q(kJ)，而相變潛熱則假設為X(kJ/kg)。按照公式m=Q/((a-b)·Cs+X+(c-a)·CI計算即可得出最佳材料用量。

3.4 水硫酸鈉的應用

太陽能供暖系統內部包括集熱器，當集熱器接收熱能后，傳輸給水硫酸鈉，隨后便會進行持續性加熱，加熱時間約為5 h，在這一過程中水硫酸鈉不斷熔化，而且蓄積熱能。進入到夜晚之后太陽能內部集熱器便會中斷加熱，此時水硫酸鈉開始向室內釋放白天蓄積的熱量，達到供暖的效果，一般室內溫度維持27 ℃。后期散熱階段，水硫酸鈉便會開始凝固，待第二天太陽重新升起，水硫酸鈉開始重新加熱，由此不斷循環這一過程。

4 相變蓄熱材料應用與發展趨勢

在全球經濟飛速發展的當下，能源緊缺問題已經越來越嚴峻，尤其是建筑領域面臨的這個問題。傳統建筑模式的長期應用，不僅導致能源資源緊缺，還會危害到自然環境與生態環境質量。為此，為了能夠進一步緩解相關問題，建筑領域開始踐行節能減排戰略，將節能環保作為當前乃至于今后的發展目標。太陽能是建筑領域最為重要的能源之一，應用太陽能供暖系統，是在傳統供暖模式基礎上創新的一種節能形式，其間應用相變蓄熱材料，在物質本身相變性能基礎上便可以儲存、釋放能量，實現太陽能資源的循環利用，而且這在全球氣候變暖的大環境下，也是值得推廣與普及的一種有效方法。

基于當前相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用經驗，今后相變蓄熱材料與相關技術將會在更多行業領域得到應用。特別是作為節能環保型材料，在生態環境保護目標要求下，也那會為建筑工程保溫、貯能設備研發與設計等提供支持。由此可見，相變蓄熱材料不僅是相變蓄熱技術的應用關鍵點，也是當前社會發展的重要著手點。

5 結語

綜上所述，太陽能供暖系統作為當前建筑行業節能減排的有效手段，為了優化節能效果，應用相變蓄熱材料非常重要。相變蓄熱材料與系統結合之后，可以達到儲藏、釋放能量的效果，提高太陽能資源利用率，也可以滿足用戶室內溫度要求，減少傳統供暖模式導致的能源大量耗損，推動建筑行業加快實現節能減排。