相變蓄熱材料及其在暖通空調領域中的應用

文/戚元臣

相變蓄熱材料及其在暖通空調領域中的應用

文/戚元臣

山東省商業集團有限公司

自20世紀70年代第一次能源危機以來,人們充分認識到了節能的重要性和緊迫性。在歐美國家、日本等工業發達國家,建筑能耗大約占總能耗42%～45%,我國所占比例要少些。但隨著人民生活水平的提高,建筑能耗所占比例將越來越大。建筑能耗包括建造建筑物所用材料及設備的生產運輸能耗、施工能耗、建筑物在使用過程中的能耗以及建筑物拆除時的能耗。其中使用能耗占建筑總能耗的80%左右,主要用于室內的溫濕度控制。建筑圍護結構的熱濕傳遞性能對建筑物的能耗有著較大影響 ,近年來新型墻體材料的研制和開發成為建筑節能的熱點。

相變儲能材料；暖通空調；應用

近年來,隨著我國經濟的迅速發展和城市建設步伐的加快,建筑采暖和空調的普及率快速提高,導致暖通空調能耗的急劇上升。有關資料表明:我國暖通空調的能耗占建筑總能耗的55%以上。因此,提高能源的使用效率、開發各種儲能技術,成為暖通空調領域節能降耗的有效途徑之一。相變材料作為一種高效貯能材料,可利用其相變潛熱實現自然冷/熱源的“免費利用”以及通過“移峰填谷”來降低配電容量、提高設備的運行效率,是近年來能源科學和材料科學領域中一個前沿研究方向, 在暖通空調領域具有廣闊的應用前景。

1 相變蓄熱材料的分類及特點

蓄熱按蓄熱的方式可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學勢能蓄熱。其中潛熱蓄熱（相變蓄熱）又可分為氣—液相變蓄熱、固—氣相變蓄熱、固—液相變蓄熱、固—固相變蓄熱；相變蓄熱從材料的化學組成又可分為有機物相變蓄熱和無機物相變蓄熱。常用的相變材料主要包括水合鹽、石蠟和脂肪酸等。相變材料的選擇主要取決于相變材料的相變溫度，當相變溫度低 15 益時，可用于空調系統蓄冷，當高于90 益時可用于吸收式制冷。相變溫度在此之間的相變材料可用于太陽能供熱，同時高溫相變材料儲能可用作水下潛器和航天器的動力源。相變蓄熱材料應該具有潛熱大、導熱系數高、熔點適宜、過冷程度小、化學穩定性好、價格便宜以及無毒無腐蝕等特點。商業用的石蠟，價格便宜且蓄熱密度中等（在200kJ/kg左右），熔點范圍廣，它的化學穩定性好，無相變分離，過冷效果可忽略不計。但是它們的導熱系數低，約為0.2W/m?K，這也限制了它們的廣泛使用。因此，可采用肋片管、金屬矩陣結構、金屬填充、鋁片等方法來提高它的傳熱性能。脂肪酸的熔點在30益～65益間，研究表明，在用于室內供熱的相變蓄熱系統中，它們是比較合適的相變料材，但它們的相變潛熱只在153kJ/kg～182 kJ/kg 間。水合鹽晶體也是常用的相變材料，主要由于它的蓄熱密度高（約350MJ/m3），導熱系數高（約0.5W/m?K），價格相對便宜。如Na2SO4?10H 2 O 鹽晶體，它的熔點是32.4 益，

2 相變材料在暖通空調領域中的應用

相變蓄能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。林坤平等提出了一種帶有相變材料蓄能的地板電采暖系統，并模擬了室內空氣溫度和地面溫度的變化，結果顯示此采暖方式在房間熱負荷不大的建筑下，基本能滿足人的熱舒適性要求，有較好的應用前景。若在建筑物砌體中填充蓄熱材料，可將白天的太陽能儲存起來，以減小冬季取暖的能源消耗和費用，同時還能降低室內的溫度波動。Neeper曾對注入了脂肪酸和石蠟作為相變材料的石膏墻板的熱動態特性進行了測試。 Athienitis對大型室外測試房屋進行了實驗和數值模擬研究，相變材料封裝在墻體的石膏板內。相變材料石膏板中含有 25 豫的硬脂酸丁酯（ BS ），采用顯式微分方程模型來模擬在墻體中的瞬時傳熱。結果表明，相變材料石膏板的應用，使白天的室內最高溫度下降了 4 益，同時也降低了在夜間的熱負荷。

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，這不僅很好地解決電站降溫和熱能回收再利用問題，也節約能源，提高了能源的再利用率。陳立對相變蓄熱式太陽能熱水系統的結構、原理和運行情況進行了分析，并就此系統在工廠浴室中的應用效果作了分析，得出此熱水系統不僅節能環保，而且運行費用低，具有良好的經濟效益和社會效益。 John等提出了一種新的夜間通風的冷卻系統，采用相變材料和熱管混合的方法，它可以用于替代空調系統。在實現“削峰填谷”技術上，蓄能空調技術已經成為國際上普遍使用的調峰填谷的技術。美國、日本和歐洲許多國家在上個世紀 80 年代中期就開始大規模推廣使用蓄能空調技術，我國從上世紀 90 年代中期開始利用這項技術。蓄能空調普遍使用冰為相變蓄冷材料，也有使用相變點在 5 益以上的蓄冷材料，以便提高制冷機的效率。我國南通市中級人民法院工程中就采用了蓄能空調系統。

3 結束語

有機和無機化合物是相變材料中最重要的兩類。許多有機相變材料是非腐蝕的，化學性穩定的，無過冷或微弱過冷，與許多建筑材料都是相容的，同時單位質量的潛熱大，蒸發壓力低。它們的缺點是導熱系數低，相變時體積變化大，易燃。無機化合物單位體積的潛熱大，導熱系數高，不易燃，同時與有機化合物相比價格低，但是它易腐蝕，會產生過冷，這些會影響其相變特性。無機相變材料的應用需要成核劑和增稠劑來降低過冷和相分離。相變材料的應用也從建筑物的冷熱貯存到衛星和保暖服裝的熱貯存，所以其應用也越來越廣。由于熔點是選擇相變材料的最重要的標準，因此在選擇相變材料時，要選擇熔點合適的相變材料。同時，研制蓄熱密度大、導熱系數高、性能穩定的新型復合相變蓄熱材料也已成為國際上該研究領域的熱點和難點。

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[2]王柵,劉凱,李靜,侯景鑫.相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用[J].資源節約與環保.2016.

[3]羅萬軍,徐承立,馬洪亭.幾種主要建筑節能技術的發展現狀和應用前景[J].安徽農學通報.2007.