蓄熱技術(shù)及其應(yīng)用

程述青

摘 要：蓄熱技術(shù)是緩解人類能源危機(jī)的一種重要手段。本文首先介紹了蓄熱技術(shù)的分類和特點(diǎn)，分析了蓄熱技術(shù)在國內(nèi)外的研究情況，又闡述了它在暖通空調(diào)等領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，最后對蓄熱技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：蓄熱技術(shù)；相變；暖通空調(diào)；節(jié)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(tǒng)中，往往存在著能量供應(yīng)和需求的時(shí)間性差異，造成了能量利用的巨大浪費(fèi)。蓄熱技術(shù)是解決該問題的一種有效途徑。蓄熱技術(shù)的核心應(yīng)用在于調(diào)和熱能供給與需求在時(shí)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(jié)能、暖通空調(diào)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.蓄熱技術(shù)分類及特點(diǎn)

蓄熱技術(shù)目前主要有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱（相變蓄熱）和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種。

顯熱蓄熱是利用物質(zhì)溫度的變化來存蓄熱量的。常用的顯熱蓄熱介質(zhì)有水、水蒸氣、鵝卵石等。顯熱蓄熱介質(zhì)來源廣泛，價(jià)格低廉，系統(tǒng)簡單，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的蓄熱方式。

潛熱蓄熱是利用物質(zhì)在凝固/熔化、凝結(jié)/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(zhuǎn)化時(shí)，容積變化非常大，不易控制，在實(shí)際工程中較難應(yīng)用，目前有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的是固液相變式蓄熱。該技術(shù)的優(yōu)勢是：蓄熱密度大、相變時(shí)溫度穩(wěn)定、所用裝置簡單、體積小、設(shè)計(jì)靈活等。

化學(xué)反應(yīng)蓄熱是指利用可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱儲(chǔ)存熱能?；瘜W(xué)能蓄熱的特點(diǎn)是：可逆性好；正逆反應(yīng)轉(zhuǎn)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?zé)崮?；也無須絕熱保溫，可以長時(shí)間的蓄熱。但化學(xué)能蓄熱系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格也高。

2.蓄熱技術(shù)國內(nèi)外研究情況

20世紀(jì)30年代以來，相變蓄熱的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究在發(fā)達(dá)國家（如美國、加拿大、日本、德國等）迅速崛起。材料科學(xué)，太陽能，航天技術(shù)，建筑物空調(diào)采暖通風(fēng)及工業(yè)廢熱利用等領(lǐng)域的相互滲透與迅猛發(fā)展為相變蓄熱研究和應(yīng)用創(chuàng)造了條件。在相變蓄熱的理論和應(yīng)用研究方面，美國一直處于領(lǐng)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(shù)的迅速發(fā)展，美國NASA 大力發(fā)展了相變材料熱控技術(shù)。70 年代早期，日本三菱電子公司和東京電力公司聯(lián)合進(jìn)行了用于采暖和制冷系統(tǒng)的相變材料的研究。德國也進(jìn)行了大量相變儲(chǔ)能的機(jī)制和應(yīng)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(yīng)用研究主要集中在太空太陽能動(dòng)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)蓄熱，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱和空調(diào)蓄熱和工業(yè)余熱、廢熱回收系統(tǒng)蓄熱。相變蓄熱在太陽能熱泵的應(yīng)用研究領(lǐng)域，土耳其K. Kaygusuz 等學(xué)者研究較為深入[1]。

我國是在20世紀(jì)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(jī)水合鹽類。90年代中期，研究重點(diǎn)才轉(zhuǎn)向有機(jī)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(nèi)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(fā)研制為主。浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)在這些方面做了大量工作[2]。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國相變蓄熱材料的理論和應(yīng)用研究還較薄弱，從應(yīng)用范圍來看，國內(nèi)的蓄熱材料目前只是應(yīng)用在太陽暖房、農(nóng)用日光溫室等領(lǐng)域。在太陽能熱泵中的應(yīng)用研究還處于初始階段。

3.蓄熱技術(shù)的應(yīng)用

3.1太陽能熱儲(chǔ)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(diǎn)。但到達(dá)地球表面的太陽輻射具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性。為了保持供熱或供電裝置穩(wěn)定不間斷地運(yùn)行，就需要蓄熱裝置把太陽能儲(chǔ)存起來，在太陽能不足時(shí)再釋放出來，從而滿足生產(chǎn)和生活用能連續(xù)和穩(wěn)定供應(yīng)的需要。

3.2 工業(yè)廢熱、余熱回收

目前工業(yè)熱能儲(chǔ)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(shù)來回收儲(chǔ)存堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐的煙氣余熱以及干法熄焦中的廢熱，既節(jié)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(yè)中，燃燒廢木料的鍋爐適應(yīng)負(fù)荷的能力較差，采用蓄熱裝置后，可以提高其負(fù)荷適應(yīng)能力。在食品工業(yè)的洗滌、蒸煮和殺菌等過程中，由于負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)，采用蓄熱裝置后就能很好地適應(yīng)這種波動(dòng)。紡織工業(yè)的漂白和染色工藝過程也可采用蓄熱裝置來滿足負(fù)荷波動(dòng)[3]。

3.3電力調(diào)峰及電熱余熱儲(chǔ)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(fèi)卻非常嚴(yán)重，如我國的葛洲壩水利樞紐工程，其高峰與低谷的發(fā)電輸出功率分別為220萬kW和80萬kW，用電低谷發(fā)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(shù)仍是目前回收未并網(wǎng)的小水電、風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)重要手段。在電廠中采用蓄熱裝置可以經(jīng)濟(jì)地解決高峰負(fù)荷，填平需求低谷，以緩沖蓄熱方式調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷更方便。采用蓄熱裝置可以節(jié)約燃料，降低電廠的初投資和燃料費(fèi)用，提高機(jī)組的運(yùn)行效率和改善機(jī)組的運(yùn)行條件，從而提高電廠的運(yùn)行效益和改善電廠的利用率，降低排氣污染，改善環(huán)境[3]。

3.4太空太陽能動(dòng)力系統(tǒng)蓄熱

由于目前光伏轉(zhuǎn)換效率低，難以達(dá)到較高的功率，解決辦法是基于高溫?zé)崃W(xué)循環(huán)的動(dòng)態(tài)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。為了保證空間工作熱動(dòng)力的連續(xù)性，太陽能的集熱、蓄熱系統(tǒng)可以解決無光期發(fā)電系統(tǒng)熱能供給的連續(xù)性。由于相變蓄熱所具有的高蓄熱密度和低的溫度波動(dòng)特性，而被空間發(fā)電蓄熱系統(tǒng)采用[4]。

3.5 暖通空調(diào)領(lǐng)域

蓄能技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要分為兩類：

一是采用相變材料與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合，如相變墻板、相變頂板和相變地板。將相變材料復(fù)合到現(xiàn)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(nèi)溫度波動(dòng)，增加室內(nèi)環(huán)境舒適性。

二是利用相變材料直接蓄能用于供暖或空調(diào)系統(tǒng)。如在國防工程內(nèi)部電站余熱利用中，采用相變蓄熱材料石蠟來儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的余熱，需要時(shí)將這些熱能用于空氣加熱，節(jié)約了能源，提高了能源的再利用率[5]。

3.6 其他應(yīng)用

蓄熱在醫(yī)藥工業(yè)中也有廣泛應(yīng)用。血液運(yùn)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(diào)節(jié)。蓄熱技術(shù)也可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，來調(diào)控農(nóng)作物生長所需適宜的溫室溫度；應(yīng)用于紡織服裝中以增強(qiáng)服裝的保暖功能。另外，敏感性強(qiáng)的電子設(shè)備間的溫度維持，食品、化學(xué)藥品或試劑等的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、零售中的熱保護(hù)，電子設(shè)備、集成塊的散熱，人造衛(wèi)星、宇宙航行和軍事武器系統(tǒng)的溫度控制等場合，都需要蓄熱技術(shù)提供支持[6]。

4.結(jié)語

隨著人類對節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的重視，對蓄熱技術(shù)的需求越來越強(qiáng)烈。蓄熱技術(shù)在節(jié)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(yīng)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(dǎo)電相變材料，形狀記憶相變材料等。將納米技術(shù)與復(fù)合相變材料的制備相結(jié)合，制備高效的納米復(fù)合相變材料也是蓄熱技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 王坤.太陽能建筑供暖和蓄熱系統(tǒng)的研究[D].江蘇大學(xué)，2009.

[3] 崔海亭、袁修干、侯欣賓.蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].化工進(jìn)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(yīng)用于太陽能供暖系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電，2004（2）.7-9，37.

[5] 齊琦、姜益強(qiáng)、馬最良.相變蓄熱材料及其在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25（3）.17-19.26.

[6] 左遠(yuǎn)志、丁靜、楊曉西.中溫相變蓄熱材料研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2005.25（12）.15-19