相變蓄熱材料及其在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用

文/戚元臣

相變蓄熱材料及其在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用

文/戚元臣

山東省商業(yè)集團(tuán)有限公司

自20世紀(jì)70年代第一次能源危機(jī)以來(lái),人們充分認(rèn)識(shí)到了節(jié)能的重要性和緊迫性。在歐美國(guó)家、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,建筑能耗大約占總能耗42%～45%,我國(guó)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(lái)越大。建筑能耗包括建造建筑物所用材料及設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)輸能耗、施工能耗、建筑物在使用過(guò)程中的能耗以及建筑物拆除時(shí)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(nèi)的溫濕度控制。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕傳遞性能對(duì)建筑物的能耗有著較大影響 ,近年來(lái)新型墻體材料的研制和開發(fā)成為建筑節(jié)能的熱點(diǎn)。

相變儲(chǔ)能材料；暖通空調(diào)；應(yīng)用

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快,建筑采暖和空調(diào)的普及率快速提高,導(dǎo)致暖通空調(diào)能耗的急劇上升。有關(guān)資料表明:我國(guó)暖通空調(diào)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(fā)各種儲(chǔ)能技術(shù),成為暖通空調(diào)領(lǐng)域節(jié)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(shí)現(xiàn)自然冷/熱源的“免費(fèi)利用”以及通過(guò)“移峰填谷”來(lái)降低配電容量、提高設(shè)備的運(yùn)行效率,是近年來(lái)能源科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)前沿研究方向, 在暖通空調(diào)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 相變蓄熱材料的分類及特點(diǎn)

蓄熱按蓄熱的方式可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)勢(shì)能蓄熱。其中潛熱蓄熱（相變蓄熱）又可分為氣—液相變蓄熱、固—?dú)庀嘧冃顭?、固—液相變蓄熱、固—固相變蓄熱；相變蓄熱從材料的化學(xué)組成又可分為有機(jī)物相變蓄熱和無(wú)機(jī)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(dāng)相變溫度低 15 益時(shí)，可用于空調(diào)系統(tǒng)蓄冷，當(dāng)高于90 益時(shí)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(yáng)能供熱，同時(shí)高溫相變材料儲(chǔ)能可用作水下潛器和航天器的動(dòng)力源。相變蓄熱材料應(yīng)該具有潛熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、熔點(diǎn)適宜、過(guò)冷程度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜以及無(wú)毒無(wú)腐蝕等特點(diǎn)。商業(yè)用的石蠟，價(jià)格便宜且蓄熱密度中等（在200kJ/kg左右），熔點(diǎn)范圍廣，它的化學(xué)穩(wěn)定性好，無(wú)相變分離，過(guò)冷效果可忽略不計(jì)。但是它們的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)、金屬填充、鋁片等方法來(lái)提高它的傳熱性能。脂肪酸的熔點(diǎn)在30益～65益間，研究表明，在用于室內(nèi)供熱的相變蓄熱系統(tǒng)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(dǎo)熱系數(shù)高（約0.5W/m?K），價(jià)格相對(duì)便宜。如Na2SO4?10H 2 O 鹽晶體，它的熔點(diǎn)是32.4 益，

2 相變材料在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用

相變蓄能在暖通空調(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。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(tǒng)，并模擬了室內(nèi)空氣溫度和地面溫度的變化，結(jié)果顯示此采暖方式在房間熱負(fù)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(yīng)用前景。若在建筑物砌體中填充蓄熱材料，可將白天的太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，以減小冬季取暖的能源消耗和費(fèi)用，同時(shí)還能降低室內(nèi)的溫度波動(dòng)。Neeper曾對(duì)注入了脂肪酸和石蠟作為相變材料的石膏墻板的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試。 Athienitis對(duì)大型室外測(cè)試房屋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，相變材料封裝在墻體的石膏板內(nèi)。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(lái)模擬在墻體中的瞬時(shí)傳熱。結(jié)果表明，相變材料石膏板的應(yīng)用，使白天的室內(nèi)最高溫度下降了 4 益，同時(shí)也降低了在夜間的熱負(fù)荷。

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(guó)防工程內(nèi)部電站余熱利用中，采用相變蓄熱材料石蠟來(lái)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，這不僅很好地解決電站降溫和熱能回收再利用問(wèn)題，也節(jié)約能源，提高了能源的再利用率。陳立對(duì)相變蓄熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和運(yùn)行情況進(jìn)行了分析，并就此系統(tǒng)在工廠浴室中的應(yīng)用效果作了分析，得出此熱水系統(tǒng)不僅節(jié)能環(huán)保，而且運(yùn)行費(fèi)用低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 John等提出了一種新的夜間通風(fēng)的冷卻系統(tǒng)，采用相變材料和熱管混合的方法，它可以用于替代空調(diào)系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”技術(shù)上，蓄能空調(diào)技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際上普遍使用的調(diào)峰填谷的技術(shù)。美國(guó)、日本和歐洲許多國(guó)家在上個(gè)世紀(jì) 80 年代中期就開始大規(guī)模推廣使用蓄能空調(diào)技術(shù)，我國(guó)從上世紀(jì) 90 年代中期開始利用這項(xiàng)技術(shù)。蓄能空調(diào)普遍使用冰為相變蓄冷材料，也有使用相變點(diǎn)在 5 益以上的蓄冷材料，以便提高制冷機(jī)的效率。我國(guó)南通市中級(jí)人民法院工程中就采用了蓄能空調(diào)系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物是相變材料中最重要的兩類。許多有機(jī)相變材料是非腐蝕的，化學(xué)性穩(wěn)定的，無(wú)過(guò)冷或微弱過(guò)冷，與許多建筑材料都是相容的，同時(shí)單位質(zhì)量的潛熱大，蒸發(fā)壓力低。它們的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，相變時(shí)體積變化大，易燃。無(wú)機(jī)化合物單位體積的潛熱大，導(dǎo)熱系數(shù)高，不易燃，同時(shí)與有機(jī)化合物相比價(jià)格低，但是它易腐蝕，會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷，這些會(huì)影響其相變特性。無(wú)機(jī)相變材料的應(yīng)用需要成核劑和增稠劑來(lái)降低過(guò)冷和相分離。相變材料的應(yīng)用也從建筑物的冷熱貯存到衛(wèi)星和保暖服裝的熱貯存，所以其應(yīng)用也越來(lái)越廣。由于熔點(diǎn)是選擇相變材料的最重要的標(biāo)準(zhǔn)，因此在選擇相變材料時(shí)，要選擇熔點(diǎn)合適的相變材料。同時(shí)，研制蓄熱密度大、導(dǎo)熱系數(shù)高、性能穩(wěn)定的新型復(fù)合相變蓄熱材料也已成為國(guó)際上該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

[1]朱傳輝,李保國(guó).相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽(yáng)能采暖的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)材料進(jìn)展.2017.

[2]王柵,劉凱,李靜,侯景鑫.相變蓄熱材料在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].資源節(jié)約與環(huán)保.2016.

[3]羅萬(wàn)軍,徐承立,馬洪亭.幾種主要建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào).2007.