相變蓄熱材料在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

杜輝

摘?要：在時(shí)代發(fā)展與科技進(jìn)步的大背景下，太陽(yáng)能等清潔能源日益受到人們的重視，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)逐步普及、推廣開(kāi)來(lái)。但太陽(yáng)能供暖系在運(yùn)行過(guò)程中，始終存在著無(wú)法穩(wěn)定、連續(xù)供暖的問(wèn)題;惟有做好熱能儲(chǔ)存，才可解決這一難題。在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中積極應(yīng)用相變蓄熱材料，可以幫助太陽(yáng)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率的熱能儲(chǔ)存與熱能利用。本文將就此方面展開(kāi)論述、分析。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱;太陽(yáng)能供暖系統(tǒng);相變蓄熱材料;應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)建筑能耗也在不斷增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)社會(huì)總能耗達(dá)46.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中建筑能耗占比達(dá)20%～33.3%，全國(guó)建筑碳排放量超過(guò)20億噸。建筑在運(yùn)行過(guò)程中不僅消耗了大量化石燃料，而且還產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。當(dāng)前，我國(guó)正在致力于建設(shè)資源節(jié)能型、環(huán)境友好型社會(huì)，因此，應(yīng)當(dāng)在建筑中大力推廣太陽(yáng)能等清潔能源。而推廣太陽(yáng)能技術(shù)，特別是在供暖系統(tǒng)中，又需要主動(dòng)應(yīng)用相變蓄熱材料。

一、相變蓄熱

常見(jiàn)的熱能儲(chǔ)存方式，可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、化學(xué)反應(yīng)蓄熱。顯熱蓄熱技術(shù)主要有水蓄熱技術(shù)與巖石床蓄熱技術(shù)，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(lái)達(dá)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(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能時(shí)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(xué)反應(yīng)蓄熱主要利用可逆化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)來(lái)進(jìn)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(zhǎng)。

在進(jìn)行潛熱蓄熱的過(guò)程中，物質(zhì)會(huì)由固定轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)、或由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，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(tài)-固態(tài)相變、固態(tài)-液態(tài)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(xué)反應(yīng)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(diǎn)為0℃，其熔化熱達(dá)333kJ·kg-1，其熱導(dǎo)率達(dá)0.612W·m-1·k-1，其密度為998kg·m-3;氯化鉀結(jié)晶水（liCl03·3H2O），其熔點(diǎn)為8.1℃，其熔化熱達(dá)253kJ·kg-1，其密度為1720kg·m-3;氟化鉀結(jié)晶水（KF·4H2O），其熔點(diǎn)為18.5℃，其熔化熱達(dá)231kJ·kg-1，其密度為1447kg·m-3;氫氧化鋇結(jié)晶水（Ba（OH）2·8H2O），其熔點(diǎn)為78℃，其熔化熱達(dá)265.7kJ·kg-1，其熱導(dǎo)率達(dá)0.653W·m-1·k-1，其密度為1937kg·m-3;等等。

三、在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中應(yīng)用相變蓄熱材料

（一）太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)

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

但太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到陰雨、多云、暗夜的影響，無(wú)法穩(wěn)定、連續(xù)地為用戶輸出熱能。這就需要我們開(kāi)動(dòng)腦筋想辦法，積極應(yīng)用相變蓄熱材料。

（二）在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中應(yīng)用相變蓄熱材料

1.選擇相變蓄熱材料

在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，宜選擇含水硫酸鈉（NA2SO4·10H20）充當(dāng)相變蓄熱材料。含水硫酸鈉的熔點(diǎn)達(dá)31℃，熔解熱達(dá)220.8kj/kg，密度達(dá)1440kg/m3，固相比熱達(dá)1.95kj/kg·℃，液相比熱達(dá)3.355kj/kg·℃;其熔點(diǎn)溫度適中，其體積較小，其熱導(dǎo)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(guò)冷劑。

2.計(jì)算相變蓄熱材料用量

設(shè)相變蓄熱材料質(zhì)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(guò)程中儲(chǔ)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(jìn)行相變蓄熱

太陽(yáng)能集熱器接受到的熱能傳輸至水硫酸鈉，經(jīng)過(guò)5小時(shí)持續(xù)加熱，水硫酸鈉會(huì)基本熔化，蓄積熱能[4];入夜后，太陽(yáng)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(jìn)行供熱，使室內(nèi)溫度保持在27℃左右;在散熱過(guò)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(kāi)始新的蓄熱。

四、結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要做好各個(gè)方面的協(xié)調(diào)、配合，需要管控好各個(gè)細(xì)節(jié)。在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中應(yīng)用相變蓄熱材料，可以節(jié)約太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間;因此，相變蓄熱材料值得大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉巖，傅振鶴.太陽(yáng)能相變蓄熱新風(fēng)供暖系統(tǒng)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（14）：78.

[2]孟娟，吳文瀟，成蒙，關(guān)欣.強(qiáng)化太陽(yáng)能相變蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展[J].新能源進(jìn)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(yáng)能蓄熱水箱熱特性實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2019，40（02）：105-112.

[4]何峰，李廷賢，姚金煜，王如竹.基于相變儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能多模式采暖系統(tǒng)及應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2019，8（02）：311-318.