低溫?zé)o機(jī)相變儲(chǔ)能材料的制備及其在清潔供暖中的應(yīng)用研究

劉碩

（上海旭能新能源科技有限公司，上海 201112）

能源是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力源泉。當(dāng)前，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻變革，光伏、風(fēng)電快速進(jìn)入歷史舞臺(tái)，世界各大國(guó)也均提出了碳排放目標(biāo)，向“碳中和”發(fā)展。更關(guān)鍵的是，全球范圍內(nèi)可再生能源目標(biāo)的占比被不斷上調(diào)和提前。然而可再生能源，諸如光伏、風(fēng)電等新能源均具有波動(dòng)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，能源產(chǎn)生與能源利用具有時(shí)間和空間上的不匹配性，而儲(chǔ)能可以更好的解決這個(gè)問(wèn)題。在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，蓄熱尤其是相變儲(chǔ)熱技術(shù)，作為一種有效利用能源的方法受到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注，在清潔供暖、建筑節(jié)能、余熱利用、溫度控制等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。

1 相變儲(chǔ)能材料的制備

1.1 相變儲(chǔ)能材料配方開發(fā)

根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景，選擇低溫類無(wú)機(jī)鹽相變材料作為儲(chǔ)能介質(zhì)，無(wú)機(jī)類相變儲(chǔ)熱材料相比有機(jī)類相變儲(chǔ)熱材料具有儲(chǔ)熱密度更高、導(dǎo)熱系數(shù)更大的特點(diǎn)，同時(shí)兼具低成本，不易燃燒的特點(diǎn)。但此類低溫類無(wú)機(jī)相變材料具有易過(guò)冷、循環(huán)易分層的缺點(diǎn)[2]，導(dǎo)致能在實(shí)際應(yīng)用中的材料比較少。

在本文中，具體選擇的材料如下：焦磷酸鈉：食品級(jí)，河北格貝達(dá)生物科技有限公司，水：去離子水，十水硫酸鈉：分析級(jí)，上海國(guó)藥集團(tuán)，黃原膠：食品級(jí)。

在本文中，通過(guò)try and error 的方法[3]，對(duì)相變主體材料配方進(jìn)行了開發(fā)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，材料質(zhì)量百分為焦磷酸鈉：水：十水硫酸鈉：黃原膠=59.8%：39%：0.7%：0.5%具有較好的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。

1.2 相變材料的制備

相變材料的制備主要通過(guò)物理混合的手段實(shí)現(xiàn)均勻分散，首先將焦磷酸鈉、水、十水硫酸鈉置于容器中，同時(shí)將盛料容器置于80 度左右的恒溫水浴鍋中，通過(guò)電動(dòng)攪拌機(jī)（常州市人和儀器廠型號(hào)RH-6)，設(shè)定攪拌速度約100 轉(zhuǎn)/min，預(yù)先攪拌10min，然后將黃原膠通過(guò)加料口加入，攪拌速度提升至200 轉(zhuǎn)/min，繼續(xù)攪拌15min。

1.3 相變儲(chǔ)能材料性能研究

由于材料的相變行為特征及材料與容器材質(zhì)的兼容性均是影響產(chǎn)品性能的重要因素，所以作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，主要材料性能研究如下：

1.3.1 材料相變行為分析

通過(guò)采用恒溫水浴鍋?zhàn)鳛榧訜釤嵩矗訜釡囟仍O(shè)定為90度），自來(lái)水（恒溫25 度）作為冷源，采用數(shù)據(jù)采集儀（型號(hào)：CENTER309），對(duì)材料的相變行為進(jìn)行步冷曲線測(cè)試，其循環(huán)情況如圖1～3 所示。

圖1 NO.82 循環(huán)

圖2 配方前117 次步冷循環(huán)

圖3 步冷曲線熔點(diǎn)平臺(tái)與降溫平臺(tái)溫度隨循環(huán)次數(shù)的變化

可以看出，升降溫平臺(tái)不一致，說(shuō)明材料存在整體過(guò)冷的特性。經(jīng)過(guò)超過(guò)100 次的循環(huán)，材料的相變溫度波動(dòng)范圍小于1攝氏度，保持了較好的循環(huán)的穩(wěn)定性。

1.3.2 材料腐蝕性

從經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的角度考慮，重點(diǎn)研究分析了配方材料與304不銹鋼及銅的兼容性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先洗凈不同規(guī)格尺寸的銅管和不銹鋼管備用，記錄各項(xiàng)尺度參數(shù)并稱重，分別置于耐高溫塑料瓶中，瓶?jī)?nèi)倒入液態(tài)配方材料，將實(shí)驗(yàn)瓶移到烘箱中（烘箱設(shè)定加熱保溫溫度90℃），記錄保溫開始時(shí)間及液態(tài)保溫時(shí)間，每隔一段時(shí)間拿出洗凈觀察、稱量并計(jì)算腐蝕速率，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5 所示。

圖4 不同時(shí)段不銹鋼腐蝕變化組圖

圖5 不同時(shí)段銅管腐蝕變化組圖

可以看出，不銹鋼基本沒(méi)有腐蝕，銅表面顏色變化不大，雖然出現(xiàn)了少數(shù)黑色斑點(diǎn)，這與拿出清洗時(shí)，銅被氧化有關(guān)聯(lián)，腐蝕速度出現(xiàn)符號(hào)（正負(fù)）的轉(zhuǎn)變也能從側(cè)面印證這一點(diǎn)。金屬材質(zhì)的階段腐蝕速度見表1、表2，可以看出腐蝕速率非常低，基本可以滿足應(yīng)用需求。

表1 不銹鋼階段腐蝕速率

表2 銅管階段腐蝕速率

2 相變儲(chǔ)能材料在清潔供暖中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概述

項(xiàng)目基本情況簡(jiǎn)介：天津津塔建筑面積205000m2，以往冬季采用市政熱水作為采暖熱源，經(jīng)熱力公司核算，天津津塔項(xiàng)目每個(gè)采暖季采暖費(fèi)用達(dá)到960 萬(wàn)元。

熱力公司采暖費(fèi)按照全天24 小時(shí)不間斷供熱收取，而根據(jù)天津津塔的使用功能，用熱時(shí)間集中在早10 點(diǎn)至晚10 點(diǎn)的12小時(shí)商場(chǎng)開業(yè)時(shí)間，其余時(shí)間僅需提供商場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備防凍熱量，熱力公司也會(huì)在夜間控制天津津塔的供熱量，而由于熱力公司并不熟悉天津津塔夜間的實(shí)際需熱情況，導(dǎo)致在15-16 采暖季極寒天氣條件下出現(xiàn)了建筑物內(nèi)消防水管凍破的情況，在此情況下每個(gè)采暖季960 萬(wàn)元的采暖費(fèi)用大大超過(guò)了實(shí)際的用熱成本。

2.2 相變儲(chǔ)能供暖系統(tǒng)

相變儲(chǔ)能供暖系統(tǒng)主要基于一類高效相變儲(chǔ)能裝置——熱庫(kù)而開發(fā)出的一套應(yīng)用系統(tǒng)，采用“移峰填谷”的技術(shù)。具體而言，整個(gè)系統(tǒng)依托相變材料儲(chǔ)能技術(shù)可以有效緩解能源制備及使用存在的時(shí)空不匹配的特點(diǎn)，利用各種可再生能源比如風(fēng)電、光伏發(fā)電或者廉價(jià)的谷電進(jìn)行能源儲(chǔ)存，在白天高峰用能時(shí)刻進(jìn)行釋放。在具體的商業(yè)應(yīng)用案例中，主流是應(yīng)用谷電進(jìn)行供暖，其基本工作原理如下：在谷電時(shí)段電鍋爐開始加熱，通過(guò)充熱循環(huán)系統(tǒng)給相變儲(chǔ)能熱庫(kù)充熱；供暖時(shí)段，電鍋爐停止加熱，通過(guò)放熱循環(huán)釋放熱庫(kù)儲(chǔ)存的熱量為末端供暖。在極端天氣時(shí)的平電時(shí)段，電鍋爐開啟補(bǔ)充部分熱量供暖；若夜間末端需要供暖，由電鍋爐直接供暖[4]，系統(tǒng)原理圖見圖6。

在2.1 中提到的天津津塔供暖項(xiàng)目，項(xiàng)目完成方江蘇啟能新能源材料有限公司采用熱庫(kù)180 臺(tái)（單臺(tái)熱庫(kù)儲(chǔ)熱量約180kwh），1300KW 電鍋爐4 臺(tái)，1200KW 鍋爐1 臺(tái)。供熱時(shí)間為早8 點(diǎn)至下午17 點(diǎn)，其余時(shí)間為防凍運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)低溫運(yùn)行。

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 產(chǎn)品實(shí)際工程應(yīng)用狀態(tài)

通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)，隨機(jī)抽取一天的數(shù)據(jù)，單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)熱庫(kù)的材料溫升曲線仍然保持較好的充放熱特性，過(guò)冷度小，這也與供熱循環(huán)系統(tǒng)的供水回水溫度相呼應(yīng)，從項(xiàng)目運(yùn)行端實(shí)際供回水溫度來(lái)看，供熱循環(huán)系統(tǒng)大概維持了5 度左右的充放熱溫差。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

項(xiàng)目經(jīng)過(guò)兩個(gè)完整采暖季的運(yùn)行，供熱效果達(dá)到預(yù)期，系統(tǒng)運(yùn)行基本平穩(wěn)，節(jié)能效益顯著。表3是2017～2018 年度實(shí)際運(yùn)行采暖費(fèi)用。

表3 運(yùn)行采暖費(fèi)用對(duì)比

從表3 可以看出，實(shí)際節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用522.54 萬(wàn)元，節(jié)約比例約為54.4%，超過(guò)預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了極佳的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)出一類新型相變儲(chǔ)能材料，具有儲(chǔ)熱密度大、過(guò)冷度小及金屬兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。在產(chǎn)品的實(shí)際工程應(yīng)用中，通過(guò)集成相變儲(chǔ)能單元——熱庫(kù)，充分利用峰谷電價(jià)差的特點(diǎn)，有效的降低了用戶側(cè)的用能成本，在當(dāng)前“3060 碳中和”的大背景下，對(duì)于在清潔電采暖領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。

關(guān)于行業(yè)的發(fā)展，可以從廣度和深度兩個(gè)維度去看，廣度上，需要充分考慮相變材料兩個(gè)主要特征，一是可以儲(chǔ)存熱量，二是釋熱溫度恒定，因此可以從儲(chǔ)熱及控溫兩個(gè)方向去推廣產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。從深度上看，隨著各類儲(chǔ)能技術(shù)的不斷迭代更新，如何進(jìn)一步提升材料體系的儲(chǔ)能能力，降低單位儲(chǔ)能產(chǎn)品的制造成本成為了一個(gè)主要挑戰(zhàn)，目前在這一方向上，國(guó)內(nèi)外主流研究和企業(yè)均將目光投向了儲(chǔ)能密度更高的化學(xué)相變儲(chǔ)熱，但仍未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的案例。