1、相变储能材料在供暖系统中的应用综述摘要: 介绍了相变储能材料的种类及其应用选择，并对相变储热材料在供暖系统中的应用进行了综述。最后对供暖中应用相变储能材料中存在的问题进行了分析和探讨。 关键词：相变材料；储热；供暖系统 中图分类号：TE44 文献标识码： A 进入二十一世纪以来,全球性的能源枯竭日益突出,常规能源可开采量已屈指可数。太阳能是一个巨大的、可再生的、无污染的能源,并且以其安全、经济等优点,成为了开发利用可再生能源中的重要组成部分。然而太阳能的间歇性、不稳定性等条件因素，使得研究进入了寻找如何获得可靠的、性能稳定的储热材料。因此，对于太阳能热泵系统而言，相变储热材料的研究变得十分重要
2、。 作为将相变储热材料制作成储能模块与地板低温辐射采暖相结合,利用太阳能热泵低品位廉价热源为该系统提供热量,不仅可以提高室内舒适性,还能够有非常显著的节能效应。 1 相变储能材料的研究 相变储能材料（PCM）的研究，具体指相变机理，相变材料的制备技术，相变材料的物理性质、使用寿命以及稳定性等。 由于机理不同，相变可分为扩散型相变（如脱溶、珠光体转变等） 、无扩散型转变（如马氏体转变） 、贝氏体型相变、块型转变（G-M 转变） 、有序-无序转变、亚稳态分解以及晶化等。 根据相变形态变化，相变材料可以三类：固-液、固-固和复合定形相变材料。 1.1 固-液相变储能材料 固-液相变蓄热储能材料是三种
3、材料中研究相对成熟的、应用较广的一类。目前研究最多固-液相变储能材料的主要有三类：无机类相变储能材料、有机类相变储能材料以及复合相变储能材料。 （1）无机物相变储能材料：主要包括结晶水合盐类、熔融盐类、金属及其合金和氟化物等。其中最典型的是结晶水合盐类，结晶水合盐提供了熔点从几摄氏度到一百多摄氏度的可供选择的相变材料。它们有比较大的熔解热和固定的熔点（实际是脱出结晶水的温度） ，脱出的结晶水使盐溶解而吸热，降温时其发生逆过程，吸收结晶水而放热1。 （2）有机物相变储能材料：常见的有多元醇、石蜡、脂肪酸以及其它有机物2。其中最典型的材料是石蜡：它是由直链烷烃混合形成的具有相变潜热高、化学性质稳定
4、、几乎无过冷和相分离现象、无腐蚀性、价格低廉等优点，在与普通建筑材料掺杂复合后，便可用于制备相变储热墙板。 （3）复合相变储能材料：目前主要有多元醇类相变储能材料、正烷烃与脂肪酸混合在一定温度条件下制得的低共熔混合物；将两种或是三种多元醇类相变储能材料按照不同的配比混合，形成“共熔合金” ，并对材料的相变潜热及相变温度进行调节，从而得到具有合适相变潜热和相变温度的混合相变储能材料；有机类相变材料与无机类相变材料掺杂复合而成的相变材料，这类材料拥有两者共同的优点，同时弥补了两类材料的不足之处，从而制得到了性能更好的相变材料3。 1.2 固-固相变储热材料 固-固相变材料主要有三类:无机盐类、多元
5、醇类和有机高分子类。其中后两种在实际中的应用较多。 （1）多元醇具有固定的相变温度及相变热,为满足各种情况下对贮热温度的相应要求,可以将两种或多种多元醇按不同比例混合,形成共融“合金”,从而对相变温度进行调节,获得实际中所需要的相变温度。 （2）高分子交联树脂类蓄热材料,包括交联聚烯烃类和交联聚缩醛类,其改变了非交联高分子相变材料使用时形状难以定型的缺陷,便于加工,具有实际应用价值。 由于固-固 PCM 相变体积变化小，不需要容器密封，可直接加工成任意形状4，因而往往是实际应用中希望采用的相变类型，但其潜热较小和相转变温度高，所以，大多数传统的 PCM 都是通过固-液相转变来储存或释放能量的，
6、但由于该相变过程中会出现液体，必须用容器包装，因而限制了其应用范围。近年来固-固 PCM 的研究和应用得到迅速发展。2 相变储能材料在供暖中的应用 应用于暖通空调领域的相变材料应具备以下特点:熔化潜热高;相变过程可逆性好;膨胀、收缩性小;相变温度适合;导热系数大、密度大、比热容大;无毒、无腐蚀性;易与建筑材料相结合,工艺简单;原料廉价、易于获得等5。 由于固-固相变材料包括多元醇类和层状钙钛矿类等,其中多元醇类易软化和挥发损失,使用时要用压力容器密封;层状钙钛矿类相变温度较高,适合于高温范围内的贮能和控温,所以目前在暖通空调领域研究与应用较多的仍然是固-液类相变材料。 2.1 相变储能地板采暖
7、 在地板辐射采暖系统融入相变材料可以在很大程度上提高地板层的蓄放热能力,实现大跨度的间歇供暖,是优化太阳能与晚间低谷电能等非连续能源供暖的一条有效途径。 Farid 和 Kong6研究了相变材料为 CaCl2-6H2O 的蓄热地板电采暖系统的性能,表明含有储能物质的地板的蓄能性比较好,在加热 8h 蓄热的前提下可供 1d 采暖需要。 清华的张寅平等人7研制了石蜡和高聚乙烯制备的定型相变材料,建立了电加热相变地板辐射采暖的实验房间以及该房间的数学传热模型,研究表明该储能地板蓄放热效果良好,模拟与实验结果较为接近。 沈阳建筑大学的陈其针8和李国建通过相变储能电热地板采暖房间的实测对比分析,得出采用
8、相变电热地板辐射采暖的房间室内温度分布均匀、梯度小,热气流由下而上,人的脚部暖和、头部温和,提高了热舒适性。系统在夜电模式下,移峰填谷效率在 53%67%之间,通过地板送风,室内平均温度可提高近 1 ,移峰填谷效率最高可提高到 88%左右(见图 1)。 图 1 地板各层铺设示意图 2.2 相变储能墙体 相变墙体即在建筑材料中加入相变材料形成相变储能墙板等基本构件,不仅能提高房间的热舒适性,对空调和采暖的负荷进行移峰填谷,而且还能降低空调和采暖设备的开启频率,并能充分利用太阳能等清洁能源,真正实现节能的目的。 Lv9把相变材料加入到灰泥墙板中，利用材料自身储存或释放热量的能力来调节热冷负荷的转移
9、以避开用电高峰期。采用这种相变墙板的房间与普通的房间相比可以大大降低空调系统的能源消耗，从而降低空调系统的能耗支出。 Dariusz Heim 等10重点研究了相变石膏板应用于普通墙体内侧的控温和节能效果。引入 ESP-r 系统，对使用相变围护结构的建筑物进行传热过程模拟。结果表明相变材料在夏季转为秋季的过渡时期，能够有效地降低室内温度；在春季转为夏季期间，由于相变材料没有热量存储而对室温贡献不大。 3 总结 3.1 存在的问题 相变储能材料在暖通空调领域应用的实验与理论研究还处在摸索阶段,没有形成固定的研究方法与模式,尤其在实验方面,实验条件、测试方法及相变材料的选取都各不相同。因此在相变材
10、料的制备等方面的研究还需要进一步的探索与努力，同时加强实际需求同实验想结合的紧密结合。 3.2 未来发展方向 （1）研究领域：改善相变材料的导热性能和相变速率;根据相变机理提高其相变焓,研制出高能量密度的相变材料;掌握相变材料之间的复合原则以及如何复合来提高材料的性能以弥补不足;开发出除具有相变储能功能外还具有其它功能的多功能相变材料,如导电相变材料、防水相变材料、可杀菌防虫蛀的相变材料、形状记忆相变材料等等;降低成本,实现工业化。 （2）应用领域：拓展应用领域服务的范围；开发相变材料的数据库，为实际需求配对选择提供技术支持；继续深入开展模拟研究以及与模拟研究相对应的实验研究,尽快使科学理论转化为实际生产力。 参考文献: 1 姜勇,丁恩勇,黎国康.相变储能材料的研究进展J.广州化学,1999(3):48-54. 2 李艳.相变储能材料热性能研究 D.山东：山东轻工业学院，2012. 3 张寅平,胡汉平,孔祥东.相变储能及其理论和应用M.合肥:中国科学技术大学出版社,1996.10-183.
