文/戚元臣

相变蓄热材料及其在暖通空调领域中的应用

文/戚元臣

山东省商业集团有限公司

自20世纪70年代第一次能源危机以来,人们充分认识到了节能的重要性和紧迫性。在欧美国家、日本等工业发达国家,建筑能耗大约占总能耗42%～45%,我国所占比例要少些。但随着人民生活水平的提高,建筑能耗所占比例将越来越大。建筑能耗包括建造建筑物所用材料及设备的生产运输能耗、施工能耗、建筑物在使用过程中的能耗以及建筑物拆除时的能耗。其中使用能耗占建筑总能耗的80%左右,主要用于室内的温湿度控制。建筑围护结构的热湿传递性能对建筑物的能耗有着较大影响 ,近年来新型墙体材料的研制和开发成为建筑节能的热点。

相变储能材料；暖通空调；应用

近年来,随着我国经济的迅速发展和城市建设步伐的加快,建筑采暖和空调的普及率快速提高,导致暖通空调能耗的急剧上升。有关资料表明:我国暖通空调的能耗占建筑总能耗的55%以上。因此,提高能源的使用效率、开发各种储能技术,成为暖通空调领域节能降耗的有效途径之一。相变材料作为一种高效贮能材料,可利用其相变潜热实现自然冷/热源的“免费利用”以及通过“移峰填谷”来降低配电容量、提高设备的运行效率,是近年来能源科学和材料科学领域中一个前沿研究方向, 在暖通空调领域具有广阔的应用前景。

1 相变蓄热材料的分类及特点

蓄热按蓄热的方式可分为显热蓄热、潜热蓄热和化学势能蓄热。其中潜热蓄热（相变蓄热）又可分为气—液相变蓄热、固—气相变蓄热、固—液相变蓄热、固—固相变蓄热；相变蓄热从材料的化学组成又可分为有机物相变蓄热和无机物相变蓄热。常用的相变材料主要包括水合盐、石蜡和脂肪酸等。相变材料的选择主要取决于相变材料的相变温度，当相变温度低 15 益时，可用于空调系统蓄冷，当高于90 益时可用于吸收式制冷。相变温度在此之间的相变材料可用于太阳能供热，同时高温相变材料储能可用作水下潜器和航天器的动力源。相变蓄热材料应该具有潜热大、导热系数高、熔点适宜、过冷程度小、化学稳定性好、价格便宜以及无毒无腐蚀等特点。商业用的石蜡，价格便宜且蓄热密度中等（在200kJ/kg左右），熔点范围广，它的化学稳定性好，无相变分离，过冷效果可忽略不计。但是它们的导热系数低，约为0.2W/m•K，这也限制了它们的广泛使用。因此，可采用肋片管、金属矩阵结构、金属填充、铝片等方法来提高它的传热性能。脂肪酸的熔点在30益～65益间，研究表明，在用于室内供热的相变蓄热系统中，它们是比较合适的相变料材，但它们的相变潜热只在153kJ/kg～182 kJ/kg 间。水合盐晶体也是常用的相变材料，主要由于它的蓄热密度高（约350MJ/m3），导热系数高（约0.5W/m•K），价格相对便宜。如Na2SO4•10H 2 O 盐晶体，它的熔点是32.4 益，

2 相变材料在暖通空调领域中的应用

相变蓄能在暖通空调领域中的应用主要分为两类：

一是采用相变材料与建筑围护结构结合，如相变墙板、相变顶板和相变地板。林坤平等提出了一种带有相变材料蓄能的地板电采暖系统，并模拟了室内空气温度和地面温度的变化，结果显示此采暖方式在房间热负荷不大的建筑下，基本能满足人的热舒适性要求，有较好的应用前景。若在建筑物砌体中填充蓄热材料，可将白天的太阳能储存起来，以减小冬季取暖的能源消耗和费用，同时还能降低室内的温度波动。Neeper曾对注入了脂肪酸和石蜡作为相变材料的石膏墙板的热动态特性进行了测试。 Athienitis对大型室外测试房屋进行了实验和数值模拟研究，相变材料封装在墙体的石膏板内。相变材料石膏板中含有 25 豫的硬脂酸丁酯（ BS ），采用显式微分方程模型来模拟在墙体中的瞬时传热。结果表明，相变材料石膏板的应用，使白天的室内最高温度下降了 4 益，同时也降低了在夜间的热负荷。

二是利用相变材料直接蓄能用于供暖或空调系统。如在国防工程内部电站余热利用中，采用相变蓄热材料石蜡来储存发电机组产生的余热，需要时将这些热能用于空气加热，这不仅很好地解决电站降温和热能回收再利用问题，也节约能源，提高了能源的再利用率。陈立对相变蓄热式太阳能热水系统的结构、原理和运行情况进行了分析，并就此系统在工厂浴室中的应用效果作了分析，得出此热水系统不仅节能环保，而且运行费用低，具有良好的经济效益和社会效益。 John等提出了一种新的夜间通风的冷却系统，采用相变材料和热管混合的方法，它可以用于替代空调系统。在实现“削峰填谷”技术上，蓄能空调技术已经成为国际上普遍使用的调峰填谷的技术。美国、日本和欧洲许多国家在上个世纪 80 年代中期就开始大规模推广使用蓄能空调技术，我国从上世纪 90 年代中期开始利用这项技术。蓄能空调普遍使用冰为相变蓄冷材料，也有使用相变点在 5 益以上的蓄冷材料，以便提高制冷机的效率。我国南通市中级人民法院工程中就采用了蓄能空调系统。

3 结束语

有机和无机化合物是相变材料中最重要的两类。许多有机相变材料是非腐蚀的，化学性稳定的，无过冷或微弱过冷，与许多建筑材料都是相容的，同时单位质量的潜热大，蒸发压力低。它们的缺点是导热系数低，相变时体积变化大，易燃。无机化合物单位体积的潜热大，导热系数高，不易燃，同时与有机化合物相比价格低，但是它易腐蚀，会产生过冷，这些会影响其相变特性。无机相变材料的应用需要成核剂和增稠剂来降低过冷和相分离。相变材料的应用也从建筑物的冷热贮存到卫星和保暖服装的热贮存，所以其应用也越来越广。由于熔点是选择相变材料的最重要的标准，因此在选择相变材料时，要选择熔点合适的相变材料。同时，研制蓄热密度大、导热系数高、性能稳定的新型复合相变蓄热材料也已成为国际上该研究领域的热点和难点。

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[2]王栅,刘凯,李静,侯景鑫.相变蓄热材料在太阳能供暖系统中的应用[J].资源节约与环保.2016.

[3]罗万军,徐承立,马洪亭.几种主要建筑节能技术的发展现状和应用前景[J].安徽农学通报.2007.