儲熱材料及其應用

龔欣欣　張元芳

摘 要：文章介紹了儲熱的主要分類及其原理，對存儲材料分類，說明各類材料的特點。介紹了儲熱材料在工程中的應用和發展。

關鍵詞：存儲材料；蓄能；蓄冷/熱

引言

能源和環境問題的日益嚴重迫使人們不斷開發清潔能源能源。風能、太陽能、地熱能、生物能、海洋能等不斷被人們開發研究。儲熱介質是一種能夠儲存能量并提高能源利用率起到環境保護作用的物質。儲熱介質為儲熱技術的核心，人們對其研究也在不斷深入。儲熱技術已在太陽能利用、電力調峰、工業廢熱和余熱的回收利用中廣泛應用。

1 儲熱方法及儲熱材料

1.1 顯熱存儲

顯熱存儲是指儲熱材料隨著溫度的升高或降低而吸熱或放熱的現象。顯熱存儲介質普遍存在易得、化學性質穩定，但溫度波動大。根據顯熱存儲介質的形態可分為液體顯熱存儲介質和固體顯熱存儲介質。液體顯熱存儲介質有乙醇、丙醇、丁醇異、丁醇辛烷和水。當儲熱溫度較高時高壓容器的費用很高，水則不適合做為存儲介質。固體顯熱存儲介質主要有巖石土壤金屬類以及無機氧化物類。固體顯熱存儲介質不和其他物質發生反應、不易腐蝕、便宜易得。固體顯熱存儲主要有巖石床儲熱器和地下土壤儲熱器。

1.2 潛熱存儲

潛熱存儲是指物質由固到液、液到氣或由固到氣時吸收相變熱，逆反應時釋放相變熱。按化學組成分為有機物類和無機物類。無機物類儲熱密度大、腐蝕性小、成本低，是目前固-液存儲主要的研究方向。廣泛用于廢熱、余熱回收和太陽能相變儲能。無機物類分為水和鹽類和熔鹽類。水和鹽類主要應用于中低溫相變存儲，其融化熱大、熱導率高、體積變化小。但因其易出現過冷和分層現象要加入防過冷劑和防相變分離劑。常用的無機水和鹽相變材料主要有硫酸鈉水合鹽、三水醋酸鈉等。常見的熔鹽是硝酸鹽、碳酸鹽、氯化物和氟化物。其缺點是熱導率低和腐蝕嚴重。有機相變材料在固態時易成型、腐蝕性小、化學性質穩定、便宜易得、不易出現過冷和分層。有機相變材料主要分為石蠟、酯酸類、多元醇類。石蠟的分子式為CnH2n+2，它由直鏈烷烴混合而成。其熔點和溶解熱隨著碳鏈的增加而增大，當n=12～36時的熔點為-12～759℃。石蠟的熱導率僅為0.15W/（m·℃），密度小溶解時體積增大11%～15%。酯酸類的分子式為CnH2n+2O2，其性能類似于石蠟類。多元醇適用于固-固相變蓄熱，其價格偏高熱導率低。主要的相變材料有季戊四醇（PE）新戊二醇（NPG）。單一的多元醇相變溫度較高不適用于低溫相變。為了增大相變溫度的范圍可將兩種及以上的多元醇按不同比例混合。常見的有PE、PE-TMP（三羥甲基烷）、PE-NPG。

1.3 化學能存儲

化學能存儲是指存儲介質在發生可逆反應時儲熱和放熱的過程，是化學能和熱能相互轉化的儲能方式。化學能存儲密度高易于長途運輸，但其價格高系統復雜需要專業人員操作。化學能存儲要求反應可逆性好反應快，反應物和生成物易存儲無毒無腐蝕性。目前還沒有完全符合這些條件的物質，化學能存儲還處于研究階段。

2 儲熱技術的應用和發展

2.1 蓄能型污水源熱泵的應用

它是將污水源熱泵技術和蓄能技術相結合在用電低谷利用相變技術將冷/熱量儲存在儲能裝置中，在用電高峰時再將冷熱量釋放出來。蓄能型污水源熱泵系統圖如1。

蓄冷模式（非最熱月）三通閥3、6右側關閉17、18關閉，單向閥7、11關閉，電磁閥10關閉。高溫高壓的氣態制冷劑從壓縮機1進入四通換向閥2在污水側化熱器14中冷凝放熱變為高壓液體，經氣液分離器8變為低溫低壓的液體，經蓄能換熱器4蒸發吸熱變為高溫低壓氣體，經四通換向閥2至氣液分離器13后返回壓縮機。蓄冷供冷時三通閥3、6完全關閉。蓄熱模式（非最冷月）三通閥3、6右側關閉17、18關閉，單向閥9、12關閉。制冷劑流向與蓄冷模式相反。蓄熱供熱時三通閥3、6完全關閉。

聯合供冷模式（最熱月）單向閥7、11關閉，電磁閥10關閉。通過調節三通閥16、17控制用戶側的換熱。制冷劑流向同蓄冷模式。聯合供熱模式（最冷月）單向閥9、12關閉。通過調節三通閥16、17控制用戶側的換熱。制冷劑流向同蓄熱模式。

2.2 其他方面的發展

蓄能空調技術在上個世紀80年代中期在美國和歐洲推廣，而我國始于上個世紀90年代中。美國的加州伯克利勞倫茲實驗室將石蠟摻入墻體材料中試驗表明在晝夜溫差較大的地區可以達到很好的蓄熱效果。Athienities等人將含有相變材料的石膏板作為墻體內飾與不加石膏板時相比白天室內溫度降低4℃晚上溫度升高，在一定程度上緩解了用電高峰的用電量。陳立將工廠浴室和蓄能型太陽能熱水系統結合，結果表明該技術經濟節能環保。紡織業中加入相變材料制成的微膠囊，制成的衣服可以根據外界環境的變化進行調節為人體提供一個舒適的溫度。在航天事業中，人造衛星等航天儀器表面的保溫系統、太陽能熱動力發電系統的應用。

3 結束語

環境污染、能源危機迫使人們不斷開發能源。儲熱技術利用儲熱材料自身的特性，將熱量或冷量儲存起來；解決了用戶在供熱時間和供熱量的不同需求問題。納米技術和相變技術相結合、復合相變材料、組合型相變材料等的不斷發展，定會研究出綠色環保、性能穩定安全價格低廉來源豐富的新材料。總之，隨著儲熱技術的不斷發展定會研究出一種經濟節能環保的新能源。

參考文獻

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