相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用

王 柵　劉 凱　李 靜　侯景鑫

（嘉興學院建筑工程學院浙江嘉興314000）

相變蓄熱材料在太陽能供暖系統中的應用

王 柵劉 凱李 靜侯景鑫

（嘉興學院建筑工程學院浙江嘉興314000）

相變蓄熱技術是提高能源利用率和保護環境的技術，用于調和熱能供給與需求不相匹配的矛盾。該技術的迅速發展為緩解人類能源危機提供了一種全新的重要手段。太陽能地板輻射采暖系統與相變儲能技術相結合是新能源利用的一個重要方法。太陽能地板輻射采暖系統具有間歇性、不穩定性缺點，而相變儲能技術能夠間歇地利用太陽能。

本文主要從國內外關于太陽能蓄熱材料的研究進展，其中包括太陽能相變材料的分類，物理、化學性質等，指出相變蓄熱材料的應用可以提高系統的集熱效率、能量蓄積密度和太陽能保證率。目前對于一些相變材料缺陷的改進方法，及相變材料在太陽能供暖中的應用及發展前景。

太陽能；輻射采暖；相變儲能；相變蓄熱材料

1　提出背景

能源與環境問題是當今世界所面臨的兩大難題。其中能源是當今工業生產中的重要基礎，同時，有效利用能源，可以提高人們的生活品質，有利于經濟發展，從而帶動整個社會的進步。建筑能耗占總能耗較大的比重，有近30%的總能源消耗在建筑物上。而在我國，建筑能耗已超過全國能耗總量的l/4，且遞增趨勢日益明顯。

2　太陽能供暖系統

太陽能供暖系統的組成：太陽能集熱器與輔助熱源——提供能量；熱量儲存及熱量交換的設備；末端設備——建筑采暖和生活熱水需求。當白天太陽輻射較大，太陽能集熱器正常工作；當太陽輻射不足，則由輔助熱源補充太陽能不足的部分。太陽能供暖系統與其他常規能源供暖系統相比，其特征在于：（1）系統在低溫下運行。（2）具有儲存熱量的設備。（3）與輔助熱源配套使用。（4）適合在節能建筑中應用。

3　相變材料在太陽能供暖系統中的應用

蓄熱材料按蓄熱方式可分為：顯熱蓄熱材料、相變蓄熱材料、熱化學蓄能材料和吸附蓄熱材料。其中，相變蓄熱是利用材料在相變時的吸熱或放熱來貯能或釋能的，這類材料具有蓄熱密度較高、蓄熱能力好、相變溫度近似恒定等優點，因此近年來得到了較為廣泛的研究和應用。

以水這一常見的物質為例，熔化1kg的冰所吸收的熱量大約是使1kg水溫度升高1℃所需熱量的80倍。這就表明相變蓄熱技術可以實現僅用少量材料卻可以貯存大量的能量。所以，目前應用最多和最重要的蓄熱方式就是相變蓄熱，而將相變材料與太陽能供暖系統相結合是能源利用的一個重要的新方法，有利于能源的節約與環保。

4　相變蓄熱材料的選擇原則

用來蓄熱的相變材料，不但要有合適的相變溫度，而且它們還應滿足下面的條件：（1）較大的相變潛熱。（2）較大的導熱系數。（3）較好的穩定性。（4）與容器不發生化學反應。

無機相變蓄熱材料大多都有腐蝕性，因此在選擇相變材料的封裝容器時要考慮到它們的相容性，相變材料對容器材料無腐蝕作用。

另外，相變材料還應有較小的體積膨脹率，便宜的價格，無毒等特性。

5　國內外研究現狀

在相變機理方面的研究，一直進行的較緩慢。針對有機相變材料隨著熔化——凝固循環次數的增加，其熔點和潛熱值下降，水合鹽類相變材料存在嚴重的過冷和相分層現象，凝固過程中成核性能差等一系列問題始終未能得到有效解決。文獻對水合鹽的成核原理進行了研究，認為當成核劑與水合鹽的晶格參數相差在15%以內時，能很好的起成核作用，但這一理論只對少數水合鹽成核劑的選擇有效，對絕大多數水合鹽成核劑的選擇是無效的。

6　發展方向

隨著全球經濟發展，能源形勢也日益緊張，節能與環保已成為世界各國的重要課題之一。相變蓄熱技術利用物質的相變來實現能量的儲存和釋放，有利于能源的有效利用，并在全球氣候環境的保護方面發揮了重要作用。而以后，相變蓄熱技術會被更多的領域應用，其已在節能環保材料，工程保溫材料，航空和航天器材，貯能炊具等方面都展現了廣闊的應用前景。而且，尋找合適的相變蓄熱材料將成為相變蓄熱技術的重點。

7　結語

太陽能是一次能源，也是可再生能源，太陽能利用技術為人類創造了一種新的生活形態，即節約能源減少污染。因而，它的應用得到社會越來越廣泛的重視。我國的研究和發展水平與西方國家相比有較大差距，有必要對太陽能供暖技術進行深入研究，向其他發達國家學習，取長補短，提高太陽能的利用效率。

相變材料與太陽能供暖系統相結合的方案，目前還局限于地板輻射采暖，但它有著較大的優點：簡單易行，便于安裝，環保衛生等，同時，相變蓄熱材料能夠把熱能有效的儲存起來，在供能不足的情況下提供能量，以便達到預期的采暖效果。總之，在保證人們需求的情況下，合理開發利用其他可再生能源，同時加強相變蓄熱技術的研發，是一條實現節能環保的可持續發展道路。此外，相變蓄熱技術還可應用于農業暖房、路面的融雪技術、建筑大廳、游泳池等。

［1］江億，楊旭東.中國建筑節能年度發展研究報告［M］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［2］王劍峰，鄭飛，陳光明.組合式相變材料貯熱系統中的相變溫度分布研究.太陽能學報，1988，19（3）：294-298.

浙江省大學生科研創新團隊資助項目。