相變蓄熱材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應用

謝毅，賈兵，郝慶英，賀立三，胡國華(河南省科學院能源研究所有限公司，河南 鄭州 450008)

0 引言

現(xiàn)代化建筑設計與建設開始大量應用可再生資源，太陽能作為最常見的一種建筑能源，設計太陽能供暖系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約能源，還有利于提升生活質(zhì)量。當前設計太陽能供暖系統(tǒng)，考慮到取暖、空調(diào)帶來的能耗比較大，在建筑總能耗中達到50%～70%，為了緩解該問題開始采用相變蓄熱材料，該材料屬于相變儲能節(jié)能技術(shù)范疇，在建筑節(jié)能中十分常見。相變蓄熱材料儲存、釋放能量之后，可以減小室內(nèi)溫度大幅度波動，優(yōu)化室內(nèi)供熱，實現(xiàn)節(jié)能減排。相變蓄熱材料本身的熱密度比較大，相變時材料能夠恒溫穩(wěn)定輸出熱量，而且與之相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)、操作也非常簡單，在太陽能供暖系統(tǒng)設計與建筑節(jié)能領(lǐng)域的應用比較普遍。

1 相變蓄熱材料性能與選擇

無論是建筑行業(yè)，還是社會發(fā)展，均面臨能源、環(huán)境這兩點問題，提高能源利用率，減少能源浪費，是目前建筑節(jié)能減少戰(zhàn)略目標實現(xiàn)的根本[1]。建筑領(lǐng)域現(xiàn)階段對太陽能這一類可再生資源給予極大的重視，而且為了實現(xiàn)太陽能資源利用效果的最大化，專門設計太陽能供暖系統(tǒng)，提升生活品質(zhì)、促進經(jīng)濟發(fā)展。相變蓄熱材料作為節(jié)能材料的一種，涉及到諸多類型，例如：水、氯化鉀結(jié)晶水、氟化鉀結(jié)晶水、氫氧化鋇結(jié)晶水，各個材料性能如表1所示。

表1 相變蓄熱材料性能

選擇相變蓄熱材料，為了滿足太陽能供暖系統(tǒng)運行要求，需要滿足如下要求：(1)相變溫度適中；(2)相變潛熱大；(3)導熱系數(shù)大；(4)穩(wěn)定性能強；(5)不會和容器產(chǎn)生化學反應。因為無機相變蓄熱材料本身存在腐蝕性，所以選擇材料封裝容器，需要重點分析其容器與材料之間的相容性，保證材料本身不會腐蝕容器[2]。與此同時，相變材料體積膨脹率小，價格方面具有經(jīng)濟性特點，在太陽能供暖系統(tǒng)中應用不會產(chǎn)生毒性，憑借以上特性也決定了該材料在建筑領(lǐng)域的重要性。

2 相變蓄熱材料應用原理

相變蓄熱材料通過物質(zhì)的相變會產(chǎn)生相變熱，這是儲存、再利用熱量的必要條件。對比顯熱蓄熱材料，相變蓄熱材料的蓄熱密度更高，一般可達200 kJ/kg甚至更高，恒溫環(huán)境下利用相變可釋放大量的熱量，憑借其蓄熱與放熱功能、近似等溫、可控制等諸多優(yōu)勢，可以使太陽能供暖系統(tǒng)節(jié)能效果更為理想。

相變蓄熱材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域已經(jīng)成為關(guān)注的焦點，通常CaCl2·6H2O、C2H3NaO2·3H2O、有機醇比較常用[3]。基于有機相變材料這一角度，如果熔化—凝固循環(huán)持續(xù)性的進行，熔點、潛熱值會隨之降低，水合鹽這一類型的相變材料可能會出現(xiàn)過冷、相分層等問題，尤其是在凝固時降低成核性能，這些問題需要在太陽能供暖系統(tǒng)運行與相變蓄熱材料應用中重點分析、解決。根據(jù)當前水合鹽成核原理的分析，成核劑、水合鹽晶格參數(shù)的差異小于15%，那么起成核效果也非常理想，但是該理論并不適合所有水合鹽成核劑。

3 太陽能供暖系統(tǒng)中的相變蓄熱材料與使用

3.1 在系統(tǒng)運行中的應用

太陽能供暖系統(tǒng)中包含了集熱器、散熱與貯熱裝置、供熱管道和輔助熱源，集熱器可以將太陽光中的敷設能加以采集，對熱媒進行加熱處理，隨之熱媒經(jīng)過供熱管道進入到散熱設備，從而提供建筑需要的熱能。建筑所有消耗的能源當中，暖通能耗占比超過了35%，設計并運行太陽能供暖系統(tǒng)有利于減小能源耗損。然而系統(tǒng)運行期間，如果天氣條件欠佳可能會降低熱能輸出的穩(wěn)定性與持續(xù)性。此時應用相變蓄熱材料非常必要，材料本身具有良好的蓄熱功能，而且相變溫度近似恒定，所以在陰雨、多云等天氣條件下也可以滿足用戶對熱能的需求。例如將1 kg冰熔化之后吸收熱量可以提高相同質(zhì)量水的溫度，而且每提高1 ℃，會消耗80倍熱量，可見太陽能供暖系統(tǒng)與相變蓄熱材料融合，有利于能源的持續(xù)利用。

3.2 材料種類的選擇

太陽能供暖系統(tǒng)中應用相變蓄熱材料，必須要有水硫酸鈉，該化學物質(zhì)可以直接作為相變蓄熱材料運用[4]。水硫酸鈉熔點為31 ℃，密度為1 440 kg/m3，溶解熱是220.8 kJ/kg，固相比熱為1.95 kJ/(kg·℃)，而且液相比熱為3.355 kJ/(kg·℃)，由此總結(jié)其熔點溫度適合太陽能供暖系統(tǒng)要求，整體體積比較小，熱導率高，對于建筑中的太陽能供暖系統(tǒng)的創(chuàng)建、運行有非常便利的條件。挑選水硫酸鈉之后，還需要選擇防相分離劑、防過冷劑，一般以十二烷基苯碘酸鈉、硼砂為主[5]。

3.3 材料用量的計算

科學選擇相變蓄熱材料，為了達到最佳應用效果需要準確計算材料用量。可將相變蓄熱材料的質(zhì)量假設為m，相變溫度設定為a，初始溫度設定為b，建議取值20 ℃，溫度升高之后的最終溫度設定為c，固相比熱容假設為Cs(kJ/(kg·℃))，液相比熱容假設為CI(kJ/(kg·℃))，蓄熱期間材料儲存熱量假設為Q(kJ)，而相變潛熱則假設為X(kJ/kg)。按照公式m=Q/((a-b)·Cs+X+(c-a)·CI計算即可得出最佳材料用量。

3.4 水硫酸鈉的應用

太陽能供暖系統(tǒng)內(nèi)部包括集熱器，當集熱器接收熱能后，傳輸給水硫酸鈉，隨后便會進行持續(xù)性加熱，加熱時間約為5 h，在這一過程中水硫酸鈉不斷熔化，而且蓄積熱能。進入到夜晚之后太陽能內(nèi)部集熱器便會中斷加熱，此時水硫酸鈉開始向室內(nèi)釋放白天蓄積的熱量，達到供暖的效果，一般室內(nèi)溫度維持27 ℃。后期散熱階段，水硫酸鈉便會開始凝固，待第二天太陽重新升起，水硫酸鈉開始重新加熱，由此不斷循環(huán)這一過程。

4 相變蓄熱材料應用與發(fā)展趨勢

在全球經(jīng)濟飛速發(fā)展的當下，能源緊缺問題已經(jīng)越來越嚴峻，尤其是建筑領(lǐng)域面臨的這個問題。傳統(tǒng)建筑模式的長期應用，不僅導致能源資源緊缺，還會危害到自然環(huán)境與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。為此，為了能夠進一步緩解相關(guān)問題，建筑領(lǐng)域開始踐行節(jié)能減排戰(zhàn)略，將節(jié)能環(huán)保作為當前乃至于今后的發(fā)展目標。太陽能是建筑領(lǐng)域最為重要的能源之一，應用太陽能供暖系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)供暖模式基礎上創(chuàng)新的一種節(jié)能形式，其間應用相變蓄熱材料，在物質(zhì)本身相變性能基礎上便可以儲存、釋放能量，實現(xiàn)太陽能資源的循環(huán)利用，而且這在全球氣候變暖的大環(huán)境下，也是值得推廣與普及的一種有效方法。

基于當前相變蓄熱材料在太陽能供暖系統(tǒng)中的應用經(jīng)驗，今后相變蓄熱材料與相關(guān)技術(shù)將會在更多行業(yè)領(lǐng)域得到應用。特別是作為節(jié)能環(huán)保型材料，在生態(tài)環(huán)境保護目標要求下，也那會為建筑工程保溫、貯能設備研發(fā)與設計等提供支持。由此可見，相變蓄熱材料不僅是相變蓄熱技術(shù)的應用關(guān)鍵點，也是當前社會發(fā)展的重要著手點。

5 結(jié)語

綜上所述，太陽能供暖系統(tǒng)作為當前建筑行業(yè)節(jié)能減排的有效手段，為了優(yōu)化節(jié)能效果，應用相變蓄熱材料非常重要。相變蓄熱材料與系統(tǒng)結(jié)合之后，可以達到儲藏、釋放能量的效果，提高太陽能資源利用率，也可以滿足用戶室內(nèi)溫度要求，減少傳統(tǒng)供暖模式導致的能源大量耗損，推動建筑行業(yè)加快實現(xiàn)節(jié)能減排。