相变材料

浅谈相变储能材料的热能储存技术及其应用

云南师范大学能环学院再生B班马侯君（12416181）

（云南师范大学太阳能研究所 650500）

摘要：由于相变储能材料具有储能密度高、储能放能近似等温、过程易控制等特点，因此，采用相变储能材料的热能储存技术是提高热能转化和回收利用效率的重要途径，也是储存可再生能源的有效方式之一。鉴于可供选用的相变储能材料种类多、相变温度范围大，使其在许多工程应用中具有较大的吸引力，筒要介绍利用相变储能材料的热能储存技术及其在工程中的多种应用。本文对热能存储技术的主要类型和技术原理进行了简要介绍，讨论了建筑采暖系统中热能

存储技术的应用现状及发展的趋势。

关键词：相变储能材料热能储存技术工程应用建筑采暖

1 引言

利用相变储能材料的热能储存技术是协调能源供求矛盾、提高能源利用效率和保护环境的重要技术，也是储存和回收利用短期或长期需求能源的一种有效途径。它在工业与民用建筑的采暖、空调、温室、太阳能热利用、工业生产过程的热能回收和利用等多个领域得到了广泛的应用，并已逐步成为世界范围高度重视的研究领域。特别是随着相变储能材料的基础和应用研究的不断深入，利用相变储能材料的热能储存技术的应用深度和广度都将不断拓展。为此，本文着重介绍相变储能材料及其研究，以及利用各种相变储能材料的热能储存技术在工程中的多种应用。

2 相变储能材料及其研究

相变储能材料的种类

人们对相变储能材料的研究可以追溯到20世纪70年代，近几十年来国内外研究人员对相变储能材料的研究和开发进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，得到了具有温度变化小、储能密度大、过程易控制并适于利用材料的相变潜热进行热能储存的多种相变储能材料。根据其相变形式可分为固-液相变储能材料、固-固相变储能材料、固-气相变储能材料、液-气相变储能材料4类，虽然固-气相变和液-气相变具有的相变热大，但其体积上的大变化使相变储能系统变得复杂和不实用，因此，后两种相变储能材料在实际应用中很少被选用，应用较多的相变储能材料主要是固-液相变储能材料和固-固相变储能材料两类。

固-液相变储能材料

在固-液相变储能材料中，主要有无机相变储能材料、有机相变储能材料及其共融混合物3类。

(1)无机相变储能材料

无机相变储能材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金和其它无机物。其中，水合盐是适于温度范围在 0"--150℃的潜热式储存的典型无机相变储能材料，它也是中低温相变储能材料中重要的一类，其优点是价格便宜、单位体积储能密度大、一般呈中性；缺点是过冷度大和易析出分离，需要通过添加成核剂和增稠剂进行处理。常用作相变储能材料的结晶水合盐热物理性能见表1。

表1 常用作相变储能材料的结晶水合盐热物理性能

(2)有机相变储能材料

有机相变储能材料一般可分为石蜡类和非石蜡类两类。

石蜡是矿物油产品，也是最常用的一类有机相变储能材料，它由直链烷烃混合而成，其分子式为 C。H。。+。。随碳链的增加，其熔点和熔解热是逐渐增加，它的熔点为一12---75．9"C，熔解热为150"-250Id／ kg。这种相变储能材料的优点是熔解热大、无过冷及析出现象、性能稳定、无腐蚀性、价格便宜。其缺点是导热系数小、密度小、单位体积储能率小。非石蜡类相变储能材料是可以选择作为相变储能应用较多的一类，包括一些酯、脂肪酸、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等，以及聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇类、聚烯酸类、聚酰胺类等高分子类。这一类有机储能材料具有相变热大、

易燃、常温时稳定、导热系数低等特点。脂肪酸是以CH

3(CH

2

)

2n

COOH为特性的有

机化合物，一些常用脂肪酸有机储能材料的热物理性能见表2，其相变热与石蜡的相变热相近，脂肪酸可以反复多次使用而几乎不会发生过冷现象，所以它们适用于建筑物结构的加热。

3 热能储存技术的应用

3．1太阳能领域中的应用

太阳能是唯一本质上没有环境污染的清洁能源，其开发与利用显得越来越重要，它是解决能源危机和现代节能的重要途径。然而，由于到达地球表面的太阳辐射能量密度并不高，且受到地理、季节、昼夜及天气变化等因素的制约，表现出稀薄性、非连续性和不稳定性，从而也给太阳能的热利用带来了一定的困难。因此，为了保证供热或供电装置稳定、连续运行，就需要利用相变储能装置把太阳能储存起来，在能源不足时释放出来。例如，美国的太阳能公司(Solar Inc。)

用 Na

2S0

4

·10H

2

O作为相变储能材料来有效地储存太阳能。针对太阳能地源热泵

系统的储热装置，研究了相变储能材料的选择和用量，特别是相变储热水箱的布置及结构，克服了以往水箱须承受系统压力的缺点，增大了换热面积，从而使整

个系统的总供热COP 值显著提高，节能效果明显。 3．2工业余热或废热的回收与应用

在冶金、化工等多个工业部门中存在的工业余热和废热大多是间断的或不连续的，为了使这些不稳定的热能得以回收与利用，可以应用相变储能材料将这些热能储存起来，必要时再将储存的能量释放出来，这样既可以降低工业企业的能耗，又可以减少由一次能 源转化为二次能源时产生的各种有害物质对环境的污 染。例如，成功制备了Na 2SO 4／Si02 定形复合储能材料，以改善工业炉窑中高温烟气余热回收换热器中相变储能材料的性能。K ．Nagano 利用Mg(NO 3)2·6H 20作为主储热材料、MgCl 2· 6H 2O 作为添加剂调节相变温度，可以有效应用于发电系统产生的城市废热(60～100℃)的回收。研究利用相变储能材料的复合相变储热器即把相变储热器和水结合起来回收空调的冷凝热，既具有节能又具有环保的特点。

3．3农业温室应用

温室在现代农业中有着举足轻重的地位，它在克服恶劣的自然气候、拓展农产品品种和提高农业生产效率等方面具有重要的价值，可以控制适宜农作物生 长的温度和湿度环境为了获得最佳的温室内条件，必须使其在冬季加热而在夏季供冷，早期的作法是使用燃油来进行加热或供冷，近年来则是通过太阳能温室来取代传统的燃油进行加热或供冷，它是利用相变储能材料收集和储存大量的太阳辐射热能实现热能的储存与释放。 3．4建筑节能中的应用

从早期利用相变储能材料对建筑结构进行加热和供冷，到近年来热能储存技术在建筑节能中的应用，热能储存技术在建筑结构中的应用研究有了很大的发 展，现在的主要应用是：

(1)是将相变储能材料作为室内保温材料，通过在室内安装相变储能材料的储热器，或在墙壁、门窗、天花板、地板中“加入”相变储能材料，利用其热能储存与释放的特性有效降低建筑物室内温度波动，提供健康舒适的室内环境。例如，在有暖气的室内安装相变储能材料的储热器。当通入暖气时该储热器会把热储存起来，当停止送暖气时该储热器则会把储存的热量释放出来，以维持室内的温度较为恒定。研究利用一种定形相变复合材料作为储能介质的地板辐射采暖系统，实验研究结果表明，由于相变储能材料具有较好的储热能力，电加热系统的启停造成的室内温度波动较小，变化平缓；试验房间内各壁面温度较高，且波动很小，从而提高了室内的平均辐射温度，这也是地板辐射采暖舒适和节能的原因之一。

(2)是将相变储能材料与建筑材料结合，形成具有多功能的建筑材料。其中方法之一是通过相变物质与多孔建筑材料复合，将相变物质储藏在多孔建筑材料 中，从而形成具有承重和储能双重功能的结构与功能一体化的建筑材料；方法之二则是通过相变储能材料直接与建筑材料结合，形成具有相变储能的建筑材料，用“两步法”，即首先制作相变储能骨料，再采用相变储能骨料，用普通混凝土的制备技术配制相变储能混凝土。通过把制备的活性炭储能骨料和石墨导热功能基元材料加人混凝土中，取代其中的卵石和河砂，用普通混凝土的制备技术制备相变储能混凝土，实验结果表明，活性炭储能骨料的加入使混凝土中储存了大量的相变储能材料，制得的储能混凝土的比热容明显高于普通混凝土，石墨提高了其导热系数，具有良好的储能效果。

3．5其它应用