蓄冷系统材料正癸醇—膨胀石墨复合相变材料的研究

空调系统是商业建筑中能耗最高的设备之一。在高峰时段，转移空调系统的部分负荷将有助于解决供电负载不平衡的问题。蓄冷系统（CTESS）是帮助空调系统在高峰时段转移建筑物制冷负荷的有效方法。蓄冷系统通常利用相变材料（PCM）作为能量存储介质。在蓄冷系统中，利用冰作为相变材料进行蓄冷，因为冰具有良好的热能存储特性。由于冰的冷凝温度（0℃）和过冷的特性，冷却器需要在较低的温度下运行才能将水转化为冰。这使得冷却器的性能系数（COP）降低而导致能源的浪费。所以蓄冷系统中的相变材料需要具备较高的相变温度（4～12℃）、较低的过冷度以及合理的热量存储特性。表1列出了可考虑用来替代水的潜在相变材料及其属性。

表1 可替代水的相变材料及其属性

在众多的材料中，膨胀石墨（EG）具有高导热性、化学稳定性、高表面活性和优异的吸附性，以及密度低、表面积大的特征属性，故膨胀石墨（EG）能显著增强相变材料的导热性。因此，本文研究的重点是应用EG改善正癸醇的导热性。表1列出的材料特性表明正癸醇可以视为潜在的蓄冷介质，因为它具有蓄冷系统所需要的所有基本特性。目前，尚无关于使用正癸醇作为冷库蓄冷材料的实验研究报道。本文首次针对正癸醇-膨胀石墨的复合相变材料（CPCM）在蓄冷系统中的应用进行研究报告，参见图1、图2。

图1 复合相变材料准备流程

图2 试验流程图

通过实验研究得出以下结论：

（1）正癸醇-膨胀石墨的复合相变材料（CPCM）的掺入率为84.99%，其导热系数比原始相变材料高16.33倍，正癸醇和膨胀石墨具有良好的化学相容性。

（2）正癸醇-膨胀石墨的复合相变材料（CPCM）的蓄冷速率是正癸醇（PCM）的5.51倍。CPCM的蓄冷时间比PCM低81.85%，这意味着在存储相同冷量的条件下可以将冷水机的运行时间减少81.85%（参考图3）。

（3）CPCM的释冷速率是PCM的5.97倍。CPCM的释冷时间比PCM低83.27%。CPCM的冷凝温度比冰的冷冻温度高约4.1℃。对应卡诺式制冷机，其性能系数（COP）可提升15.15%（参考图4）。

图3 蓄冷特性示意图（相变材料和复合相变材料的比较）

图4 释冷特性示意图（相变材料和复合相变材料的比较）

（4）实验结果证明，PCM具有偏心熔化特性，而CPCM具有同心熔化特性。本文测试的CPCM在1000个热循环中具有良好的热可靠性。

（5）CPCM具有增强蓄能的特性，使较高的冷凝温度和过冷度为零。使用CPCM可以有效存储和回收冷能，因此本文讨论的复合相变材料可以用于蓄冷系统以实现节能的目标。

图文来源：International Journal of Refrigeration, vol 123, pp 91-101, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.004

原标题：Preparation, characterisation and energy storage performance study on 1-Decanol-Expanded graphite composite PCM for air-conditioning cold storage system

原作者：Solaimalai Raja Rakkappan, Suresh Sivan*, ShaikNaveed Ahmed, M Naarendharan, P. Sai Sudhir