相变蓄热材料在太阳能供暖系统中的应用

谢毅，贾兵，郝庆英，贺立三，胡国华(河南省科学院能源研究所有限公司，河南 郑州 450008)

0 引言

现代化建筑设计与建设开始大量应用可再生资源，太阳能作为最常见的一种建筑能源，设计太阳能供暖系统，不仅可以节约能源，还有利于提升生活质量。当前设计太阳能供暖系统，考虑到取暖、空调带来的能耗比较大，在建筑总能耗中达到50%～70%，为了缓解该问题开始采用相变蓄热材料，该材料属于相变储能节能技术范畴，在建筑节能中十分常见。相变蓄热材料储存、释放能量之后，可以减小室内温度大幅度波动，优化室内供热，实现节能减排。相变蓄热材料本身的热密度比较大，相变时材料能够恒温稳定输出热量，而且与之相关的装置结构、操作也非常简单，在太阳能供暖系统设计与建筑节能领域的应用比较普遍。

1 相变蓄热材料性能与选择

无论是建筑行业，还是社会发展，均面临能源、环境这两点问题，提高能源利用率，减少能源浪费，是目前建筑节能减少战略目标实现的根本[1]。建筑领域现阶段对太阳能这一类可再生资源给予极大的重视，而且为了实现太阳能资源利用效果的最大化，专门设计太阳能供暖系统，提升生活品质、促进经济发展。相变蓄热材料作为节能材料的一种，涉及到诸多类型，例如：水、氯化钾结晶水、氟化钾结晶水、氢氧化钡结晶水，各个材料性能如表1所示。

表1 相变蓄热材料性能

选择相变蓄热材料，为了满足太阳能供暖系统运行要求，需要满足如下要求：(1)相变温度适中；(2)相变潜热大；(3)导热系数大；(4)稳定性能强；(5)不会和容器产生化学反应。因为无机相变蓄热材料本身存在腐蚀性，所以选择材料封装容器，需要重点分析其容器与材料之间的相容性，保证材料本身不会腐蚀容器[2]。与此同时，相变材料体积膨胀率小，价格方面具有经济性特点，在太阳能供暖系统中应用不会产生毒性，凭借以上特性也决定了该材料在建筑领域的重要性。

2 相变蓄热材料应用原理

相变蓄热材料通过物质的相变会产生相变热，这是储存、再利用热量的必要条件。对比显热蓄热材料，相变蓄热材料的蓄热密度更高，一般可达200 kJ/kg甚至更高，恒温环境下利用相变可释放大量的热量，凭借其蓄热与放热功能、近似等温、可控制等诸多优势，可以使太阳能供暖系统节能效果更为理想。

相变蓄热材料在建筑节能领域已经成为关注的焦点，通常CaCl2·6H2O、C2H3NaO2·3H2O、有机醇比较常用[3]。基于有机相变材料这一角度，如果熔化—凝固循环持续性的进行，熔点、潜热值会随之降低，水合盐这一类型的相变材料可能会出现过冷、相分层等问题，尤其是在凝固时降低成核性能，这些问题需要在太阳能供暖系统运行与相变蓄热材料应用中重点分析、解决。根据当前水合盐成核原理的分析，成核剂、水合盐晶格参数的差异小于15%，那么起成核效果也非常理想，但是该理论并不适合所有水合盐成核剂。

3 太阳能供暖系统中的相变蓄热材料与使用

3.1 在系统运行中的应用

太阳能供暖系统中包含了集热器、散热与贮热装置、供热管道和辅助热源，集热器可以将太阳光中的敷设能加以采集，对热媒进行加热处理，随之热媒经过供热管道进入到散热设备，从而提供建筑需要的热能。建筑所有消耗的能源当中，暖通能耗占比超过了35%，设计并运行太阳能供暖系统有利于减小能源耗损。然而系统运行期间，如果天气条件欠佳可能会降低热能输出的稳定性与持续性。此时应用相变蓄热材料非常必要，材料本身具有良好的蓄热功能，而且相变温度近似恒定，所以在阴雨、多云等天气条件下也可以满足用户对热能的需求。例如将1 kg冰熔化之后吸收热量可以提高相同质量水的温度，而且每提高1 ℃，会消耗80倍热量，可见太阳能供暖系统与相变蓄热材料融合，有利于能源的持续利用。

3.2 材料种类的选择

太阳能供暖系统中应用相变蓄热材料，必须要有水硫酸钠，该化学物质可以直接作为相变蓄热材料运用[4]。水硫酸钠熔点为31 ℃，密度为1 440 kg/m3，溶解热是220.8 kJ/kg，固相比热为1.95 kJ/(kg·℃)，而且液相比热为3.355 kJ/(kg·℃)，由此总结其熔点温度适合太阳能供暖系统要求，整体体积比较小，热导率高，对于建筑中的太阳能供暖系统的创建、运行有非常便利的条件。挑选水硫酸钠之后，还需要选择防相分离剂、防过冷剂，一般以十二烷基苯碘酸钠、硼砂为主[5]。

3.3 材料用量的计算

科学选择相变蓄热材料，为了达到最佳应用效果需要准确计算材料用量。可将相变蓄热材料的质量假设为m，相变温度设定为a，初始温度设定为b，建议取值20 ℃，温度升高之后的最终温度设定为c，固相比热容假设为Cs(kJ/(kg·℃))，液相比热容假设为CI(kJ/(kg·℃))，蓄热期间材料储存热量假设为Q(kJ)，而相变潜热则假设为X(kJ/kg)。按照公式m=Q/((a-b)·Cs+X+(c-a)·CI计算即可得出最佳材料用量。

3.4 水硫酸钠的应用

太阳能供暖系统内部包括集热器，当集热器接收热能后，传输给水硫酸钠，随后便会进行持续性加热，加热时间约为5 h，在这一过程中水硫酸钠不断熔化，而且蓄积热能。进入到夜晚之后太阳能内部集热器便会中断加热，此时水硫酸钠开始向室内释放白天蓄积的热量，达到供暖的效果，一般室内温度维持27 ℃。后期散热阶段，水硫酸钠便会开始凝固，待第二天太阳重新升起，水硫酸钠开始重新加热，由此不断循环这一过程。

4 相变蓄热材料应用与发展趋势

在全球经济飞速发展的当下，能源紧缺问题已经越来越严峻，尤其是建筑领域面临的这个问题。传统建筑模式的长期应用，不仅导致能源资源紧缺，还会危害到自然环境与生态环境质量。为此，为了能够进一步缓解相关问题，建筑领域开始践行节能减排战略，将节能环保作为当前乃至于今后的发展目标。太阳能是建筑领域最为重要的能源之一，应用太阳能供暖系统，是在传统供暖模式基础上创新的一种节能形式，其间应用相变蓄热材料，在物质本身相变性能基础上便可以储存、释放能量，实现太阳能资源的循环利用，而且这在全球气候变暖的大环境下，也是值得推广与普及的一种有效方法。

基于当前相变蓄热材料在太阳能供暖系统中的应用经验，今后相变蓄热材料与相关技术将会在更多行业领域得到应用。特别是作为节能环保型材料，在生态环境保护目标要求下，也那会为建筑工程保温、贮能设备研发与设计等提供支持。由此可见，相变蓄热材料不仅是相变蓄热技术的应用关键点，也是当前社会发展的重要着手点。

5 结语

综上所述，太阳能供暖系统作为当前建筑行业节能减排的有效手段，为了优化节能效果，应用相变蓄热材料非常重要。相变蓄热材料与系统结合之后，可以达到储藏、释放能量的效果，提高太阳能资源利用率，也可以满足用户室内温度要求，减少传统供暖模式导致的能源大量耗损，推动建筑行业加快实现节能减排。