储热材料及其应用

龚欣欣　张元芳

摘 要：文章介绍了储热的主要分类及其原理，对存储材料分类，说明各类材料的特点。介绍了储热材料在工程中的应用和发展。

关键词：存储材料；蓄能；蓄冷/热

引言

能源和环境问题的日益严重迫使人们不断开发清洁能源能源。风能、太阳能、地热能、生物能、海洋能等不断被人们开发研究。储热介质是一种能够储存能量并提高能源利用率起到环境保护作用的物质。储热介质为储热技术的核心，人们对其研究也在不断深入。储热技术已在太阳能利用、电力调峰、工业废热和余热的回收利用中广泛应用。

1 储热方法及储热材料

1.1 显热存储

显热存储是指储热材料随着温度的升高或降低而吸热或放热的现象。显热存储介质普遍存在易得、化学性质稳定，但温度波动大。根据显热存储介质的形态可分为液体显热存储介质和固体显热存储介质。液体显热存储介质有乙醇、丙醇、丁醇异、丁醇辛烷和水。当储热温度较高时高压容器的费用很高，水则不适合做为存储介质。固体显热存储介质主要有岩石土壤金属类以及无机氧化物类。固体显热存储介质不和其他物质发生反应、不易腐蚀、便宜易得。固体显热存储主要有岩石床储热器和地下土壤储热器。

1.2 潜热存储

潜热存储是指物质由固到液、液到气或由固到气时吸收相变热，逆反应时释放相变热。按化学组成分为有机物类和无机物类。无机物类储热密度大、腐蚀性小、成本低，是目前固-液存储主要的研究方向。广泛用于废热、余热回收和太阳能相变储能。无机物类分为水和盐类和熔盐类。水和盐类主要应用于中低温相变存储，其融化热大、热导率高、体积变化小。但因其易出现过冷和分层现象要加入防过冷剂和防相变分离剂。常用的无机水和盐相变材料主要有硫酸钠水合盐、三水醋酸钠等。常见的熔盐是硝酸盐、碳酸盐、氯化物和氟化物。其缺点是热导率低和腐蚀严重。有机相变材料在固态时易成型、腐蚀性小、化学性质稳定、便宜易得、不易出现过冷和分层。有机相变材料主要分为石蜡、酯酸类、多元醇类。石蜡的分子式为CnH2n+2，它由直链烷烃混合而成。其熔点和溶解热随着碳链的增加而增大，当n=12～36时的熔点为-12～759℃。石蜡的热导率仅为0.15W/（m·℃），密度小溶解时体积增大11%～15%。酯酸类的分子式为CnH2n+2O2，其性能类似于石蜡类。多元醇适用于固-固相变蓄热，其价格偏高热导率低。主要的相变材料有季戊四醇（PE）新戊二醇（NPG）。单一的多元醇相变温度较高不适用于低温相变。为了增大相变温度的范围可将两种及以上的多元醇按不同比例混合。常见的有PE、PE-TMP（三羟甲基烷）、PE-NPG。

1.3 化学能存储

化学能存储是指存储介质在发生可逆反应时储热和放热的过程，是化学能和热能相互转化的储能方式。化学能存储密度高易于长途运输，但其价格高系统复杂需要专业人员操作。化学能存储要求反应可逆性好反应快，反应物和生成物易存储无毒无腐蚀性。目前还没有完全符合这些条件的物质，化学能存储还处于研究阶段。

2 储热技术的应用和发展

2.1 蓄能型污水源热泵的应用

它是将污水源热泵技术和蓄能技术相结合在用电低谷利用相变技术将冷/热量储存在储能装置中，在用电高峰时再将冷热量释放出来。蓄能型污水源热泵系统图如1。

蓄冷模式（非最热月）三通阀3、6右侧关闭17、18关闭，单向阀7、11关闭，电磁阀10关闭。高温高压的气态制冷剂从压缩机1进入四通换向阀2在污水侧化热器14中冷凝放热变为高压液体，经气液分离器8变为低温低压的液体，经蓄能换热器4蒸发吸热变为高温低压气体，经四通换向阀2至气液分离器13后返回压缩机。蓄冷供冷时三通阀3、6完全关闭。蓄热模式（非最冷月）三通阀3、6右侧关闭17、18关闭，单向阀9、12关闭。制冷剂流向与蓄冷模式相反。蓄热供热时三通阀3、6完全关闭。

联合供冷模式（最热月）单向阀7、11关闭，电磁阀10关闭。通过调节三通阀16、17控制用户侧的换热。制冷剂流向同蓄冷模式。联合供热模式（最冷月）单向阀9、12关闭。通过调节三通阀16、17控制用户侧的换热。制冷剂流向同蓄热模式。

2.2 其他方面的发展

蓄能空调技术在上个世纪80年代中期在美国和欧洲推广，而我国始于上个世纪90年代中。美国的加州伯克利劳伦兹实验室将石蜡掺入墙体材料中试验表明在昼夜温差较大的地区可以达到很好的蓄热效果。Athienities等人将含有相变材料的石膏板作为墙体内饰与不加石膏板时相比白天室内温度降低4℃晚上温度升高，在一定程度上缓解了用电高峰的用电量。陈立将工厂浴室和蓄能型太阳能热水系统结合，结果表明该技术经济节能环保。纺织业中加入相变材料制成的微胶囊，制成的衣服可以根据外界环境的变化进行调节为人体提供一个舒适的温度。在航天事业中，人造卫星等航天仪器表面的保温系统、太阳能热动力发电系统的应用。

3 结束语

环境污染、能源危机迫使人们不断开发能源。储热技术利用储热材料自身的特性，将热量或冷量储存起来；解决了用户在供热时间和供热量的不同需求问题。纳米技术和相变技术相结合、复合相变材料、组合型相变材料等的不断发展，定会研究出绿色环保、性能稳定安全价格低廉来源丰富的新材料。总之，随着储热技术的不断发展定会研究出一种经济节能环保的新能源。

参考文献

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