新型复合相变材料蓄热电暖器热性能实验研究

宋颖芸，杨兆晟，张群力，张文婧，张世红

（北京建筑大学供热、供燃气通风与空调北京市重点实验室，北京 100044）

为缓解高峰期用电压力，北京市对电价进行分时计价，鼓励居民利用低谷电进行电供暖[1]。目前，电供暖方式包括低温空气源热泵[2]、蓄热电暖器[3]和直接电供暖。其中，相变蓄热电暖器可以在夜间低谷电时利用相变材料将热量储存，用于日间放热供暖。相变材料的近似恒温蓄/放热效果可以缓解间歇式蓄/放热模式导致的室内温度波动，提高房间热环境的热舒适性。

国内关于相变蓄热电暖器的研究主要有：马贵阳等[4]选用相变温度区间为79~80 ℃、相变潜热为288 kJ/kg 的混合相变材料,设计研制了带有翅片的相变蓄热电暖器，该电暖器能够充分利用夜间廉价电，降低用户运行费用；刘靖等[5]选用相变温度为576 ℃、相变潜热为560 kJ/kg 的合金相变材料TH576，设计了高温相变蓄热电暖器的样机，与显热蓄热电暖器相比，该样机的热性能优势明显；马美秀等[6]选用相变温度为710 ℃、相变潜热为1 070 kJ/kg的相变砖，通过数值模拟验证了该材料具有较好的应用前景。

目前，相变蓄热电暖器中的相变材料主要是中低温有机相变材料或高温合金材料，成本偏高。为降低初投资，可以选用中低相变温度的无机相变材料。六水合氯化镁（MgCl2·6H2O）相变温度为117 ℃，相变潜热为121 kJ/kg[7]，是我国青海湖中氯镁石[8]的主要成分，在我国储备丰富、容易获取、价格低廉[9]，本文选用其作为无机相变材料。但是，该材料存在相分离、过冷等问题[10]。为此，本文通过添加多孔材料膨胀石墨（EG）消除相分离现象[11]，添加成核剂氢氧化钙（Ca(OH)2）降低相变材料的过冷度[12]，并经实验测试寻找3 种材料的最优配比，研制出一种新型复合型相变材料。将该新型材料用于蓄热电暖器，并搭建反映其蓄/放热性能的实验台，考察其蓄/放热性能，为相变蓄能电暖器的推广应用提供参考。

1 复合相变材料的制备与性能表征

1.1 添加膨胀石墨消除相分离现象

向MgCl2·6H2O 中分别添加5 组不同质量分数（0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%）的膨胀石墨（EG），记为样本A、B、C、D、E。将样本在135 ℃恒温油浴锅中加热30 min，待材料完全融化后取出试管静置24 h，观察复合材料的相分离情况（图1）。由图1 可以观察到，样本B、C 试管的底部仍存有白色晶体，表明MgCl2·6H2O 和EG 没有充分融合，仍存在相分离现象，也说明EG 的添加量不足，导致其未能与无机盐相变材料充分融合。

分别对样本A、C、D、E 进行差示扫描量热法（DSC 型号STA 449 F3）性能测试，温度设定范围为30~150 ℃，升温速率设定为10 ℃/min。测试结果见表1。

表1 MgCl2·6H2O 与EG 复合相变材料物性测试结果Tab.1 The physical property test results of MgCl2·6H2O-EG composite phase change materials

由表1 可以看出：EG 添加量对于相变温度的影响较小；随着EG 添加量的增加，复合材料的相变潜热逐渐降低，当EG 质量分数为10.0%时，复合相变材料的相变潜热减少了20.7 kJ/kg，与纯无机盐的样本A 相比，降低了17.1%。

考虑到EG 添加质量分数分别为2.5%、5.0%的相变材料存在相分离现象，添加10.0%EG 的相变材料的相变潜热降低较多，本文推荐添加7.5%EG 的相变材料。该材料既可以减轻相分离现象，又可以保持较少的相变潜热衰减。但是，添加7.5%EG 的相变材料仍然存在过冷度现象，需要加入成核剂来缓解。

1.2 添加成核剂降低过冷度

氢氧化钙（Ca(OH)2）可用作MgCl2·6H2O-EG复合相变材料的成核剂，其添加量应小于3%[13]。本试验Ca(OH)2的添加量为0%、1%、2%，添加后材料的过冷曲线如图2 所示。

由图2 可以看出：当Ca(OH)2的添加量分别为0%、1%、2%时，MgCl2·6H2O-EG 复合相变材料的过冷度分别为6.44、0、1.63 ℃，即添加1% Ca(OH)2时复合相变材料的过冷度最低。因此，遴选出MgCl2·6H2O/EG/Ca(OH)2的最优质量配比为91.5%/7.5%/1%，相应复合相变材料的热物性如图3 所示。

由图3 可见，该复合相变材料的相变温度为117.9 ℃，相变潜热为106.6 kJ/kg，表明其可用于相变蓄热电暖器。

2 相变蓄热电暖器实验台方案

2.1 相变蓄热电暖器结构设计

相变蓄热电暖器的外观及内部结构如图4 所示，结构参数如表2 所示。每个圆柱形蓄热单元内部都填充相变材料。为实现均匀地加热复合相变材料，在圆筒中心设置功率为200 W 的加热棒，同时圆柱外表面包裹一层功率为200 W 的加热膜。

表2 相变蓄热电暖器结构参数Tab.2 The structural parameters of the phase change heat storage electric heater

2.2 相变蓄热电暖器测试方案

搭建了相变蓄热电暖器蓄/放热性能实验房间（长3 m、宽3.3 m、高3 m 且外墙有保温层），对不同运行模式下相变蓄热电暖器的性能进行了测试。在控制相变蓄热电暖器运行时间的条件下，测试其蓄/放热过程中蓄热单元内部及其表面的温度，电暖器进、出风口温度，室内、外温度，电暖器的功率及其耗电量。

2.2.1 测试仪器布置方案

相变蓄热电暖器及其房间热环境的测点位置如图5 所示。其中室外温度记为T0，蓄热式电暖器的进、出风口测点温度分别记为T1、T2，在距离蓄热单元底部200、400、600 mm 处设置测点并将温度分别记为T4、T5、T6。房间内设置4 个测试位置，每个测试位置离地面0.5、1.0、1.5 m 高处分别布置测点，温度记为T7~T18。

实验过程中所需仪器设备及型号规格见表3。

2.2.2 运行模式设置

表3 实验所用设备及其型号规格Tab.3 The devices and their model specifications for the test

该相变蓄热电暖器在夜间低谷电阶段（23:00 至次日7:00）进行蓄热，在日间进行放热。运行试验设置2 种工况：工况1，夜间蓄热8 h，日间持续放热运行；工况2，夜间蓄热8 h，日间15:00—18:00进行补充蓄热。每种工况需要持续运行3 天达到稳定后再进行测试。

3 相变蓄热电暖器蓄/放热性能分析

3.1 蓄热能力

利用蓄热比衡量相变蓄热电暖器的蓄热能力。蓄热比是相变蓄热电暖器在1 个循环周期内非蓄热期间释放的热量与同一周期内释放的总热量之比，理想最大蓄热比的计算公式如式(1)、式(2)所示[14]。

式中：QSR为相变蓄热电暖器在1 个循环周期内的日间放热量；Δh为相变材料潜热，kJ/kg；m为相变材料总质量，kg；cl为相变材料在液态时的定压比热容，取2.82 kJ/(kg·℃)；ΔTl为蓄热结束后装置内复合相变材料温度与相变温度的差；cs为相变材料在固态时的定压比热容，取1.72 kJ/(kg·℃)；ΔTs为放热结束后装置内复合相变材料温度与相变温度的差。

经计算，该设备的理想蓄热比最大值为0.85。较大的蓄热比意味着较多的相变材料得到有效利用，更多的热量从夜间转移到日间。在实行峰谷价格政策的地区，可以有效降低运行成本。

3.2 不同运行模式下的供热性能

2 种运行模式下，相变蓄热电暖器蓄热单元内部轴线温度变化如图6 所示。将距离蓄热单元底部400、600 mm 处的材料加热至118 ℃需要70 min，之后蓄热单元的温度维持在125 ℃，说明该部分相变材料能够发生相变蓄热。距离蓄热单元底部200 mm 处的温度在循环周期内均未超过112.5 ℃，表明在该处及以下部分的材料并未发生相变。可见该蓄热单元结构参数仍有优化改进的空间。

为进一步研究不同运行工况下相变蓄热电暖器的供热性能，计算了相变蓄热电暖器在运行周期内蓄、放热过程的放热功率，其变化曲线如图7 所示。

由图7 可以看出，在工况1 中，蓄热单元日间未进行蓄热；蓄热停止5 h 之后，放热阶段放热功率下降较快，在15：00 趋近于0。工况1 下相变蓄热电暖器的平均放热功率为191 W，其中放热阶段的平均放热功率为65.9 W。表明相变蓄热电暖器在日间向室内供热的能力不足。在工况2 中，该蓄热单元在日间15:00—18:00 进行补热3 h，日间补热停止后的18：00—23：00 期间放热速率较大。工况2 下，相变蓄热电暖器的平均放热功率为300 W，其中放热阶段的平均放热功率为164 W，表明进行日间补热的运行模式可以提高该蓄热电暖器对室内环境的供暖保障能力。

3.3 经济性

按照北京市分时电价计算该相变蓄热电暖器的运行成本。在1 个典型的蓄放热周期内，该相变蓄热电暖器设计耗电量为11.2 kW·h，设计蓄热量为6 kW·h。通过电力检测仪测试发现该相变蓄热电暖器的实际用电量为9.4 kW·h，实际蓄热效率为63.8%，该相变蓄热电暖器可以充分利用低谷电。

根据北京低谷电价补贴可知，冬季采暖季低谷电价为0.3 元/(kW·h)，政府将对居民进行电费补贴0.2 元/(kW·h)，最终居民在冬季采暖期低谷电价时实际需要支付的电费为0.1 元/(kW·h)，高峰期电价为0.488 3 元/(kW·h)。北京市低谷电价时间段为20:00—8:00，采暖季为125 天。按照北京现行的采暖收费标准，热力集团城市热网价格为24 元/m2，天然气、电热价格为30 元/m2[15]。经计算得出，该相变蓄热电暖器在工况1、工况2 的采暖季费用分别为11.8 元/m2、22.9 元/m2，相较于其他供暖方式，其运行费用较低。

3.4 实验房间室内温度及舒适性

测试1 个循环周期内相变蓄热电暖器在2 种运行工况下的室内温度，结果如图8 所示。

由图8 可以看出：2 种工况下的室内温度相差较小，且温度波动较小；工况1、工况2 的室内平均温度分别为17、18 ℃。表明在室外温度为0~5 ℃时，该相变蓄热电暖器仍能使室内温度保持在18 ℃，具有较好的热舒适性。

4 结 论

1）添加7.5%膨胀石墨可消除六水合氯化镁材料的相分离现象，添加1%氢氧化钙时可降低材料的过冷度。

2）使用添加7.5%膨胀石墨和1%氢氧化钙的六水合氯化镁作为相变材料的相变蓄热电暖器的最大理想蓄能比约为0.85，平均放热功率可达300 W，可实现有效蓄热与供热。在夜间蓄热8 h、日间蓄热3 h 的运行模式下，室内温度可达18 ℃，满足冬季供暖要求。

3）本设备的实际蓄热效率为63.8%，可充分利用低谷电；运行资费最低可达11.8 元/m2，相比于热力管网及天然气供热，费用减少50%以上，可实现削峰填谷的效果，缓解高峰时段的电力紧张，同时节约运行资费。