趙海軍　戴劍鋒　付比　令潤強

【摘要】設計了以封裝相變儲熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲熱池進行儲熱，可進行跨季節(jié)太陽能儲熱，或用于冬季供暖和供熱。分析了儲熱池的熱性能，并通過熱工計算給出了關鍵設計參數(shù)，核算表明太陽能附加項目經(jīng)濟成本20.8萬元，替電靜態(tài)回收期為9.5年。

【關鍵詞】相變材料；儲熱池；過冷度

引言

傳統(tǒng)儲熱方式有微膠囊相變儲熱技術[1]、相變材料直接與建筑材料復合等方式[2]，其優(yōu)點是微膠囊顆粒微小、粒徑均勻且壁?。?.2～10μm），可增大相變材料的比表面積，加快相變材料的熱傳遞，易與各種高分子材料混合構成性能更加優(yōu)越的復合高分子相變材料。減少了相變材料與外界環(huán)境的反應，提高了相變材料的穩(wěn)定性。但其不足之處是一經(jīng)使用無法靈活更換，且直接與建筑材料相復合的相變材料容易失去結(jié)晶水而無法繼續(xù)發(fā)生相變，導致循環(huán)次數(shù)降低，在大規(guī)模應用上還是有一定的限制，包封性差等。將塑封相變儲熱材料管復合于墻體和地板中效果隨好，但儲熱量有限，不能完全滿足設計要求。因此，本文設計了以封裝相變儲熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲熱池進行儲熱，循環(huán)使用后材料的熱學性能穩(wěn)定，而且利用水的高對流系數(shù)，大大提高了充放熱效率，也解決了泄露和腐蝕污染等問題。

1、相變儲熱池設計

1.1儲熱單元結(jié)構

儲熱單元（結(jié)構如圖1所示）由箱式單體上支撐座1、下支撐座2、箱式單體支撐架3和封裝儲熱材料的塑封管4構成，將聚乙烯管排布于50×50cm2的底座上，用上下兩個多孔支撐板將其鑲嵌固定其間。該塑封管的高密度排列提高了可存儲的相變材料的有效體積，單位化的細管與箱式單體可更具需求靈活堆砌，可同時封裝不同相變溫度的儲熱材料。

儲熱單元儲熱時，塑封管中封裝相變材料，將儲熱單元浸入水中，通過太陽能集熱器加熱儲熱單元中的水，并與塑封管中的相變材料發(fā)生熱交換，使材料發(fā)生固-液相變，存儲太陽能。放熱時，相變材料又發(fā)生液-固相變，放出能量，通過傳熱把熱量交換給水循環(huán)系統(tǒng)進行供熱。

儲熱單元中塑封管采用錯位密排結(jié)構，其內(nèi)放置長50cm、外徑3cm、壁厚1mm的塑封管，管間距4mm，可排布188根。儲熱單元的有效容積率為46.3%。

1.2儲熱池結(jié)構

考慮到施工工藝簡單和密封性能良好，設計圓柱形儲熱池，池內(nèi)放置儲熱單元128個排列兩層，每層64個單元按8行8列放置（見圖2）。為了儲熱單元的頂角不與儲熱池邊緣摩擦，則儲熱池半徑至少為3.0m。兩層儲熱單元堆積，考慮封頂需要一定空間，將池高設為1.2m。儲熱池儲熱材料的有效容積為7.3m3.

儲熱池體的建造以水泥墻為池內(nèi)壁，夾層保溫墻為池外壁，水泥鋪設地基，在其上用水泥柱支撐起水泥板和水泥墻構成的蓄熱池內(nèi)腔，內(nèi)壁與外壁間形成空氣隔熱層。保溫層選取聚氨酯，施工方便，綜合造價低，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐沖擊性；使用壽命長，可達30-50年。

2、儲熱性能分析

為了提高充放熱效率，保證冬季供暖出水溫度不低于65℃（其他用途可根據(jù)需求溫度設計相變材料），儲熱池內(nèi)封裝的材料相變溫度應在80-100℃，針對這一溫度范圍的一些材料，根據(jù)其熱物性和市場調(diào)研比較[3]，采用KAl（SO4）2·12H2O較經(jīng)濟。

KAl（SO4）2·12H2O的相 變 溫度85.8℃，密度1750kg/m3，相變潛熱為232kJ/kg。在聚乙烯管中封裝一定量的KAl（SO4）2·12H2O，將鉑電阻溫度傳感器插入管中并用橡膠塞密封，然后放入數(shù)顯恒溫水浴鍋，分別加入不同成份及組分的成核劑恒溫一段時間后從恒溫水浴鍋中取出，放在支架上自然冷卻。同時通過數(shù)據(jù)采集儀每10s記錄一次冷卻溫度，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)用Origin8繪出步冷曲線，選出最好的實驗配比[4]。

在分別添加硼砂Na2B4O7·10H2O、Na2SiO3·9H2O作為成核劑時，進行加熱-冷卻實驗，系統(tǒng)的溶解-凝固曲線如圖3（a-b）所示。實驗表明，加入不同的單一成核劑使KAl（SO4）2·12H2O的過冷度有所降低，但均不理想。成核劑太少時（如添加3wt %CH3COONa·3H2O），晶核的數(shù)量太少而不能完全抑制過冷；成核劑太多時（如分別添加5wt %、10 wt % Na2SiO3·9H2O），析出成核劑的粒子太多，粒子碰撞的幾率增大，容易形成更大的核，表面自由能增大，不利于抑制過冷。

加入兩種或兩種以上的成核劑，進行加熱-冷卻實驗，系統(tǒng)的溶解-凝固曲線如圖5（c-d）所示。實驗表明，添加多種成核劑后，儲熱材料的過冷度有了明顯的降低。添加3wt% Na2HPO4·12H2O +3wt%CH3COONa·3H2O抑制過冷效果較好，過冷度0.8℃；加入3wt%Na2HPO4·12H2O+2wt%Na2B4O7·10H2O+5wt%Na2SiO3·9H2O的效果最好，過冷度為0.667℃，并且Na2HPO4·12H2O，Na2B4O7·10H2O和Na2SiO3·9H2O都是儲能密度很大的儲熱材料。說明添加幾種成核劑影響成核的因素很多，有晶粒大小的不同、晶體結(jié)構的不同、表面自由能大小的不同、酸堿性的不同、研磨的顆粒大小的不同、外部環(huán)境等因素的影響。

依據(jù)實驗結(jié)論，管內(nèi)儲熱材料中添加成核劑3wt%Na2HPO4·12H2O+4wt%Na2B4O7·10H2O+3wt%Na2SiO3·9H2O，以達到最佳儲能效果。

3、結(jié)論

與傳統(tǒng)的相變材料儲能方式相比[5]，采用以封裝相變儲熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲熱池進行儲熱，循環(huán)使用后材料的熱學性能穩(wěn)定，而且利用水的高對流系數(shù)，大大提高了充放熱效率，也解決了泄露和腐蝕污染等問題。

參考文獻

[1]王立新，蘇峻峰，任麗.相變儲熱微膠囊的研制.高分子材料科學與工程[J].2005（1）：276-279.

[2]殷志強.太陽能光熱技術的進展.太陽能[J].2011（18）：29-30.

[3]韓毓華，陳立偉.芒硝系太陽能蓄熱劑.化工時刊[J].1988（4）.

[4]Pincemin S， Olives R， Py X， Christ M. Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage. Solar Energy Materials & Solar Cells[J].2008（92）：603-613.

[5]Francis Agyenim， Neil Hewitt， Philip Eames. A review of materials， heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems （LHTESS）.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].2010（14）：615–628.