相变蓄热材料在太阳能供暖系统中的应用分析
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摘 要：在时代发展与科技进步的大背景下，太阳能等清洁能源日益受到人们的重视，太阳能供暖系统在国内逐步普及、推广开来。但太阳能供暖系在运行过程中，始终存在着无法稳定、连续供暖的问题;惟有做好热能储存，才可解决这一难题。在太阳能供暖系统中积极应用相变蓄热材料，可以帮助太阳能系统实现高效率的热能储存与热能利用。本文将就此方面展开论述、分析。
关键词：相变蓄热;太阳能供暖系统;相变蓄热材料;应用
随着社会的发展，国内建筑能耗也在不断增长。据统计，2018年全国社会总能耗达46.4亿吨标准煤，其中建筑能耗占比达20%～33.3%，全国建筑碳排放量超过20亿吨。建筑在运行过程中不仅消耗了大量化石燃料，而且还产生了严重的环境污染问题。当前，我国正在致力于建设资源节能型、环境友好型社会，因此，应当在建筑中大力推广太阳能等清洁能源。而推广太阳能技术，特别是在供暖系统中，又需要主动应用相变蓄热材料。
一、相变蓄热
常见的热能储存方式，可分为显热蓄热、潜热蓄热、化学反应蓄热。显热蓄热技术主要有水蓄热技术与岩石床蓄热技术，这种蓄热方式需要采用必要的保温措施，热量耗散大，蓄热容量小、工作温度低，传输距离短。潜热蓄热利用吸收或释放潜热来达到蓄热目的，这种蓄热方式同样需要采用必要的保温措施，在长期储存热能时热量耗散较大，蓄热容量适中、工作温度低、传输距离较短。化学反应蓄热主要利用可逆化学反应的热效应来进行蓄热，这种蓄热方式不需要采用保温措施，热量耗散较小、蓄热容量较大、工作温度较高、传输距离较长。
在进行潜热蓄热的过程中，物质会由固定转变为液态、或由液态转变为气态，释放出相变热（熔解热或汽化热）。因此，潜热蓄热又称为相变蓄热。相变蓄热又可分为固态-固态相变、固态-液态相变[1]。相较于显热蓄热，采用相变蓄热可以增加更大的蓄热量;相较于化学反应蓄热，相变蓄热的成本较低，因此，相变蓄热日益受到人们的重视。
二、相变蓄热材料
相变蓄热材料的种类有很多，如：水，其熔点为0℃，其熔化热达333kJ·kg-1，其热导率达0.612W·m-1·k-1，其密度为998kg·m-3;氯化钾结晶水（liCl03·3H2O），其熔点为8.1℃，其熔化热达253kJ·kg-1，其密度为1720kg·m-3;氟化钾结晶水（KF·4H2O），其熔点为18.5℃，其熔化热达231kJ·kg-1，其密度为1447kg·m-3;氢氧化钡结晶水（Ba（OH）2·8H2O），其熔点为78℃，其熔化热达265.7kJ·kg-1，其热导率达0.653W·m-1·k-1，其密度为1937kg·m-3;等等。
三、在太阳能供暖系统中应用相变蓄热材料
（一）太阳能供暖系统
太陽能供暖系统，由太阳能集热器、供暖管道、散热设备、贮热设备、辅助热源等组成。该系统通过集热器采集太阳光辐射能，加热其中的热媒，热媒再沿供热管道输入散热设备，为用户提供热能[2]。据分析，在建筑能耗中，暖通能耗占比超过三分之一。大力推广太阳能供暖系统，可以有效降低建筑能耗。
但太阳能供暖系统在运行过程中，会受到阴雨、多云、暗夜的影响，无法稳定、连续地为用户输出热能。这就需要我们开动脑筋想办法，积极应用相变蓄热材料。
（二）在太阳能供暖系统中应用相变蓄热材料
1.选择相变蓄热材料
在太阳能供暖系统中，宜选择含水硫酸钠（NA2SO4·10H20）充当相变蓄热材料。含水硫酸钠的熔点达31℃，熔解热达220.8kj/kg，密度达1440kg/m3，固相比热达1.95kj/kg·℃，液相比热达3.355kj/kg·℃;其熔点温度适中，其体积较小，其热导率较高，便于施工[3]。选择含水硫酸钠，可选用十二烷基苯碘酸钠作为防相分离剂，选用硼砂作为防过冷剂。
2.计算相变蓄热材料用量
设相变蓄热材料质量为m（单位为kg），材料的相变温度为a（单位为℃），材料的最初温度为b（可取值为20℃），材料升温后的最终温度为c（单位为℃），材料液相比热容为Cl（单位为kj/kg·℃），材料固相比热容为Cs（单位为kj/kg·℃），材料在蓄热过程中储存的热量为Q（单位为kj），相变潜热为X（单位为kj/kg），则相变蓄热材料的用量为：
m=Q/（（a-b）·Cs+X+（c-a）·Cl）
3.充分利用水硫酸钠进行相变蓄热
太阳能集热器接受到的热能传输至水硫酸钠，经过5小时持续加热，水硫酸钠会基本熔化，蓄积热能[4];入夜后，太阳能集热器停止加热，水硫酸钠则向用户的房间释放出蓄积的热量，进行供热，使室内温度保持在27℃左右;在散热过程中，水硫酸钠逐渐凝固。第二天日出后水硫酸钠再次受到加热，开始新的蓄热。
四、结语
太阳能技术是一个系统工程，需要做好各个方面的协调、配合，需要管控好各个细节。在太阳能供暖系统中应用相变蓄热材料，可以节约太阳能供暖系统的运行成本，提高太阳能供暖系统的运行时间;因此，相变蓄热材料值得大力推广。
参考文献：
[1]刘岩，傅振鹤.太阳能相变蓄热新风供暖系统研究[J].山东工业技术，2019（14）：78.
[2]孟娟，吴文潇，成蒙，关欣.强化太阳能相变蓄热技术的研究进展[J].新能源进展，2019，7（02）：155-160.
[3]陈彦康，张华，王子龙，张乔丹，梁浩.相变材料太阳能蓄热水箱热特性实验研究[J].制冷学报，2019，40（02）：105-112.
[4]何峰，李廷贤，姚金煜，王如竹.基于相变储热的太阳能多模式采暖系统及应用[J].储能科学与技术，2019，8（02）：311-318.
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