张美慧 刘学晶 周涛 付文浩 侯桂芹*
(华北理工大学材料科学与工程学院 唐山 063210)
[摘要]相变储热材料由于具有储热密度高和潜热值大等优点成为目前研究的热点。介绍了相变储热材料的分类及选取要求，总结了相变储热技术在不同领域的应用、研究现状、存在问题及研究重点。
[关键词]储热；相变材料；复合材料；应用
随科技的不断发展，可持续发展观念不断深入人心，不可再生能源的逐步减少必然促使人类开发可再生能源，而提高能源利用率也是各国所提倡的发展策略。降低各种能耗是节能减排的重点，因此储能技术是十分重要的。
储热技术的核心是储热材料，因此储热材料备受关注。相变储热技术是利用物质在凝固、凝结、凝华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理来进行能量储存的技术。在相变材料相变时把热能贮存起来，这样的储能比显热高一个数量级，且相变材料放热温度波动小，减少了储热和放热过程中能量的损失，发展潜力巨大。
2.相变储热材料分类及选用原则
相变材料的分类方法很多，可分为固-固、固-液、固-气和液-气相变材料。固-液储能材料因其优势是目前研究最为成熟、应用最为广泛的。因其具备操作简单、价格低廉、储热密度高和相变温度范围大等特质被广泛应用于工业生产中。固-液相变材料按照化学成分又可分有机、无机及复合相变材料。
2.1有机相变材料
有机相变材料主要有醇类、石蜡、脂肪烃类、聚烯醇类等。有机相变储能材料的优势显著，不仅热稳定性良好，腐蚀性小，成本偏低，并且其显著的优点是在固态成型时一般不会发生相分离与过冷现象；不可避免的也存在一定缺点，如导热系数小，熔点较低，不适于高温场合使用。并且，由于液相具有一定的流动性，必须有容器盛装并密封，防止泄漏、腐蚀以及污染环境，以上缺点制约了它的使用。
2.2无机相变材料
常见无机相变材料包括水合盐类、金属或合金类、熔融盐类。结晶水合盐制造应用比较广泛，其成本低，体积蓄能密度大、熔解热和导热系数大，一般显中性，熔点范围宽泛，在中低温相变领域的应用较广泛。但缺点是应用过程中常出现相分离和过冷现象，使得相变材料的灵敏度和准确度降低，且具有一定的腐蚀性，限制了其进一步的发展和使用。
2.3复合型相变储热材料
单一相变材料难以满足人们的要求，而混合类材料是两种或更多种不同材料的组合，可把各种储热材料优点集中，拓宽材料使用范围，取长补短，很好的解决了单一材料的问题。复合相 变材料[1]有以下两种：一种是由两种相变材料组成，二者按一定比例混合，此类复合相变材料的优势是操作步骤简单，可以通过改变配比改变其相变温度。但需封装，否则容易发生泄漏，威胁安全。另一种是定型相变材料，常见的支撑材料包括胶囊、多孔材料或高分子材料等。它无需容器封装，化学稳定性良好且腐蚀性小，降低了使用难度提高了安全性。基于以上优点，复合相变材料是相变储热材料的发展趋势。
2.4相变储热材料的选用
不同的相变材料具有各自的优缺点，应用时应根据特点和性能特征选择合适的相变材料，理想的相变材料一般须满足以下要求：
（1）具有较高的储能密度和较大的相变潜热；
（2）应满足不同的应用要求，与工作温度相匹配；
（3）具有良好的热循环稳定性，在反复相变过程中，应不易发生泄露；
（4）相变材料具有较高的导热系数，有利于材料的传热；
（5）原材料廉价并且产量充足易于获得；
（6）材料应易于封装存储。
3. 相变储热技术的应用
相变储热技术的实际应用效果主要与储热系统的紧凑性和经济性以及相变储热材料的综合性能密切相关。目前，部分相变材料逐渐开始用于商业途径，在绿色建筑、工业余热回收、太阳能系统、生物技术、纺织业和农业等方面都具有广阔的应用前景。
3.1建筑节能（提高建筑中的能源利用率）
我国乃至世界各国的建筑大多数为高能耗，对经济发展极为不利，因此对建筑方面进行节能改进是十分必要的。相变材料可以在恒温状态下，通过吸收、释放热量过程产生固液相变来降低空调系统能耗。且我国绝大部分地区存在昼夜温差，相变材料可以通过吸收夜间的冷量，释放白天的热量来降低能耗[2]。目前, 对建筑节能方面相变材料的应用主要包括墙体、屋顶、板材等。
3.2工业余热回收
利用相变材料能够高效回收工业余热，对增大能源利用效率、减少热损、降低排放量意义重大。日本学者Yagi等使硅－铝合金相变材料中硅含量不同，进行工业余热回收；MerlinK等食品加工业的余热回收领域，设计的储热装置提供了近100kw的热功率，有效地降低了食品加工过程的能量损耗。
3.3太阳能热储存
通过太阳能热水器与相变材料相结合，可发挥PCM相变潜热大的优点。Al-Hinti I等将相变蓄能装置用于传统太阳能热水系统，结果表明，使用了相变材料储热装置后热水温度升高14℃。Zhou 等人通过利用复合相变材料相技术建了太阳能房，这种房可以使能源短缺现象有所缓和。
3.4清洁供暖方面
相变储热设备包括相变储能热库、相变储能箱、相变储能板等。其中热库有650MJ储热量，内部有无机相变复合材料。为了更好的进行测试，另制备一台样机，经5000次左右充放热循环的热量统计，基本无衰减。主要应用在大型项目上，可跨时段跨区域供暖。
3.5其他领域的应用
除此之外，复合相变材料还可用于生物领域、农业领域、纺织领域等方面。在生物领域，可以已快速、精确的方式检测出低浓度的生物标志物。在纺织领域，应用在医疗及生活布制品，消防人员、排爆部队的冷却服，寒冷地区搜救员、潜水员等的保暖服等方面。在农业领域，可实现温室的温度调节。在早春和冬季，可以使用材料控温作用来培养抗旱的蔬菜品种[3]。
4．结语
在全球可再生能源技术成本偏高且不可再生能源持续减少的大趋势下，相变材料优良的储能性能使其具有广阔的应用前景。
针对现有的研究.发展现状和.存在的.问题，今后的研究重点应在于：
（1）在建筑工业等大型应用上，注重解决成本高、工艺复杂的问题，以便增强竞争优势，扩大应用范围。
（2）针对不同的室内外环境条件，着重解决相变温度区间的限制问题，并且开发具有更高相变潜热值的材料。
（3）对于相变材料自身缺陷，注重解决其导热系数较低及易于出现相分离现象的问题，研究增大其导热性能，提高储放热效率的方法。
参考文献
[1] 冷光辉.储能科学与技术. 2017;6:1058-75.
[2] 李贝.制冷学报. 2017;38:36-43.
[3] 杨柳. 科学通报. 2018;63:629-40.
基金项目：华北理工大学大学生创新创业培训计划的资助项目（X2020089）
作者简介： 张美慧，本科生，研究方向为光催化材料和复合材料；
通讯作者：侯桂芹，博士，研究方向为光催化材料和复合材料.