蓄热技术及其应用
程述青
摘 要：蓄热技术是缓解人类能源危机的一种重要手段。本文首先介绍了蓄热技术的分类和特点，分析了蓄热技术在国内外的研究情况，又阐述了它在暖通空调等领域的应用状况，最后对蓄热技术的发展进行了展望。
关键词：蓄热技术；相变；暖通空调；节能
Abstract： The heat storage technology is an important means to alleviate the energy crisis of the human. This paper first introduces the classification and characteristics of the heat storage technology， heat storage technology research at home and abroad， and expounded the status of its application in areas such as HVAC， outlook on the development of regenerative technologies.
Key words： heat storage technology； phase transition； HVAC； energy saving
在许多能量利用系统中，往往存在着能量供应和需求的时间性差异，造成了能量利用的巨大浪费。蓄热技术是解决该问题的一种有效途径。蓄热技术的核心应用在于调和热能供给与需求在时间和空间上不相匹配的矛盾，在太阳能热利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及建筑节能、暖通空调等领域具有广泛的应用前景。
1.蓄热技术分类及特点
蓄热技术目前主要有显热蓄热、潜热蓄热（相变蓄热）和化学反应蓄热三种。
显热蓄热是利用物质温度的变化来存蓄热量的。常用的显热蓄热介质有水、水蒸气、鹅卵石等。显热蓄热介质来源广泛，价格低廉，系统简单，是目前最成熟、应用最广泛的蓄热方式。
潜热蓄热是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，吸收或放出相变潜热的原理。由于液气或固气转化时，容积变化非常大，不易控制，在实际工程中较难应用，目前有实际应用价值的是固液相变式蓄热。该技术的优势是：蓄热密度大、相变时温度稳定、所用装置简单、体积小、设计灵活等。
化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。化学能蓄热的特点是：可逆性好；正逆反应转变的速率快；蓄热密度比显热蓄热和潜热蓄热都大，可以贮存高温热能；也无须绝热保温，可以长时间的蓄热。但化学能蓄热系统复杂、价格也高。
2.蓄热技术国内外研究情况
20世纪30年代以来，相变蓄热的基础理论和应用技术研究在发达国家（如美国、加拿大、日本、德国等）迅速崛起。材料科学，太阳能，航天技术，建筑物空调采暖通风及工业废热利用等领域的相互渗透与迅猛发展为相变蓄热研究和应用创造了条件。在相变蓄热的理论和应用研究方面，美国一直处于领先地位。Dr. Maria Telkes等先后在相变材料的配制和性能研究、相平衡、相变传热、相变材料性能改善等方面做了大量工作，并在马萨诸塞州建起了世界上第一座PCM太阳能暖房。60年代，随着载人空间技术的迅速发展，美国NASA 大力发展了相变材料热控技术。70 年代早期，日本三菱电子公司和东京电力公司联合进行了用于采暖和制冷系统的相变材料的研究。德国也进行了大量相变储能的机制和应用的研究，Krichel 绘制了大量PCM的物性图表。近年来，相变蓄热的应用研究主要集中在太空太阳能动态发电系统蓄热，建筑物围护结构蓄热和空调蓄热和工业余热、废热回收系统蓄热。相变蓄热在太阳能热泵的应用研究领域，土耳其K. Kaygusuz 等学者研究较为深入[1]。
我国是在20世纪80年代初开始着手研究蓄热材料的，而且早期主要研究对象是相变蓄热材料中的无机水合盐类。90年代中期，研究重点才转向有机蓄热材料及固-固相变蓄热材料，但研究的种类和方法还比较少。近年来，国内对相变蓄热材料的研究日益广泛，尤其以相变蓄热材料的组成、提高相变材料蓄热与放热特性以及组合相变材料的开发研制为主。浙江大学、华南理工大学、清华大学在这些方面做了大量工作[2]。但与发达国家相比，我国相变蓄热材料的理论和应用研究还较薄弱，从应用范围来看，国内的蓄热材料目前只是应用在太阳暖房、农用日光温室等领域。在太阳能热泵中的应用研究还处于初始阶段。
3.蓄热技术的应用
3.1太阳能热储存
太阳能是巨大的能源宝库，具有清洁无污染、取用方便的特点。但到达地球表面的太阳辐射具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行，就需要蓄热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。
3.2 工业废热、余热回收
目前工业热能储存采用的是再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置。采用蓄热技术来回收储存碱性氧气转炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中的废热，既节约了能源，又减少了空气污染以及冷却、淬火过程中水的消耗量。在造纸和制浆工业中，燃烧废木料的锅炉适应负荷的能力较差，采用蓄热装置后，可以提高其负荷适应能力。在食品工业的洗涤、蒸煮和杀菌等过程中，由于负荷经常发生波动，采用蓄热装置后就能很好地适应这种波动。纺织工业的漂白和染色工艺过程也可采用蓄热装置来满足负荷波动[3]。
3.3电力调峰及电热余热储存
电力资源的短缺是人类长期面临的问题，但是电力资源的浪费却非常严重，如我国的葛洲坝水利枢纽工程，其高峰与低谷的发电输出功率分别为220万kW和80万kW，用电低谷发不出的电能只有通过放水解决。若能把这部分能源回收，则可大大缓解能源紧张状况。蓄热技术仍是目前回收未并网的小水电、风力发电的一个重要手段。在电厂中采用蓄热装置可以经济地解决高峰负荷，填平需求低谷，以缓冲蓄热方式调节机组负荷更方便。采用蓄热装置可以节约燃料，降低电厂的初投资和燃料费用，提高机组的运行效率和改善机组的运行条件，从而提高电厂的运行效益和改善电厂的利用率，降低排气污染，改善环境[3]。
3.4太空太阳能动力系统蓄热
由于目前光伏转换效率低，难以达到较高的功率，解决办法是基于高温热力学循环的动态太阳能发电系统。为了保证空间工作热动力的连续性，太阳能的集热、蓄热系统可以解决无光期发电系统热能供给的连续性。由于相变蓄热所具有的高蓄热密度和低的温度波动特性，而被空间发电蓄热系统采用[4]。
3.5 暖通空调领域
蓄能技术在暖通空调领域中的应用主要分为两类：
一是采用相变材料与建筑围护结构结合，如相变墙板、相变顶板和相变地板。将相变材料复合到现有建材中，可以在建筑承重增加较小的条件下有效增大建筑热惯性，减小室内温度波动，增加室内环境舒适性。
二是利用相变材料直接蓄能用于供暖或空调系统。如在国防工程内部电站余热利用中，采用相变蓄热材料石蜡来储存发电机组产生的余热，需要时将这些热能用于空气加热，节约了能源，提高了能源的再利用率[5]。
3.6 其他应用
蓄热在医药工业中也有广泛应用。血液运送、热与冷治疗过程中，温度维持就需要利用温控蓄热材料来调节。蓄热技术也可以应用于农业中，来调控农作物生长所需适宜的温室温度；应用于纺织服装中以增强服装的保暖功能。另外，敏感性强的电子设备间的温度维持，食品、化学药品或试剂等的运输、储存、零售中的热保护，电子设备、集成块的散热，人造卫星、宇宙航行和军事武器系统的温度控制等场合，都需要蓄热技术提供支持[6]。
4.结语
随着人类对节约能源和环境保护的重视，对蓄热技术的需求越来越强烈。蓄热技术在节能，工程保温材料，航空和航天器材，贮能炊具等方面都将展示出广阔的应用前景。今后研究的主要方向是制备出具有更多功能的新型相变材料，如导电相变材料，形状记忆相变材料等。将纳米技术与复合相变材料的制备相结合，制备高效的纳米复合相变材料也是蓄热技术领域的一个新热点。
参考文献
[1] 孙志林、屈宗长.相变蓄热技术在太阳能热泵中的应用[J]. 制冷与空调，2006.6（6），44-48.
[2] 王坤.太阳能建筑供暖和蓄热系统的研究[D].江苏大学，2009.
[3] 崔海亭、袁修干、侯欣宾.蓄热技术的研究进展与应用[J].化工进展，2002.21（1）.23-25.
[4] 王永川、陈光明、洪峰、张海峰.组合相变蓄热材料应用于太阳能供暖系统[J].热力发电，2004（2）.7-9，37.
[5] 齐琦、姜益强、马最良.相变蓄热材料及其在暖通空调领域中的应用[J].建筑热能通风空调，2006，25（3）.17-19.26.
[6] 左远志、丁静、杨晓西.中温相变蓄热材料研究进展[J].现代化工，2005.25（12）.15-19
