相变储冷技术及其在空调系统中的应用_李沐.pdf

第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology相变储冷技术及其在空调系统中的应用李沐，李亚溪，李传常（长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114）摘要：储能是实现“双碳”目标的关键支撑技术之一。相变储能因能实现能量的存储及释放、有效提高能源利用效率，是目前解决能源供需不平衡问题的重要途径。随着人们对冷能需求的增长，相变储冷技术受到了研究者的广泛关注，但与传统相变储热技术相比，相变储冷技术这一领域的综述文章还较少。本文梳理了相变储冷技术的基本工作原理和特点，介绍了应用于储冷空调系统相变材料的不同种类、性质及其优缺点，阐述了相变储冷关键技术，包括物性提升关键技术、传热强化关键技术、封装定型关键技术，分析了储冷空调中的不同储冷器件结构(板式、球式、螺旋管式、壳管式)和应用技术。进而总结了相变储冷技术在常规储冷空调系统及冷链运输储冷空调系统中的应用。本文对储冷技术目前的发展现状及前景分别做出了较全面的总结和分析，指出了相变材料性能的改善、储冷器件的传热强化、空调系统的COP和节能率的提升、保持系统的长期稳定运行是今后对储冷空调系统的研究重点。关键词：储冷技术；相变材料；储冷器件；空调系统doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0498 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-180-18Phase-change cold storage technology and its application in air conditioning systemsLI Mu,LI Yaxi,LI Chuanchang(School of Energy and Power Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,Hunan,China)Abstract:Energy storage is one of the critical supporting technologies to achieve the“dual carbon”goal.As a result of its ability to store and release energy and significantly increase energy utilization efficiency,phase-change energy storage is an essential tool for addressing the imbalance between energy supply and demand.As the demand for cold energy grows,phase-change cold storage technology is receiving a lot of attention from researchers.However,compared with the traditional phase-change thermal-storage technology,there are fewer review articles in this field.This study sorts out the basic working principle and characteristics of phase-change cold storage technology.It introduces different types and properties of phase-change materials applied to cold storage air conditioning systems and their advantages and disadvantages.The study also describes key technologies of phase-change cold storage,including critical technologies of physical property enhancement,heat transfer enhancement,and critical technologies of packaging and sizing.Furthermore,it analyzes different structures of cold storage devices(plate,sphere,spiral tube,shell,and tube)and applications in cold storage air conditioning 储能系统与工程收稿日期：2022-09-02；修改稿日期：2022-09-16。基金项目：湖南省重点研发计划（2022GK2048）；湖南省交通运输厅科技进步与创新计划（202029）；湖南省湖湘青年英才（2020RC3038）；长沙市杰出创新青年培养计划项目（kq1802007）。第一作者：李沐（1999），男，硕士研究生，研究方向为相变储冷技术及其应用，E-mail：；通讯作者：李传常，教授，研究方向为储能技术及其关键材料，E-mail：。第 1 期李沐等：相变储冷技术及其在空调系统中的应用technology.The applications of this technology in conventional cold storage air conditioning and cold chain transportation cold storage air conditioning systems are also summarized.Finally,this study summarizes and analyzes the current development status and prospects of cold storage technology.It highlights that the improvement of phase-change material performance,heat transfer enhancement of cold storage devices,improvement of COP,energy saving rate of an air conditioning system,and maintenance of long-term stable operation of the system are the focus of future research on cold storage air conditioning systems.Keywords:cold storage technology;phase-change materials;cold storage devices;air conditioning systems大量不可再生能源的使用导致了全球气候变暖和生态环境恶化。在第七十五届联合国大会上我国提出力争2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和的目标1。这为发展清洁能源，促进能源绿色低碳转型指明了前进的方向。中国建筑节能年度发展研究报告2020的数据显示：2018年全国建筑全过程能耗占全国能源消费总量的比重为 46.5%，建筑运行阶段能耗占比21.7%2。空调是保持建筑环境热舒适的关键3，但空调系统的能耗占建筑物运行能源消耗的一半以上4。近年来有很多研究者通过控制和优化设计来提高空调系统的能效比(COP)，而这些措施设计复杂，成本昂贵5。将储冷技术应用到空调系统中，通过电低谷期将冷量存储起来，用电高峰期释放冷量进行供冷，有效实现了“削峰填谷”，达到平衡负荷、节能减排的目的6-7。目前主要的储冷方式包括显热储冷、相变储冷及热化学储冷8。相变储冷拥有远大于显热储冷的能量密度，并且较热化学储冷容易实现冷量存储及释放的循环，是目前关注最多且应用最广泛的储冷方式9。相变储冷技术在空调系统中的应用包括冰储冷以及相变材料储冷，冰储冷是一种发展早且较成熟的储冷技术。然而，冰储冷空调系统使用冰作为储冷介质，相变温度为0，低于常规空调系统中冷冻水712 的温度工况，其制冷机组蒸发温度过低，导致系统运行效率降低了30%40%9，且其固定的相变温度达不到部分冷链运输中对0 以下的温度需求。使用相变材料作为储冷介质，通过相变过程进行能量的存储和释放，具有较高的能量存储密度和可调控的相变温度，能满足不同系统工况对温度的需求，大大提高了空调系统的运行效率10。本文对可应用于空调系统的相变材料进行了分类，阐述其各自优缺点，并分析了相变储冷性能提升的关键技术。同时，系统综述了相变储冷技术与空调系统的结合，介绍了主要相变储冷器件，并对相变储冷技术在常规空调系统及冷链运输空调系统两方面的应用展开分析。最后总结了目前储冷技术在空调系统中应用的问题和瓶颈，为本领域后续研究的开展提供一定的参考。1 相变储冷技术相变储冷技术主要是利用相变材料在低谷电价时间段内相变，存储冷量，在用电高峰期时释放冷量的过程。该技术已广泛应用于空调系统11、建筑节能12、电池热管理13、冷库14等场景。本部分将重点探究可应用于储冷空调系统的12 以下的相变储冷材料及相变储冷关键技术。1.1相变储冷材料相变储冷技术的研究重点就是开发新型的相变储冷材料。相变材料按照形态的转变可以分为固-固转变、固-液转变、固-气转变、液-气转变四类15。但气态的转变会产生很大的体积变化，在实际应用中有很大限制。目前研究及应用最为广泛的是固-液相变材料16。根据固-液相变材料的化学成分，可分为以下三类：无机相变储冷材料、有机相变储冷材料和共晶相变储冷材料。1.1.1无机相变储冷材料无机相变材料包括无机化合物、金属合金、水合盐17。其中，应用在低温相变温区的无机相变材料多为水合盐。水合盐是指无机盐吸收水或水蒸气后形成的带有结晶水的无机化合物18。常见的水合盐包括CaCl26H2O、Na2SO410H2O、Na2HPO412H2O、Na2CO310H2O等。水合盐具有高潜热、高导热性及价格低廉的优点，近年来受到了研究者的广泛关1812023 年第 12 卷储能科学与技术注19。常用的水合盐因为较高的相变温度而不能直接应用于空调储冷工程，同时，需要解决水合盐存在的过冷及相分离问题。1.1.2有机相变储冷材料有机相变材料最基本的组成要素是碳元素，低温相变温区中常见的有机相变材料主要包括石蜡、脂肪酸、多元醇、酯等。有机相变材料具有过冷度小、无毒无腐蚀及较好的循环稳定性的优点，其性能稳定、发展较早、更为成熟，在工程中已经得到了广泛应用，但导热系数低、相变潜热低及易泄漏问题仍需改善20。1.1.3共晶相变储冷材料单一的无机相变材料或有机相变材料存在的缺点使其难以直接应用在储冷工程中，研究者们通过将两种或两种以上的低熔点物共混形成共晶相变材料21。共晶相变材料可分为无机共晶相变材料及有机共晶相变材料10。共晶相变材料最大的特点是可以通过调节各组分的比例从而调节相变温度22。有机共晶相变材料的相变温度可以通过下式确定10：lnxi=HiR(1Ti-1Tm)(1)式中，Tm为共晶物的相变温度，K；R为理想气体常数，8.315 J/(molK)；xi为共晶物中主要成分i的摩尔分数；Ti为纯材料i的相变温度，K；Hi为纯材料i的熔化潜热，J/g。Zhao等23以正十四烷(TD)与十二醇(LA)为研究对象，对其不同质量比例样品进行热性能测试，结果显示其混合比例为66 34 时具有最佳热物性，共晶材料的相变温度为4