相变储热技术实现低成本清洁采暖的工作原理与应用场景

全球碳中和大背景下，能源格局从化石能源绝对主导朝着低碳多能融合发生转变。国家《“十四五”可再生能源发展规划》明确，到 2025年，可再生能源消费总量达到10亿吨标准煤左右，占一次能源消费的18%左右；可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时左右，风电和太阳能发电量实现翻倍；全国可再生能源电力总量和非水电消纳责任权重分别达到33%和18%左右，利用率保持在合理水平；太阳能热利用、地热能供暖、生物质供热、生物质燃料等非电利用规模达到6000万吨标准煤以上。

随着可再生能源规模的扩大，能量的存储和转化成为了解决可再生能源不稳定性的关键技术。要实现清洁能源的大规模应用，就需要发展新能源储运技术。相变储热作为一种从技术和经济上都可以实现规模化的储能技术，必将参与其中。

何为相变储热

相变储热是热储能的一种利用相变材料储热特性, 来进行储热和释热，从而达到一定的可调节和控制该相变材料周围环境的温度, 改变能量使用的时空分布, 提高能源的使用效率的储热技术。其在一定程度上综合了热化学储热密度高和显热储热工艺简单成熟的优点，发展潜力巨大。

相变材料的分类

相变材料是在相变过程中吸收或释放大量能量以调控温度的一类储能材料。

1. 按相变类型，可分为固-固固-液固-气液-气型PCM；
2. 按相变温度，可划分为高温相变材料（相变温度>250 ℃中温相变材料（相变温度为20~250 ℃低温相变材料（相变温度<20 ℃
3. 材料成分，相变材料通常又可分为熔融盐类有机类合金类复合类等。

自20世纪中期各国研究人员开始研究相变材料，如今相变材料种类超过1000种，但适合研究且能运用到实践中的少之又少。因此，加快对相变材料及其应用的研究变得越来越重要。

相变储热的工作原理

相变储热技术的工作原理是利用物质的相变过程来进行储放热。具体来说，物质有固、液、气三相，物质由一种状态（相）变为另一种状态（相）会吸收或释放能量，且过程中温度不变。

1. 当环境温度高于相变温度时，材料吸收热量由固态转变为液态
2. 当环境温度低于相变温度时，材料释放热量由液态转变为固态释放热量，从而维持环境温度在适宜水平。

水是我们最常见的相变材料，在０℃水凝结成冰时释放的热量就大致等于将水从０℃加热到80℃释放的热量。

例如，冰变为液态的水，其温度维持在0℃左右，吸收大量的热量；

同理，当水凝结成冰时，温度仍在0℃左右，该过程会释放出大量的热量。

以冰到水的相变过程为例，对相变材料在相变时所吸收的潜热及普通加热条件下所吸收的热量作比较可得出：当冰融解时，吸收335J／g的潜热，当水进一步加热时，每升高1℃，它只吸收大约4J／g的能量。因此，由冰到水的相变过程中所吸收的潜热几乎比相变温度范围外加热过程的热吸收高80多倍。

相变储热的特征及应用场景

与其他储热形式相比，相变储热有助于提高能效和开发可再生能源，其具有独特的优势：

1.在反复的相变过程中化学性能稳定，可多次循环利用，对环境友好，无毒，安全；

2.能够提高能源利用效率，在很小的温度变化范围能带来大量能量的转换过程；

3.在蓄热和放能的过程中，温度和热流基本恒定；

4.材料发生相变时的体积变化小，容易储存；

5.材料的价格较便宜且较容易制备。

与此同时，其短板也是不可忽视的：

1.在循环相变过程中热物理性质的退化；

2.在长期循环使用过程中会出现渗漏和挥发的现象, 表现为在材料表面结霜；

3.相变材料相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏，同时它也会对附属设备会产生一定程度的腐蚀作用；

4.各种相变储能材料及相变储能复合材料价格较高, 导致单位热能的储存费用上升；

5.相变储能复合材料的储能密度普遍小于120J/g, 且其导热性能普遍较差；

相变储热发展现状

2021年7月26日出台的《关于进一步完善分时电价机制的通知》为储热技术应用于削峰填谷和清洁供热提供了大力政策支持。不同于电储能，储热技术在清洁供暖和余热利用等领域有着更大的发展空间，相变储热作为其重要分支，也必将迎来新的机遇和挑战。

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