楊 磊，姚 遠(yuǎn)，張冬冬，葉燦滔，龔宇烈?

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.即墨市熱電廠，山東 青島 266200）

0 引 言

相變儲(chǔ)能材料（phase change materials, PCMs），又稱潛熱儲(chǔ)能材料，是指在相態(tài)變化時(shí)吸收（放出）的大量熱能用于能量?jī)?chǔ)存的材料。相變儲(chǔ)能材料按相變機(jī)制可分為固-液相變、固-固相變、固-氣相變及液-氣相變，其中固-液相變材料的應(yīng)用較為廣泛。按照化學(xué)成分分類，固-液 PCMs可以分為有機(jī)PCMs、無(wú)機(jī)PCMs及復(fù)合PCMs三類，詳見(jiàn)圖1所示。有機(jī)PCMs的固體狀態(tài)成型性好、材料腐蝕性較小、性能比較穩(wěn)定、毒性較小、不容易出現(xiàn)過(guò)冷和相分離現(xiàn)象[1]，長(zhǎng)期以來(lái)受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

以相變材料為基礎(chǔ)的相變儲(chǔ)能（熱和冷）技術(shù)，具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)存容量大、輸出能量和溫度穩(wěn)定、成本低及化學(xué)性穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、太陽(yáng)能利用、工業(yè)余熱回收、電力削峰填谷及航空航天等領(lǐng)域[2-5]。本文從有機(jī)PCMs的特性、強(qiáng)化傳熱及工業(yè)應(yīng)用三個(gè)方面，對(duì)有機(jī)PCMs最新研究成果進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)有機(jī)PCMs的研究方向進(jìn)行了展望。

圖1 固-液相變儲(chǔ)能材料分類Fig.1 Classifications of solid-liquid phase change materials

1 有機(jī)PCMs的材料特性

理想有機(jī)PCMs應(yīng)綜合考慮材料熱物性、化學(xué)及物理性能和經(jīng)濟(jì)性，一般需滿足以下要求：（1）合適的相變溫度，足夠高的潛熱容量以提供高儲(chǔ)熱密度；（2）相變期間體積變化?。唬?）良好的熱循環(huán)性和化學(xué)穩(wěn)定性，不與周邊材料發(fā)生副反應(yīng)；（4）原料易得、價(jià)格便宜，且無(wú)毒、不易燃易爆[6-8]。常用的有機(jī)PCMs包括烷烴類石蠟、脂肪酸及醇、酯等，如表1所示。

表1 有機(jī)相變儲(chǔ)能材料物性參數(shù)Table 1 Thermal properties of organic phase change energy storage materials

1.1 石蠟

石蠟或鏈?zhǔn)酵闊N是由直鏈烷烴混合而成，可用通式CnH2n+2表示。石蠟的分子鏈在相變過(guò)程中會(huì)釋放大量潛熱，石蠟的熔點(diǎn)隨著鏈長(zhǎng)的增加而升高[28]，這種升高是由于正鏈烷烴鏈之間的誘導(dǎo)偶極吸引力增大[29]。研究表明，石蠟在固態(tài)與液態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)反復(fù)吸收、儲(chǔ)存和釋放大量的熱量，具有相當(dāng)高的潛熱儲(chǔ)存能力，且其在重復(fù)相變過(guò)程中幾乎沒(méi)有過(guò)冷現(xiàn)象、熔化時(shí)蒸氣壓力低、不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且化學(xué)穩(wěn)定性較好、沒(méi)有相分離和腐蝕性[17]。

石蠟PCMs主要應(yīng)用于建筑節(jié)能、太陽(yáng)能蓄熱、紡織品等中低溫儲(chǔ)能系統(tǒng)中。石蠟也有一些重要的缺點(diǎn)，如密度小和導(dǎo)熱系數(shù)低。

1.2 脂肪酸

脂肪酸 [CH3(CH2)nCOOH]由非鏈烷烴構(gòu)成，是一種可再生的有機(jī) PCMs，可以從動(dòng)物、植物中獲得。脂肪酸具有理想低溫PCMs的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，并且在長(zhǎng)期的熱循環(huán)過(guò)程中，脂肪酸不會(huì)發(fā)生熱降解，幾乎不會(huì)發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象，其熔化溫度及熔化潛熱變化很小，具有良好的熱穩(wěn)定性[30]。SARI等[31-32]研究了月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸等低共熔混合物的熱性能和熱穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的脂肪酸低共熔混合物具有良好的熱穩(wěn)定性。癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸及其混合物是應(yīng)用比較多的相變儲(chǔ)能材料。近年來(lái)，研究人員已將脂肪酸及其低共熔混合物作為可能的相變材料廣泛研究，應(yīng)用于低/中熱能存儲(chǔ)，例如太陽(yáng)能存儲(chǔ)和建筑節(jié)能。

1.3 醇

1.3.1 聚乙二醇

聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG），又稱為聚乙二醇醚，是由 (CH2-CH2-O)n組成的長(zhǎng)鏈高分子，兩端為羥基，具有水溶性和有機(jī)溶解性的雙重特征。SARIER等[29]發(fā)現(xiàn)，PEG的熔點(diǎn)和熔化潛熱隨著分子量（MW）的增加而增加，例如，PEG（MW = 400）的熔點(diǎn)為 3.2℃，潛熱為 91.4 kJ/kg；PEG（MW =2 000）為51℃，潛熱為181.4 kJ/kg；PEG（MW =20 000）為68.7℃，潛熱為187.8 kJ/kg。不同分子量的PEG按一定比例混合可獲得不同相變溫度的儲(chǔ)能材料。在冷卻過(guò)程中，分子鏈過(guò)長(zhǎng)的PEG存在結(jié)晶困難、過(guò)冷[1]等問(wèn)題。聚乙二醇在太陽(yáng)能、紡織品、建筑、日用品和航空航天等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

1.3.2 糖醇

糖醇也被稱為多元醇，屬于中溫（90 ～ 200℃）有機(jī) PCMs，研究人員關(guān)注較少。KAIZAWA等[33]研究發(fā)現(xiàn)，木糖醇、赤蘚糖醇和甘露醇等醇類相較于其他有機(jī)PCMs，具有更高的相變潛熱。其中，赤蘚糖醇的熔點(diǎn)為117℃，相變潛熱達(dá)到344 kJ/kg，并具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。SOLé等[24]測(cè)試了D-甘露醇、肌醇和半乳糖醇作為PCMs的循環(huán)熱穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)他們發(fā)現(xiàn)肌醇在循環(huán)測(cè)試中的穩(wěn)定性良好，半乳糖醇熱穩(wěn)定性較差。D-甘露醇的循環(huán)穩(wěn)定性受氧氣量的影響，需要在其儲(chǔ)能裝置中填充惰性氣體或保持真空。此外，與其他有機(jī)PCMs相比，糖醇具有較大的過(guò)冷度[34]，這可能妨礙熱能儲(chǔ)存的效率，但是對(duì)于跨季節(jié)蓄熱較為有利。

1.4 酯

脂肪酸酯在很窄的溫度范圍內(nèi)顯示出固-液相變，并且其混合物可以形成共晶體，類似于許多無(wú)機(jī)鹽混合物，具有較小或沒(méi)有過(guò)冷現(xiàn)象。脂肪酸酯大量使用于化妝品、紡織業(yè)和塑料等其他行業(yè)。XU等[35]制備了棕櫚酸甲酯（MP）和硬脂酸甲酯（MS）的二元混合物并對(duì)其循環(huán)熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，以滿足中國(guó)溫暖地區(qū)建筑物的熱舒適性需求（25 ～ 40℃）。

2 有機(jī)PCMs的強(qiáng)化傳熱

由于有機(jī) PCMs導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，PCMs與換熱流體間的傳熱效果差。提高導(dǎo)熱系數(shù)可加快有機(jī)PCMs能量的儲(chǔ)存和釋放，即提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的換熱效率。目前常用的提高有機(jī)PCMs導(dǎo)熱系數(shù)的方法大致分為兩種：添加高熱導(dǎo)率材料和封裝PCMs。

2.1 添加高熱導(dǎo)率材料

通過(guò)將高熱導(dǎo)率材料與有機(jī)PCMs相結(jié)合可有效提高有機(jī)PCMs的導(dǎo)熱系數(shù)，改善有機(jī)PCMs與換熱流體之間的傳熱。常用的高熱導(dǎo)率材料有碳基材料（如多孔石墨、碳納米材料等）與金屬基材料（如金屬、金屬/金屬氧化物納米顆粒等）。

2.1.1 碳基材料

碳基材料主要包括膨脹石墨（EG）、泡沫石墨（GF）、碳纖維（CF）、碳納米管（CNT）、石墨烯納米片（GNP）等，具有密度小、相變材料相容性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良特性。

膨脹石墨（EG）是天然石墨鱗片經(jīng)插層、水洗、干燥和高溫膨化處理得到的一種疏松多孔的蠕蟲(chóng)狀材料，具有大量的網(wǎng)絡(luò)狀微孔結(jié)構(gòu)，具有良好的吸附、包覆性能及鱗片石墨優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性，能夠提高有機(jī)PCMs的儲(chǔ)熱、放熱效率[36]。SARI等[37]制備了具有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt）的石蠟/EG復(fù)合PCMs，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)表明，石蠟/EG復(fù)合PCMs中EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、7%、10%時(shí)，復(fù)合PCMs導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了81.2%、136.3%、209.1%、272.7%。尹輝斌等[38]利用石蠟和 EG制備出高導(dǎo)熱系數(shù)和儲(chǔ)熱密度的復(fù)合PCMs。研究發(fā)現(xiàn)，EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，復(fù)合PCMs的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5.21 W/(m·K)，比純石蠟提高了15.8倍，相變潛熱為149.3 kJ/kg。EG還能起到吸附定形作用，固-液相變過(guò)程中不會(huì)發(fā)生液相滲漏，具有良好的熱穩(wěn)定性和使用壽命。

圖2 （a） 純石蠟 PCMs；（b）石蠟/10wt%EG 復(fù)合 PCMs[37]Fig.2 (a) pure paraffin as PCMs and (b) paraffin/10wt% EG composite as form-stable PCMs

泡沫石墨（GF）具有許多相互連接的開(kāi)孔，與許多材料表面具有良好的相容性，可以填充各種材料。研究人員所用的石墨泡沫主要是通過(guò)煤、煤焦油瀝青和石油瀝青的發(fā)泡，再經(jīng)高溫煅燒和石墨化過(guò)程制成，具有高導(dǎo)熱性、良好的晶體結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。ZHONG等[39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)四種具有不同孔隙率和孔徑的石蠟/GF復(fù)合PCMs，提高其熱擴(kuò)散率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合PCMs的熱擴(kuò)散率比純石蠟最大可增加590倍。此外，石蠟/GF復(fù)合PCMs的相變潛熱隨其中石蠟質(zhì)量比的增加而增加。

碳纖維（CF）是無(wú)機(jī)纖維狀的碳化合物，其導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)900 W/(m·K)，并且具有耐高溫、耐腐蝕和耐化學(xué)侵蝕性強(qiáng)和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)[40]。TIAN等[41]將具有不同質(zhì)量比的EG和CF作為熱導(dǎo)率增強(qiáng)填料加入到形狀穩(wěn)定的石蠟PCMs中，乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）用作支撐材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入 CF可以降低泄漏率，使用EG和 CF對(duì)復(fù)合PCMs導(dǎo)熱性的增強(qiáng)具有協(xié)同效應(yīng)，并且縱向熱導(dǎo)率與水平熱導(dǎo)率相比較低。

碳納米管（CNT）由碳原子組成，密度與有機(jī)物相近，易與有機(jī)PCMs形成穩(wěn)定的混合基質(zhì)。目前，CNT主要分為兩種類型，單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。WARZOHA等[42]分析了MWCNT特性與復(fù)合PCMs導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著MWCNT直徑的增加，復(fù)合PCMs的導(dǎo)熱系數(shù)也增大。他們認(rèn)為納米顆粒之間的接觸面積在微尺度的熱流中起重要作用，使納米滲透復(fù)合PCMs的體積導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加。

石墨烯納米片（GNP）具有二維平面結(jié)構(gòu)，其較大的比表面積和高導(dǎo)熱系數(shù)能夠有效提高有機(jī)PCMs的導(dǎo)熱性能。與其他納米材料相比，GNP在相變導(dǎo)熱增強(qiáng)方面更占優(yōu)勢(shì)。HARISH等[16]研究了GNP對(duì)有機(jī)脂肪酸（月桂酸）導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在加入體積比為 1%的石墨烯納米片后，月桂酸/GNP的導(dǎo)熱系數(shù)較純?cè)鹿鹚嵩黾恿?30%。GNP在很大程度上提高了月桂酸的導(dǎo)熱系數(shù)，而不改變其熔融溫度和相變焓。

綜上所述，碳基材料作為添加劑具有導(dǎo)熱系數(shù)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度低等優(yōu)點(diǎn)，更重要的因素是碳基材料的大縱橫比增強(qiáng)了有機(jī) PCMs的導(dǎo)熱性。與其他碳基材料相比，具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的EG在增強(qiáng)有機(jī)PCMs導(dǎo)熱性方面是最理想的選擇，其次是具有特殊二維結(jié)構(gòu)的石墨烯。

2.1.2 金屬基材料

金屬基材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)及較強(qiáng)的混合能力，常被用作熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)導(dǎo)熱性增強(qiáng)的添加劑。

金屬泡沫是由固體金屬組成的多孔結(jié)構(gòu)材料，具有較大的比表面積與較強(qiáng)混合能力。最常用的金屬泡沫是鋁、鎳和銅，它們被添加到有機(jī)PCMs中以制備復(fù)合 PCMs。CHEN等[43]使用泡沫鋁來(lái)增強(qiáng)石蠟的固-液相變傳熱，研究了PCMs相變過(guò)程中孔隙尺度下的溫度場(chǎng)和熔化演變，發(fā)現(xiàn)金屬泡沫能夠增強(qiáng)固-液相變傳熱。此外，他們還發(fā)現(xiàn)金屬泡沫結(jié)構(gòu)對(duì)熔融狀態(tài)下的傳熱具有顯著影響。WANG等[44]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了泡沫鋁的使用能夠加速熔化過(guò)程，大大提高石蠟PCMs的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

金屬/金屬氧化物納米顆粒以某種方式添加到有機(jī)PCMs中，能夠強(qiáng)化有機(jī)PCMs的相變傳熱。SAHAN 等[45]通過(guò)分散技術(shù)制備了石蠟-納米磁鐵礦復(fù)合PCMs，由石蠟和Fe3O4組成。他們測(cè)量了復(fù)合PCMs的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，復(fù)合PCMs中Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)分別提高了48%和60%。

金屬/金屬氧化物納米顆粒對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響取決于納米顆粒的性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、含量和粒度。然而，金屬/金屬氧化物納米顆粒由于重力作用，易在融化的相變材料中發(fā)生沉降，在實(shí)際應(yīng)用中也容易引起熱交換設(shè)備磨損及堵塞等，嚴(yán)重限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。

2.2 PCMs封裝

封裝有機(jī) PCMs可以產(chǎn)生形狀穩(wěn)定的復(fù)合PCMs或微膠囊化的PCMs。形狀穩(wěn)定復(fù)合PCMs和微膠囊化PCMs均由兩部分組成：工質(zhì)（PCMs）和支撐材料。形狀穩(wěn)定的復(fù)合PCMs中的支撐材料可以吸附液態(tài) PCMs，限制液態(tài) PCMs的流動(dòng)，防止泄漏。微膠囊化的 PCMs可以固化有機(jī) PCMs，增強(qiáng)其傳熱效率和穩(wěn)定性，便于利用、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

對(duì)于形狀穩(wěn)定的復(fù)合 PCMs，支撐材料通常為具有多孔或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料，如碳材料 [ EG、氧化石墨烯和活性炭（AC）]和黏土礦物材料（高嶺土、硅藻土、海泡石、蒙脫石和珍珠巖）[46]。LV等[47]通過(guò)真空浸漬法制備了十八烷醇（OC）/膨脹珍珠巖（EP）復(fù)合PCMs，并在復(fù)合PCMs中添加膨脹石墨（EG），研究其導(dǎo)熱系數(shù)及防漏性能。他們發(fā)現(xiàn)復(fù)合PCMs的導(dǎo)熱系數(shù)和防漏性能隨EP和EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，并且將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的EG填充到EP顆粒間隙中，可以顯著提高OC/EP復(fù)合材料的蓄熱釋放效率。

形狀穩(wěn)定的復(fù)合PCMs也可以通過(guò)熔融共混或真空浸漬將PCMs封裝在具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物基材料中來(lái)制備。ALKAN等[48]利用溶液澆鑄法將脂肪酸封裝在甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中以制備形狀穩(wěn)定的復(fù)合 PCMs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脂肪酸的最大包封率為80%，并且脂肪酸和PMMA具有良好的相容性。

微膠囊化PCMs由直徑在1 ～ 1000 μm左右的微膠囊組成，PCMs微粒包裹在微膠囊的核心中，外層包覆性能穩(wěn)定的膜構(gòu)成核殼結(jié)構(gòu)，有機(jī)/無(wú)機(jī)聚合物作為其殼材料。常用的微膠囊化PCMs的制備方法有凝聚、懸浮和乳液聚合、縮聚和聚合。對(duì)有機(jī)PCMs進(jìn)行微膠囊化封裝，不僅可以增大傳熱面積、減小 PCMs與外界之間的反應(yīng)，還可以有效控制PCMs的體積變化，防止固-液相變時(shí)液相泄漏。

HAWLADER等[49]采用復(fù)合凝聚和噴霧干燥兩種方法制備微膠囊化的石蠟PCMs顆粒。他們發(fā)現(xiàn)，隨著PCMs與殼材料的比例增加，微膠囊化效率降低。但是使用較少的殼材料可能導(dǎo)致PCMs外殼結(jié)構(gòu)不完整。交聯(lián)劑的使用對(duì)殼材料硬化具有重要作用，隨著交聯(lián)劑用量的增加，封裝效率提高。但是，當(dāng)交聯(lián)劑用量達(dá)到臨界極限以上時(shí)，封裝效率降低。封裝效率隨著均勻化時(shí)間增加到臨界值，之后封裝效率降低。

王大程等[50]采用原位聚合法，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為壁材，硬脂酸/碳納米管（SA/α-CNTs）為核心材料，制備了硬脂酸/碳納米管/聚甲基丙烯酸甲酯（SA/α-CNTs/PMMA）復(fù)合PCMs膠囊。研究結(jié)果表明，與純 SA相比，復(fù)合 PCMs膠囊相變時(shí)間縮短了48%，材料熱穩(wěn)定性明顯提升。

3 有機(jī)PCMs的應(yīng)用

由于具有較大的相變潛熱和穩(wěn)定的相變溫度等特點(diǎn)，有機(jī)PCMs已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于建筑、太陽(yáng)能、電子設(shè)備、紡織品和汽車等行業(yè)。太陽(yáng)能系統(tǒng)、汽車、食品和制冷系統(tǒng)主要是利用有機(jī)PCMs相變潛熱較大的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)熱能供給和需求的不平衡，達(dá)到降低系統(tǒng)能耗，減少投資成本的目的。建筑節(jié)能、冷卻電子設(shè)備和熱調(diào)節(jié)紡織品系統(tǒng)主要是利用有機(jī)PCMs恒定的相變溫度，以保持最佳的工作環(huán)境溫度。

3.1 建筑節(jié)能

結(jié)合到墻壁、地板、混凝土、天花板、石膏板和隔熱板中的有機(jī) PCMs，不僅有利于降低建筑物室內(nèi)的溫度波動(dòng)，提高舒適度，而且可以降低建筑物供暖和制冷負(fù)荷，減少建筑物能源消耗。建筑材料中的有機(jī)PCMs儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)存儲(chǔ)或釋放熱量，因此將其歸為被動(dòng)系統(tǒng)。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相變儲(chǔ)能墻體和天花板一般是由有機(jī)PCMs與石膏建材復(fù)合而成。SHARIFI等[51]評(píng)估了石蠟復(fù)合石膏板在提高建筑熱物性方面的效率，研究了不同城市的實(shí)際溫度分布對(duì)石蠟復(fù)合石膏板性能的影響，發(fā)現(xiàn)石蠟的效率與外部溫度直接相關(guān)，較大的溫度波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致石蠟的效率降低。結(jié)果證實(shí)，石蠟復(fù)合石膏板對(duì)降低建筑物能耗具有很好的效果，并且石蠟復(fù)合石膏板不僅可以用于新建筑，還可以添加到現(xiàn)有建筑中改善建筑的熱物性。

張君瑛等[52]對(duì)采用封裝式PCMs的天花板系統(tǒng)進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明，接觸熱阻和導(dǎo)熱形狀因子是影響冷卻效果的重要因素。冷媒溫度、環(huán)境溫度和氣流速度對(duì)冷卻效果也有影響，但影響程度不一。XIA等[53]提出了一種新型雙層輻射地板系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)采用有機(jī)脂肪酸作為儲(chǔ)能介質(zhì)，可以在非高峰時(shí)段存儲(chǔ)熱能或冷能，供高峰時(shí)段使用。新型PCMs地板系統(tǒng)在夏季和冬季都運(yùn)行良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該P(yáng)CMs地板系統(tǒng)可以滿足用戶在加熱模式下的需求。

圖3 具有PCMs的雙層輻射地板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[53]Fig.3 The structure of double-layer radiant floor system with phase change material

3.2 太陽(yáng)能利用

太陽(yáng)能利用易受天氣因素的影響，利用相變儲(chǔ)能技術(shù)可以在日照充足時(shí)存儲(chǔ)太陽(yáng)能，并在夜間或日光不充足時(shí)釋放太陽(yáng)能。目前，有機(jī)PCMs在太陽(yáng)能方面的應(yīng)用主要是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)兩個(gè)方面。有機(jī)PCMs在太陽(yáng)能利用中，受到有源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)需要來(lái)提供熱量，因此將其歸為主動(dòng)系統(tǒng)。

3.2.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

利用有機(jī) PCMs，在一定程度上可以解決傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)利用效率低的問(wèn)題。FAZILATI等[54]將石蠟PCMs（熔點(diǎn)55℃）封裝在球形膠囊中，作為太陽(yáng)能熱水器罐中的儲(chǔ)能材料。將石蠟封裝在180個(gè)直徑38 mm的球形膠囊中并嵌入罐中，膠囊由高密度聚乙烯制成，罐中石蠟?zāi)z囊的體積分?jǐn)?shù)為55%。將380 mm長(zhǎng)和0.3 mm直徑的銅線插入石蠟中以增強(qiáng)其導(dǎo)熱性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用PCMs的太陽(yáng)能熱水器罐儲(chǔ)能密度提高了39%，?效率提高了16%，提供指定溫度熱水的供應(yīng)時(shí)間增加了25%。

SU 等[55]開(kāi)發(fā)了一種新型微膠囊化有機(jī) PCMs（MEPCMs），并對(duì)用于太陽(yáng)能熱水蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖4。他們從理論上評(píng)估了太陽(yáng)能熱水蓄熱系統(tǒng)裝置中使用 MEPCMs的性能，MEPCMs可以實(shí)現(xiàn)比水基系統(tǒng)更高的熱能存儲(chǔ)密度，并且基于MEPCMs的太陽(yáng)能熱水蓄熱系統(tǒng)的尺寸相對(duì)較小。劉瑋等[56]采用球形封裝形式搭建相變材料太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)蓄熱性能試驗(yàn)系統(tǒng)，在石蠟相變材料中添加膨脹石墨后太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)蓄熱性能得以強(qiáng)化。

圖4 MEPCMs太陽(yáng)能熱水儲(chǔ)能系統(tǒng)[55]Fig.4 MEPCMs solar hot water storage system

3.2.2 太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)多用于室內(nèi)干燥。在太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)中使用有機(jī)PCMs有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低由于太陽(yáng)輻射變化帶來(lái)的溫度波動(dòng)。SHALABY[57]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了一種新型間接太陽(yáng)能干燥器（ISD），利用PCMs（熔化溫度為49℃的石蠟）作為儲(chǔ)能介質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)使用PCMs后，在日落后5 h中ISD提供的干燥空氣的溫度比環(huán)境溫度高2.5 ～ 7.5℃，并且能夠每天連續(xù)7 h將干燥溫度保持穩(wěn)定。EL KHADRAOUI等[58]開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)了一種間接強(qiáng)制對(duì)流太陽(yáng)能空氣干燥機(jī)，干燥機(jī)由太陽(yáng)能空氣板、太陽(yáng)能蓄熱器（帶有石蠟PCMs的太陽(yáng)能空氣收集器）和干燥室組成。他們研究了帶有PCMs的太陽(yáng)能空氣加熱器在白天儲(chǔ)存太陽(yáng)能并在夜間釋放太陽(yáng)能的可能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用太陽(yáng)能蓄熱器后，干燥室的夜間溫度比環(huán)境溫度高4 ～ 16℃，相對(duì)濕度較環(huán)境相對(duì)濕度低17% ～ 34.5%。綜上可知，使用石蠟PCMs的太陽(yáng)能空氣加熱器可以為干燥空間提供更高的空氣溫度及太陽(yáng)能利用率。

3.3 冷卻電子設(shè)備

為了避免因過(guò)熱而降低系統(tǒng)性能，高性能芯片中大規(guī)模集成電子電路需要有效的冷卻系統(tǒng)。使用有機(jī)PCMs的熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱管理，可以保持這些設(shè)備的高性能和可靠性。JAWORSKI[59]設(shè)計(jì)了填充有機(jī) PCMs（月桂酸）的管翅片散熱器，將其用于冷卻電子設(shè)備，并評(píng)估其基本熱特性，如圖5所示。該散熱器可以將電子設(shè)備的溫度保持在50℃以下，并且能夠在熱負(fù)荷快速變化的情況下保護(hù)電子設(shè)備免于過(guò)熱。

ALSHAER等[60]對(duì)用于電子設(shè)備熱管理的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了由純碳泡沫、碳泡沫/純石蠟（RT65）和碳泡沫/RT65/MWCNT三種不同的熱管理模塊，并進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)化測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，與純碳泡沫相比，由碳泡沫/RT65制成的熱管理模塊可以有效延遲散熱器穩(wěn)態(tài)溫度。此外，碳泡沫/RT65/MWCNT中MWCNT引起的傳熱增強(qiáng)，可以增大熱管理模塊導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 填充PCMs的管翅片散熱器用于冷卻電子設(shè)備[59]Fig.5 Heat spreader for electronics cooling with pipe-fins filled with PCMs

3.4 熱調(diào)節(jié)紡織品

通過(guò)多種制造工藝可以將有機(jī)PCMs結(jié)合到紡織品中，例如將微膠囊化的PCMs填充到紡織纖維中，形成熱調(diào)節(jié)纖維。熱調(diào)節(jié)纖維由熔點(diǎn)在28 ～ 35℃范圍內(nèi)的有機(jī)PCMs組成。當(dāng)環(huán)境溫度或體溫升高時(shí)，結(jié)合在熱調(diào)節(jié)纖維中的PCMs吸收熱量并相變存儲(chǔ)潛熱。當(dāng)環(huán)境溫度或體溫下降，存儲(chǔ)在熱調(diào)節(jié)纖維中的熱量就會(huì)被釋放，從而使身體保持舒適。

李昭等[61]以聚乙二醇（PEG）為 PCMs，聚乙烯醇（PVA）纖維基體采用干法紡絲制備相變儲(chǔ)能纖維。他們?cè)诩徑z原液中加入少量丁烷四羧酸（BTCA）交聯(lián)劑，將PEG固定在纖維中。測(cè)試結(jié)果表明，制得的纖維具有良好的儲(chǔ)能特性，相變焓為34 J/g，經(jīng)過(guò)400次升降溫循環(huán)后纖維的儲(chǔ)能特性幾乎沒(méi)有變化。ZHAO等[62]制備了以正十八烷為核、天然絲素蛋白為殼的微膠囊化 PCMs。測(cè)試結(jié)果證實(shí)，該微膠囊化PCMs具有高儲(chǔ)熱能力和良好的熱穩(wěn)定性，相變潛熱為88.23 kJ/kg，可以很好地用于制作熱調(diào)節(jié)紡織品和纖維。

3.5 其他

除上述幾種應(yīng)用外，有機(jī)PCMs在汽車、食品及家用/商用制冷設(shè)備中也具有重要的應(yīng)用。PANDIYARAJAN等[63]利用圓柱形PCMs（石蠟）制成儲(chǔ)熱罐回收柴油機(jī)廢氣中的熱量，如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)熱罐布局[63]Fig.6 Layout of thermal storage tank

儲(chǔ)熱罐的直徑為450 mm、長(zhǎng)為720 mm，由蓖麻油作為顯熱儲(chǔ)存介質(zhì)，石蠟作為潛熱儲(chǔ)存介質(zhì)。不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載（25%、50%、75%和滿負(fù)載）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，儲(chǔ)熱罐回收了大約10% ～ 15%的廢氣熱量，并且在整個(gè)傳熱過(guò)程中未觀察到PCMs分層。楊穎等[64]制備了一種辛酸與十四醇復(fù)合的PCMs，其相變溫度為6.9℃、相變潛熱為151 kJ/kg。經(jīng)過(guò)200次升降溫循環(huán)后其相變儲(chǔ)熱特性幾乎沒(méi)有變化，可以將其應(yīng)用于低溫物流行業(yè)。CHENG等[65]采用石蠟、高密度聚乙烯和膨脹石墨制備形狀穩(wěn)定的PCMs構(gòu)建蓄熱冷凝器，以提高家用冰箱的能效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝有蓄熱冷凝器的新型冰箱只需很少的成本增加就可以將能效提高約12%。

4 結(jié)論與展望

對(duì)有機(jī)PCMs的材料特性、強(qiáng)化傳熱以及實(shí)際應(yīng)用等三個(gè)方面國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和梳理，結(jié)論如下：

（1）熱物性是影響有機(jī)PCMs應(yīng)用的重要因素，對(duì)預(yù)測(cè)其傳熱特性和儲(chǔ)能性能至關(guān)重要。因此，相變過(guò)程中動(dòng)態(tài)熱導(dǎo)率、比熱和相變特征等參數(shù)仍是未來(lái)有機(jī)PCMs的重要研究目標(biāo)；

（2）有機(jī)PCMs強(qiáng)化傳熱技術(shù)可提高材料導(dǎo)熱系數(shù)、提升其儲(chǔ)存和釋放能量的速率。其中，碳基材料和金屬基材料都具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，但在復(fù)合PCMs密度及穩(wěn)定性方面碳基材料要優(yōu)于金屬基材料。與借助聚合物基質(zhì)的形狀穩(wěn)定的復(fù)合PCMs相比，微膠囊化PCMs在各類儲(chǔ)能應(yīng)用中因成本較高而受到限制。因此，未來(lái)還需要不斷改進(jìn)微膠囊化PCMs的封裝工藝，開(kāi)發(fā)新的封裝材料，降低成本。

（3）在熱能儲(chǔ)存應(yīng)用中需要從性能提升、環(huán)境影響和投資成本綜合考慮，選擇具有合適相變溫度、高相變潛熱、低成本及循環(huán)熱穩(wěn)定性較好的有機(jī)PCMs，并通過(guò)強(qiáng)化傳熱技術(shù)提升其性能，達(dá)到提高能效的目的。