黃睿，方曉明，2，凌子夜，2，張正國，2

（1 華南理工大學化學與化工學院，廣東廣州510640；2 華南理工大學高效熱儲存與應用廣東省工程研究中心，廣東廣州510640）

引 言

60%以上的能量轉(zhuǎn)化是以熱能方式進行的，熱能儲存(儲熱)技術(shù)可解決熱能在空間和時間上供求不匹配問題，是提高熱能利用效率的重要技術(shù)，還在太陽能、地熱能等可再生能源的開發(fā)利用中起重要作用[1-2]。常見的儲熱方式有顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱[3-4]。其中，基于相變材料的潛熱儲熱技術(shù)具有儲熱密度大且工作過程近乎等溫的優(yōu)勢，因而應用前景十分廣闊[5-8]。發(fā)生相變時能釋放大量潛熱的相變材料是潛熱儲熱系統(tǒng)的工作介質(zhì)，其相變溫度、潛熱、熱導率等特性參數(shù)都對潛熱儲熱系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。許多物質(zhì)都可用作相變材料，可分為有機物類和無機物類[9-10]。與石蠟、脂肪酸/醇等有機相變材料相比，無機相變材料(如水合無機鹽、熔融鹽等)具有潛熱較大、熱導率較高以及不具可燃性等特點，極具應用潛力[11-13]；特別是水合無機鹽，它們是廣泛存在于鹽湖等處的自然資源，價格十分低廉[14]。然而，水合無機鹽存在的過冷、相分離以及易失去結(jié)晶水的不穩(wěn)定性等固有缺陷，使其開發(fā)應用難度很大[15]。可見，根據(jù)特定應用場合，開發(fā)相變溫度適宜、潛熱大、過冷低、無相分離且穩(wěn)定性好的水合無機鹽相變材料是重要研究課題。

采暖是在冬季提高建筑物熱舒適性的常用手段。在我國的夏熱冬冷地區(qū)(例如上海)，由于不像北方那樣有集中供暖，存在冬季室內(nèi)溫度低的問題，因而亟需尋找合適的供暖技術(shù)來提高室內(nèi)熱舒適度。地板采暖具有節(jié)省空間、無噪音、清潔環(huán)保以及表面溫度均勻等優(yōu)點，成為當前主要的供暖方式之一[16-17]。地板采暖主要包括水地暖和電地暖。相較于水地暖而言，電地暖易于安裝且鋪設靈活，使其與現(xiàn)有建筑的兼容性更好[18]。然而，電地暖的運用會導致電能消耗的大幅增加，因而探索降低電地暖電能消耗的策略十分必要。將潛熱儲熱技術(shù)與電地暖相結(jié)合，即在電地暖系統(tǒng)中引入相變材料，不僅可以利用相變材料儲存多余的熱能而達到降低能耗的目的[19]，而且還可充分利用峰谷分時電價的差異來節(jié)約電費成本[20]。目前已報道的應用于電地暖的相變材料主要是有機相變材料，如石蠟及其復合物等[21-26]；這些有機相變材料不僅價格昂貴而且具有可燃性，大大增加了成本投資和火災風險[27]。此外，有些研究沒有考慮到所用相變材料的相變溫度應用于電地暖系統(tǒng)的適宜性[28]。根據(jù)電地暖系統(tǒng)的溫度設置，其中所用相變材料的適宜相變溫度范圍通常應在28～35℃[29]；盡管熔點在該溫度段的水合鹽有六水氯化鈣、十水硫酸鈉和十水碳酸鈉等，但這些含有氯離子、硫酸根等離子的水合無機鹽腐蝕性較強，限制了其實際應用。因此，根據(jù)電地暖系統(tǒng)的需求，研制相變溫度適宜的高性能無機水合鹽相變材料并研究其應用性能，不僅有助于降低電地暖能耗，而且還具有成本低且不增加火災風險的優(yōu)勢，從而有望推動該項采暖技術(shù)的發(fā)展和應用。

三水醋酸鈉(sodium acetate trihydrate,SAT)是一種常見的水合無機鹽，不僅具有潛熱大、成本低的優(yōu)勢，而且與含有其他陰離子(如氯離子、硝酸根)的無機水合鹽相比具有較低的腐蝕性，極具開發(fā)應用前景。然而，SAT的熔點在58℃左右，不適合直接應用于電地暖系統(tǒng)。本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)，將不超過10%(質(zhì)量)的尿素添加到SAT 可將其相變溫度調(diào)節(jié)到50℃附近[30]。在本工作中，一方面，為了探索出相變溫度適宜應用于電地暖的SAT 基相變材料，首先全面探索了尿素含量對SAT-尿素混合物相變溫度和潛熱的影響，獲得了相變溫度適宜的SAT-尿素混合物；再者，為了降低該混合物的過冷度并提高其熱導率，將膨脹石墨添加其中，獲得過冷度小、潛熱較大且熱導率較高的SAT-尿素-膨脹石墨混合相變材料；隨后，采用冷熱循環(huán)實驗評價了研制出的SAT-尿素-膨脹石墨混合相變材料的熱可靠性。另一方面，為了研究該混合相變材料在電地暖系統(tǒng)中的應用性能，將該材料制作成厚度不同的相變板，搭建帶電地暖系統(tǒng)的實驗房，并將相變板安裝在電地暖系統(tǒng)中，在模擬上海冬季的氣候箱內(nèi)，研究了實驗房的熱性能，考察了相變板厚度對熱性能的影響，并優(yōu)化了電加熱溫度，最后將裝有相變板的實驗房與沒有相變板的參比房進行了熱舒適度、用電量和電費對比。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

三水醋酸鈉(SAT，分析純)購自上海潤捷化學試劑有限公司；尿素(urea，分析純)購自天津福晨化學試劑有限公司；膨脹石墨(EG，工業(yè)級，粒度300 μm)來自青島富瑞特石墨有限公司，為了除去膨脹石墨表面吸附的水分，在實驗前將膨脹石墨置于干燥箱中在105℃下干燥12 h。

1.2 樣品制備

1.2.1 制備三水醋酸鈉-尿素混合物 為了探索尿素含量對SAT-urea 混合物熔點及其潛熱的影響，配制了尿素質(zhì)量分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%和50%的SAT-urea 混合物。此外，為了進一步確定尿素的質(zhì)量分數(shù)，又制備了尿素質(zhì)量分數(shù)分別為32%、35%、38%、42% 和45% 的一系列SATurea 混合物。SAT-urea 混合物的制備步驟是：按設定的質(zhì)量分數(shù)，分別稱取尿素和SAT，置于試劑瓶中并混合；蓋上瓶蓋，置于干燥箱中在55℃下加熱；每隔1 h 取出置于磁力攪拌器中攪拌5 min，直至樣品完全熔化后移出；待樣品冷卻至室溫后，放入冰箱中進一步冷卻結(jié)晶，得到SAT-urea混合物。

1.2.2 制備三水醋酸鈉-尿素-膨脹石墨混合物為了克服過冷這一無機水合鹽相變材料的固有缺陷并同時提升其熱導率，選用膨脹石墨，并控制其添加量(質(zhì)量分數(shù))分別為2%、4%、6%、8%和10%。SAT-urea-EG 混合物的制備步驟是：選取尿素含量為38%的SAT-urea 混合物于試劑瓶中，蓋上瓶蓋，置于干燥箱中在55℃下加熱至完全熔化；按比例向其中添加膨脹石墨，并攪拌均勻；待樣品冷卻至室溫后，放入冰箱中進一步冷卻結(jié)晶，得到SAT-urea-EG混合物。

1.3 分析與測試

采用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)在N2氣氛下測試樣品的相變特性。N2的恒定流速為50 ml/min，溫升速率設置為5℃/min，樣品的質(zhì)量為8～10 mg 且密封于鋁盤中。利用熱常數(shù)分析儀，采用瞬態(tài)平面熱源法在室溫下對樣品的熱導率進行測試，選用的探頭為5465 F1。測試前，每種樣品需準備兩個規(guī)格一致且表面光滑的樣品塊，樣品塊的壓實密度為1000 kg/m3。

采用T-history 法在高低溫交變濕熱實驗循環(huán)箱中對樣品的過冷度進行測定。具體地，稱量40 g樣品裝入密封瓶中，并在樣品中心處插入一根K 型熱電偶(精度：±0.2℃)，將熱電偶連接到安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以10 s為時間間隔記錄樣品溫度；隨后將密封瓶放入循環(huán)箱中經(jīng)歷加熱-冷卻過程。具體程序為：首先，將樣品從室溫冷卻至5℃，該過程持續(xù)180 min，然后5℃下恒溫90 min；接著將樣品從5℃加熱到50℃，該過程持續(xù)120 min，然后50℃下恒溫90 min，保證樣品完全熔化；最后將樣品從50℃冷卻至5℃，該過程持續(xù)180 min。

通過在高低溫交變濕熱實驗循環(huán)箱進行的加熱-冷卻循環(huán)實驗來評估樣品的熱可靠性。具體而言，設置三個平行樣，每個樣品重10 g密封于試劑瓶中，隨后將試劑瓶放入循環(huán)箱中經(jīng)歷加熱-冷卻過程：從室溫加熱至50℃，該過程持續(xù)10 min，然后50℃下恒溫20 min，保證相變材料完全熔化；接著將樣品從50℃冷卻至5℃，該過程同樣持續(xù)10 min，然后5℃下恒溫20 min，保證相變材料完全凝固；重復此過程200次。

實驗數(shù)據(jù)均在同等條件下測試三次，取三次結(jié)果的平均值，且相對誤差小于3%。

1.4 相變板應用于電地暖的性能評價

1.4.1 相變板的制作 為將研制出的熔點適宜、潛熱大且熱可靠性好的SAT-urea-EG 混合相變材料用于電地暖，先將其壓成厚度分別為5 mm 與10 mm的復合相變塊，壓實密度都控制為1000 kg/m3；然后，用厚度為1 mm 的PVC 片對復合相變塊進行封裝，從而制得兩塊復合相變板，如圖1所示。

1.4.2 電地暖的實驗房搭建 實驗房尺寸為420 mm×420 mm × 420 mm，其圍護結(jié)構(gòu)是由定向結(jié)構(gòu)刨花板和擠塑聚苯乙烯泡沫板搭建而成的，如圖2(a)所示。具體構(gòu)造為：四塊405 mm × 390 mm × 15 mm 的OSB 板用作四面外墻，四塊330 mm × 315 mm × 15 mm 的OSB 板用作相應的內(nèi)墻，四塊360 mm × 360 mm × 30 mm 的XPS 分別夾在內(nèi)外墻的兩塊OSB 之間；兩塊420 mm × 420 mm × 15 mm 的OSB 板用于屋頂和基底的外側(cè)，兩塊390 mm ×390 mm × 30 mm 的XPS 用于屋頂和基底的內(nèi)側(cè)。電地暖系統(tǒng)在基底XPS 上方，如圖2(b)所示。其結(jié)構(gòu)包括一層地暖專用反射膜(300 mm × 300 mm ×0.4 mm)，一 層 電 加 熱 膜(300 mm × 300 mm × 0.4 mm)和一層PVC 地板(300 mm × 300 mm × 4 mm)。地暖專用反射膜的作用是防止熱量散失到地下，從而有效提高熱反射和輻射能力，保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定；PVC 地板是一種極受歡迎的輕質(zhì)建筑裝飾材料，具有良好的導熱性和均勻的散熱性，是許多國家和地區(qū)地板采暖應用中的首選材料。上述制作的SAT-urea-EG 相變板安裝于電加熱膜和PVC地板之間。

圖1 不同厚度的SAT-urea-EG相變板Fig.1 Photographs of SAT-urea-EG phase change panels with different thicknesses

圖2 實驗房與電地暖結(jié)構(gòu)示意圖以及實驗房照片F(xiàn)ig.2 Schematic of test room and electric floor heating,together with two photographs of test room

1.4.3 性能評價過程 將上述搭建的實驗房置于人工氣候箱中，在模擬上海冬季氣候的條件下對其熱性能進行評價。具體地，根據(jù)上海冬季的平均溫度，將人工氣候箱的環(huán)境溫度設置為6 ～8℃。電加熱膜(220 V，220 W/m3)與溫控器相連來實現(xiàn)電加熱開啟期間的控溫；同時，利用功率計量插座記錄用電量。數(shù)根熱電偶分別固定在實驗房的室內(nèi)中心、地板表面、相變板上表面以及電熱膜表面，并與安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，實時監(jiān)測實驗過程中這些位置的溫度變化。根據(jù)《民用建筑供暖通風空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》，地板采暖時地板表面的溫度不宜超過27℃。因此，當?shù)匕灞砻娴臏囟瘸^27℃時，就停止電加熱。

在考察相變板厚度的影響時，固定電熱膜的加熱溫度在42℃，分別將不同厚度的相變板安裝在電地暖系統(tǒng)中，測定實驗房各處的溫度變化。在確定了相變板的厚度后，再考察電熱膜的加熱溫度對實驗房熱性能的影響，其中加熱溫度分別設定為42、45 和48℃。每個實驗均在同等情況下測試三次，取平均值，其相對誤差不超過10%。

為了評估實驗房的熱性能，采用以下參數(shù)作為評價指標，包括：室內(nèi)中心溫度從實驗開始到最低舒適溫度所用的時間(tC)、電加熱時間(tH)、停止加熱后室內(nèi)中心溫度在舒適范圍內(nèi)的持續(xù)時間(tL)、室內(nèi)中心溫度在舒適范圍內(nèi)的總時間(Δt)、最高室內(nèi)中心溫度(Tm)、用電量(EC)和熱舒適度(FTC)。根據(jù)《民用建筑供暖通風空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》，在冬冷夏熱地區(qū)冬季室內(nèi)溫度的舒適范圍通常為16～22℃。FTC用式(1)計算，其中t為測試總時長。

2 結(jié)果與討論

2.1 研制適宜于電地暖應用的SAT-urea-EG 混合相變材料

2.1.1 探索相變溫度適宜于電地暖應用的SATurea 混合鹽 圖3 為SAT 和尿素以及尿素質(zhì)量分數(shù)不同的SAT-urea 混合物的DSC 曲線，并將測定所得的相變溫度和潛熱等特性參數(shù)列于表1 中。從圖3(a)可以看出，SAT 的熔點為58.70℃，熔化焓高達288.4 J/g；高的潛熱值使得SAT 是一種極具應用潛力的無機水合鹽相變材料。尿素的熔點為132.74℃，熔化焓也高達231.1 J/g。從圖3(b)可以看出，當尿素含量為10%和20%時，混合物出現(xiàn)了兩個熔化峰，沒有呈現(xiàn)一致熔融的特性；對于尿素含量30%、40%和50%的三種混合物，它們都只出現(xiàn)了一個熔化峰，皆呈現(xiàn)一致熔融，但50%混合物的峰面積小于40%的混合物；此外，尿素含量40%的混合物熔點略低于另外兩個混合物。為了進一步優(yōu)化尿素的含量，制備了尿素含量分別為32%、35%、38%、42%和45%的混合物，其DSC曲線如圖3(c)所示?？梢钥闯?，這些混合物都呈現(xiàn)單一的熔化峰，但尿素含量為32%的混合物熔化峰是一個拖尾峰。從熔點來看，這些混合物熔點都在32℃左右，低于SAT 的熔點，更是遠低于尿素的熔點；隨著尿素含量的上升，混合物的熔點呈稍許下降的趨勢，在尿素含量為38% 和40% 時，呈現(xiàn)最低值，為32.41℃；進一步提升尿素的含量，熔點又有所上升?？紤]到尿素含量為38%的混合物熔化焓高達218.1 J/g，高于其他呈現(xiàn)一致熔融的混合物，因而選用尿素含量為38%的混合物作為SAT-uea 混合相變材料，用于后續(xù)的研究。

2.1.2 降低SAT-urea 混合鹽的過冷度 過冷是無機水合鹽相變材料的固有缺陷，上述配制的SATuea混合相變材料也不例外，如圖4的T-history 曲線所示，該混合相變材料的過冷度高達7.15℃。為了降低該混合相變材料的過冷度，將EG 添加于其中，配制不同EG 含量的SAT-uea-EG 混合物，它們的T-history 曲線也示于圖4 中。不同EG 含量混合物的過冷度列于表2 中。此外，還測定了它們的熱導率、熔點和熔化焓，也都列于表2 中?？梢钥闯?，當添加2%的EG 于該混合相變材料中時，過冷度就下降到了2.89℃；進一步增加EG 的用量到6%，過冷度降到了2.02℃?；旌舷嘧儾牧线^冷度的降低是因為加入的EG 并不發(fā)生熔融，從而為熔融的SAT-urea混合物提供非均相成核的作用，有利于結(jié)晶過程的發(fā)生。此外，隨EG 含量的上升，SAT-urea-EG 混合物的熔點變化不大，但熔化焓呈下降趨勢，這是因為EG 并不貢獻潛熱；它們的熱導率呈不斷上升趨勢，這是因為EG 具有高的熱導率。有文獻指出[21]，一定程度地提高PCM 的熱導率能有效提升地板采暖的綜合性能，但當熱導率超過1.0 W/(m·K)時，綜合性能不再顯著提升。綜合考慮過冷度低、相變潛熱大和熱導率高的要求，選擇EG 含量為4%的混合物作為SAT-uea-EG 混合相變材料，后續(xù)應用于電地暖中。該混合相變材料的成分：SAT59.5%、尿素36.5% 以及EG4%，其熔點為31.98℃，熔化焓為209.1 J/g，過冷度為2.04℃，熱導率為2.349 W/(m·K)。

圖3 SAT和尿素以及含有不同質(zhì)量分數(shù)尿素的SAT-urea混合物的DSC曲線Fig.3 DSC curves of SAT and urea as well as SAT-urea mixtures with different mass fractions of urea

表1 SAT-urea混合物的相變特性參數(shù)Table 1 Phase change characteristics of SAT-urea mixtures with different mass fractions of urea

圖4 EG含量不同的混合相變材料的T-history曲線Fig.4 T-history curves of mixtures with different contents of EG

表2 EG含量不同的混合相變材料的熱特性參數(shù)Table 2 Thermal characteristics of mixtures with different contents of EG

2.1.3 SAT-urea-EG混合相變材料的熱可靠性 具有良好的熱可靠性是相變材料投入應用的重要前提。為了評價上述研制的SAT-uea-EG 混合相變材料的熱可靠性，對其進行了200次冷熱循環(huán)實驗，再將其實驗前后的DSC 曲線進行對比，如圖5 所示。經(jīng)過200 次循環(huán)后，該混合相變材料的熔點幾乎沒有變化，其相變潛熱從循環(huán)前的209.1 J/g 降至205.8 J/g，僅下降了1.58%。由此可見，該SAT-uea-EG 混合相變材料具有良好的熱可靠性，具備實際應用潛力。

圖5 SAT-urea-EG混合相變材料200次加熱-冷卻循環(huán)前后的DSC曲線Fig.5 DSC curves of SAT-urea-EG PCM before and after 200 heating-cooling cycles

2.2 SAT-urea-EG 混合相變材料在電地暖系統(tǒng)中的應用性能研究

圖6 放置不同厚度的相變板時實驗房內(nèi)不同位置溫度隨時間的變化Fig.6 Time-dependent temperatures at different locations of test room when equipped with phase change panels with different PCM thicknesses

2.2.1 相變板厚度對實驗房熱性能的影響 將SAT-urea-EG 混合相變材料制作成兩片分別為5 mm 和10 mm 的相變板，然后分別將其安裝在實驗房的電地暖系統(tǒng)中，在模擬上海冬季氣候的條件下，對實驗房進行了熱性能監(jiān)測。圖6 為當分別安裝不同厚度的相變板時實驗房內(nèi)各處的溫度變化曲線，并依據(jù)這些溫度曲線計算出安裝不同厚度相變板的實驗房的熱性能評估參數(shù)，列于表3中。從6(a)可以看出，兩塊不同厚度相變板的表面溫度在評估過程中隨時間變化趨勢相似；在加熱過程中，兩塊相變板的表面溫度平臺都出現(xiàn)在28℃左右；而不同的是，對于10 mm的相變板，其表面最高溫度出現(xiàn)在201 min，5 mm 的相變板出現(xiàn)在107 min；這是因為10 mm 的相變板含有更多的相變材料，能儲存更多的熱量。同理，如圖6(b)所示，當安裝10 mm 相變板時，實驗房的PVC 地板表面在202 min 時達到最高溫度27℃左右，比安裝5 mm相變板時最高溫的出現(xiàn)延長了95 min。對于室內(nèi)溫度來說，從圖6(c)可以看出，當在電地暖系統(tǒng)內(nèi)安裝5 mm 相變板時，在120 min 時室內(nèi)溫度達到最大值，為17.6℃；而安裝10 mm 相變板時，室內(nèi)溫度在213 min時達到的最大值，為18.6℃。此外，對比計算出的熱性能評價參數(shù)可以看出，盡管安裝10 mm 相變板時所需的電加熱時間(tH)更長，電消耗(EC)更大，但其室內(nèi)溫度在舒適范圍內(nèi)的總時間(Δt)明顯更長，因而熱舒適度(FTC)更高?？傊?，從上述研究可以看出，F(xiàn)TC 隨著PCM 層厚度的增加而增加，但PCM 層厚度的增加也會導致加熱時間和用電量的增加；可以推測，若進一步增加PCM 層厚度必然會導致加熱時間進一步增加，這對電加熱膜的使用壽命是不利的。因此，為了保證較高的熱舒適度，選取PCM 層厚度為10 mm的相變板進行后續(xù)研究。

表3 實驗房地暖系統(tǒng)中安裝不同厚度相變板時的熱性能參數(shù)Table 3 Parameters of test rooms equipped with phase change panels with different PCM thicknesses

2.2.2 加熱溫度設定對實驗房熱性能的影響 固定安裝厚度為10 mm 相變板于電地暖系統(tǒng)中，改變電加熱設定溫度分別為42、45 和48℃，考察了不同加熱溫度下實驗房的熱性能。圖7為不同加熱溫度下實驗房不同位置溫度隨時間的變化曲線，對應計算出的熱性能評價參數(shù)列于表4 中。從圖7(a)中可以清楚看到，當加熱溫度從42℃上升到45℃，再到48℃，相變板表面達到最高溫度的時間明顯變短，意味著相變材料的儲熱時間縮短。同樣地，如圖7(b)所示，PVC 地板表面溫度達到最值的時間也隨加熱溫度的升高而縮短。對于室內(nèi)溫度，從圖7(c)看出，室內(nèi)溫度最大值并不隨加熱溫度的變化而變化，三種加熱溫度下，最高室內(nèi)溫度都在18.5～18.6℃；但室內(nèi)溫度達到最大值的時間隨加熱溫度的變化而變化；具體地說，對于加熱溫度為45℃和48℃兩種工況，室內(nèi)溫度達到最值的時間非常接近，均短于加熱溫度為42℃的工況。此外，從表4 的評價參數(shù)可以看出，加熱時間和用電量都隨著加熱溫度的升高而減少；特別地，隨著加熱溫度的不斷升高，F(xiàn)TC出現(xiàn)了先升高后下降的情況，即從86.26%上升到88.20%，隨后略微下降到88.18%。這是因為，當加熱溫度過高時，較大的溫差將加速熱傳導，使得PVC 地板表面較早達到27℃，此時電加熱被關(guān)閉，而PCM 并未充分完成相變儲熱。綜合考慮加熱時長、用電量和熱舒適度，當電地暖系統(tǒng)中安裝10 mm厚的SAT-urea-EG 相變板時，加熱溫度應設定為45℃。

圖7 不同加熱溫度下實驗房內(nèi)不同位置的溫度隨時間的變化Fig.7 Time-dependent temperatures at different locations of test room at different set heating temperatures

表4 不同加熱溫度下實驗房的熱性能參數(shù)Table 4 Parameters of test rooms under different set heating temperatures

2.3 SAT-urea-EG 相變板應用于電地暖的節(jié)能效果和成本估算

2.3.1 PCM 房和參比房的用電量和電費對比 為了評價電地暖系統(tǒng)安裝了10 mm 厚SAT-urea-EG相變板的PCM 實驗房相比于沒有安裝任何相變板的參比房的節(jié)能效果，在45℃的加熱溫度下，對其進行全天實驗評估，并記錄其用電量。具體地，考慮到人們一天中在9:00～17:00的時間里通常因工作或從事其他活動而不在家中，因而全天實驗從17:00開始到第二天9:00 結(jié)束，共運行16 h；對PCM 房而言，電加熱膜在實驗開始時開啟；當PVC 地板表面溫度超過27℃時關(guān)閉，而當室內(nèi)溫度低于16℃時再次開啟，如此循環(huán)至實驗結(jié)束。PCM 房的加熱過程如圖8(a)所示，可以看到PCM 房需要三個加熱周期。在此運行工況下，PCM 房的PVC 地板表面溫度可控制在20.5～27.2℃之間[圖8(b)]，且室內(nèi)溫度大都在15.9～18.6℃之間[圖8(c)]。相應地，計算得到PCM 房的FTC為95.52%。

對于沒有安裝任何相變板的參比房，通過預實驗發(fā)現(xiàn)，其室內(nèi)溫度在停止電加熱后就迅速跌出舒適范圍。因此，與PCM 房的間歇加熱不同，參考房的電加熱始終保持開啟狀態(tài)[圖8(a)]，以維持參考房的室內(nèi)溫度，保證參考房的熱舒適性。此外，基于預實驗的結(jié)果，參考房的加熱溫度應設定在32℃，這樣才能既保證PVC 地板表面溫度不超出27℃[圖8(b)]，又能使室內(nèi)溫度達到18℃左右[圖8(c)]，此工況下參比房的FTC為98.33%。

圖8 PCM房和參考房的對比Fig.8 Comparisons of PCM room and reference room

將FTC 值達95.52%的PCM 房和與FTC 值為98.33%的參比房進行了用電量對比。在各自的運行工況下，雖然參比房的FTC 比PCM 房略高，但是參比房的加熱時間長，所以用電量(EC)更高。具體如表5 所示，以一天計，參比房的峰電用量為69 W·h，谷電為72 W·h，因而總用電量為141 W·h；PCM房的峰電用量為59 W·h，谷電為65 W·h，因而總用電量為124 W·h?？傊c參考房相比，該PCM 房的總用電量降低了12.1%。用電量的減少再加上目前我國實施的峰谷電價差給PCM 房帶來電費的降低。根據(jù)當前上海分時電價(峰時：0.617 CNY/(kW·h)，谷時：0.307 CNY/(kW·h))分別計算出了PCM房和參比房的電費(EF)。如表5 所示，可以看出，PCM 房的電費明顯低于參考房。具體地，以一天計，與參考房相比，PCM房總電費減少了12.9%。

表5 PCM房和參考房的峰谷用電量及電費Table 5 EC and EF of PCM room and reference room

以上研究表明，將SAT-urea-EG 混合相變板集成于電加熱地板采暖系統(tǒng)中，可以在犧牲較少的熱舒適度情況下，達到降低能耗和用電成本的目的。

2.3.2 SAT-urea-EG相變板的成本估算和經(jīng)濟回收期分析 將含有SAT-urea-EG 相變板的電地暖應用于我國夏熱冬冷地區(qū)之一的上海進行壽命和經(jīng)濟回收期的估算。依據(jù)上海每年冬季平均氣溫，并根據(jù)《民用建筑供暖通風空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》，估算出該地區(qū)供暖的天數(shù)在90 d 左右；根據(jù)前面的實驗結(jié)果，可以看出在PCM 房優(yōu)化運行工況下相變板每天需要進行3 次冷熱循環(huán)；經(jīng)評估，200 次冷熱循環(huán)后該復合相變材料的潛熱降低了1.58%；因此，按焓值衰減30%后失效估計，相變板的使用壽命有10～15 年左右。此外，相變板失效后只需用新的相變板替換即可，這與使用水電暖需要進行定期檢修的做法類似，但電地暖的安裝更換更簡便靈活。

按建筑面積30 m2進行成本計算如下：相變板(厚度10 mm，密度1000 kg/m3)中SAT-urea-EG 混合相變材料總質(zhì)量為30×0.1×1000=300 kg，其中SAT 178.56 kg，其價格約為2000 CNY/t；尿素109.44 kg，其價格約為1400 CNY/t；膨脹石墨12 kg，其價格約為30000 CNY/t；封裝板材及加工費用按約10 CNY/m2計。因此，相變板總成本=(178.56×2000 +109.44×1400 + 12×30000)/ 103+ 30×10 = 1170.336 CNY。

另外，根據(jù)上述研究所得的數(shù)據(jù)(表5)可估算，含30 m2相變板的房子每天節(jié)省(64.677－56.358)×10-3×30/0.09=2.773 CNY，每年使用電地暖的天數(shù)按90 d 算，則第一年經(jīng)濟收益= 2.773× 90 = 249.57 CNY。同樣地，計算出累計到第二年到第五年的收益，列于表6中。可以看到，在第4年到第5年間，該相變板帶來的經(jīng)濟效益追平相變板的成本，而相變板的使用壽命有10 ～15年左右，因而可以估算出至少有6 ～11年的時間是完全正收益的。

表6 相變板的投資成本及節(jié)能經(jīng)濟效益Table 6 Economic cost and payback of phase change panel

3 結(jié) 論

為了研制適宜應用于電地暖的相變材料，本研究探索了尿素含量對SAT-urea 混合物相變溫度和潛熱的影響，考察了EG 添加量對SAT-urea 混合物過冷度的影響；隨后，將所研制的混合相變材料制作成不同厚度的相變板，搭建實驗房，在人工氣候箱中，針對上海冬季氣候，研究了相變板在電地暖中的應用性能。得出的主要結(jié)論如下。

（1）尿素的添加量對三水醋酸鈉-尿素混合物的相變特性具有顯著影響。當尿素質(zhì)量分數(shù)為38%時，所得三水醋酸鈉-尿素混合物呈現(xiàn)一致熔融，其熔化焓高達218.1 J/g、熔點為32.41℃，適宜用于電地暖系統(tǒng)；當膨脹石墨添加量為4%，所得三水醋酸鈉-尿素-膨脹石墨混合相變材料過冷度僅為2.04℃、熱導率為2.349 W/(m·K)、相變溫度和潛熱分別為31.98℃和209.1 J/g；冷熱循環(huán)實驗評價表明，該三水醋酸鈉-尿素-膨脹石墨混合相變材料具有良好的熱可靠性。

（2）應用性能評價結(jié)果表明，實驗房的熱舒適度隨著相變材料層厚度的增加而增加，但該厚度增加也帶來了加熱時間和用電量的增加；加熱時間和用電量隨著設定加熱溫度的升高而減少，但實驗房的熱舒適度出現(xiàn)了先升高后下降的趨勢，因而當安裝相變材料層厚度為10 mm的相變板時電加熱溫度適宜設置在45℃；在實驗房與參比房在熱舒適度相當?shù)臈l件下，根據(jù)上海地區(qū)實行的分時電價，安裝了三水醋酸鈉-尿素-膨脹石墨混合相變板的實驗房降低了12.1%的總用電量，并節(jié)約了12.9%的電費；相變板的使用壽命有10 ～15 年左右，而其經(jīng)濟回收期只有約為4 ～5年。

總之，高性能且低成本的三水醋酸鈉-尿素-膨脹石墨混合相變材料在電地暖中具有良好的推廣應用前景，研究結(jié)果對應用電地暖解決我國夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖問題提供了參考依據(jù)。