高劍晨，趙炳晨，何峰，李廷賢

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

引 言

能量轉(zhuǎn)換和利用過程中常常存在供能和需能在時(shí)間和空間分布上供求不匹配的矛盾，如電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷差、太陽能隨時(shí)間分布的間歇性和波動性、發(fā)電廠的余熱跨時(shí)空利用等，儲熱技術(shù)可以通過將熱能暫時(shí)儲存起來進(jìn)行合理的調(diào)配，使得能量的產(chǎn)生和使用在時(shí)間/空間上實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)進(jìn)而提高能量利用效率。依據(jù)儲能方式可將儲能技術(shù)主要分為三個種類：顯熱儲能、相變儲能和熱化學(xué)儲能。顯熱儲能的儲熱密度比較低，主要有水箱儲熱和高溫熔融鹽儲熱等[1-3]，利用儲能介質(zhì)的溫度和熱容實(shí)現(xiàn)儲能；熱化學(xué)儲能則有著遠(yuǎn)超過另外兩種儲能方式的儲能密度，但由于其系統(tǒng)的搭建維護(hù)過于復(fù)雜導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多限制[4-6]。相比之下，相變儲能的儲熱密度適中且系統(tǒng)的搭建維護(hù)相對比較簡單，適合在中低溫建筑節(jié)能、工業(yè)余熱利用、太陽能儲熱等領(lǐng)域大規(guī)模化使用[7-10]。在各種相變儲熱材料中，無機(jī)水合鹽相變儲熱材料因顯著的高儲熱密度和低成本優(yōu)勢近些年受到越來越多的關(guān)注[11-13]。大多數(shù)水合鹽相變儲熱的應(yīng)用溫區(qū)與傳統(tǒng)水箱的顯熱儲熱溫區(qū)相重疊，因此利用水合鹽相變儲熱替代水的顯熱儲能得到了廣泛關(guān)注。利用水的顯熱儲熱有著明顯的溫度上限，即常壓下儲熱溫度無法高于水的沸點(diǎn)，因此在中低溫（70～100℃）范圍內(nèi)的儲熱密度更高的水合鹽成為了人們的研究熱點(diǎn)。在中低溫范圍內(nèi)的水合鹽主要有十二水硫酸鋁銨、八水氫氧化鋇、六水硝酸鎂等，但八水氫氧化鋇有著非常高的毒性以及腐蝕性[14]、十二水硫酸鋁銨也有著強(qiáng)腐蝕性以及相變時(shí)過冷度可達(dá)60℃的問題[15]，而六水硝酸鎂具有較高的相變潛熱[16]，相變溫度處于90℃附近，導(dǎo)熱性能良好、腐蝕性小、價(jià)格低廉、原料來源廣等，在工業(yè)余熱利用、太陽能利用、建筑物采暖等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景[17-20]。

但純六水硝酸鎂也存在過冷度大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其無法直接應(yīng)用在工程實(shí)際中，為此，眾多學(xué)者對其進(jìn)行了改性研究。Lane[21]針對六水硝酸鎂選取了多種添加劑來研究對其過冷度的影響，最終發(fā)現(xiàn)添加0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的三水硫酸銅可以將10次循環(huán)的平均過冷度減小到0.5℃。Ding等[22]在六水硝酸鎂和六水氯化鎂的相變儲熱復(fù)合材料中加入羧甲基纖維素鈉研究其對材料相分離的影響，微觀形貌的結(jié)果表明羧甲基纖維素較好地解決了材料的相分離現(xiàn)象，但同時(shí)材料的相變焓也會隨之降低。谷海明[23]研究發(fā)現(xiàn)純六水硝酸鎂的過冷度達(dá)10℃，而六水氯化鎂則可以減小六水硝酸鎂的過冷度，且對六水硝酸鎂的相變焓幾乎不造成影響，復(fù)合材料進(jìn)行500次的加熱-冷卻循環(huán)實(shí)驗(yàn)后材料的過冷度和相變潛熱變化均不大，也未出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象。Honcova等[24]針對六水硝酸鎂選取了十余種成核劑，最終測試發(fā)現(xiàn)0.5%～2%的氫氧化鎂或者0.5%～1%的氧化鋇、氧化鎂、氫氧化鍶可以將50次循環(huán)實(shí)驗(yàn)的過冷度降低到5℃以內(nèi)。Danielik等[25]針對六水硝酸鎂的腐蝕性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)四水硝酸鈣和六水硝酸鎂等質(zhì)量混合后的混合物對碳鋼可保持長時(shí)間的不腐蝕性，而在六水硝酸鎂中加入氫氧化物會使其對碳鋼的腐蝕速率提高近三倍。Nagano等[17]研究發(fā)現(xiàn)以六水氯化鎂作為添加劑的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料在1000次循環(huán)后可保持相變溫度及相變潛熱幾乎不變；到目前為止，六水硝酸鎂作為中低溫儲熱相變材料主要應(yīng)用在小型太陽能裝置上[26-27]。

目前水合鹽相變儲熱的研究主要聚焦在解決材料過冷度和相分離方面[28-30]，對于六水硝酸鎂的研究多數(shù)集中在過冷度及腐蝕性方面，六水硝酸鎂熔化時(shí)產(chǎn)生的結(jié)晶水可以完全溶解Mg(NO3)2，理論上來說不會產(chǎn)生相分離現(xiàn)象[31]。關(guān)于六水硝酸鎂儲能裝置的研究相對較少，與材料實(shí)際的應(yīng)用仍有一段距離?？紤]到二水硫酸鈣與六水硝酸鎂晶格參數(shù)相近，且價(jià)格低廉，性質(zhì)穩(wěn)定，本文選擇與六水硝酸鎂晶體結(jié)構(gòu)相近的二水硫酸鈣作為成核劑制備了相變儲熱復(fù)合材料，通過DSC和步冷曲線測試分析了成核劑的最佳比例，并對其熱物性進(jìn)行了研究；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)建了采用六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料的儲熱裝置及與之相匹配的相變儲熱系統(tǒng)，采用實(shí)驗(yàn)手段對儲熱裝置的儲放熱性能進(jìn)行了測試，以期為相變儲熱采暖提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

1.1 六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料制備

純六水硝酸鎂存在過冷度大和熱穩(wěn)定性差的問題，采用與六水硝酸鎂晶格參數(shù)相近的材料作為成核劑可降低其過冷度。二水硫酸鈣和六水硝酸鎂的晶格參數(shù)如表1所示，可以看出兩者的晶格參數(shù)較為接近。本實(shí)驗(yàn)采用熔融共混法制備六水硝酸鎂/二水硫酸鈣相變儲熱復(fù)合材料（PCM），其中六水硝酸鎂（magnesium nitrate hexahydrate，MNH）作為主體相變儲熱材料，純度為99%；二水硫酸鈣(calcium sulfate dihydrate,CSD)作為成核劑，純度為99%。

表1 六水硝酸鎂和二水硫酸鈣的晶格參數(shù)Table 1 Lattice parameters of magnesium nitrate hexahydrate and calcium sulfate dihydrate

六水硝酸鎂/二水硫酸鈣相變儲熱復(fù)合材料的制備過程如圖1所示[32]：按表2所示的4種質(zhì)量比稱取六水硝酸鎂和二水硫酸鈣置于燒杯中，用干燥的玻璃棒攪拌混合均勻并密封；將混合后的樣品放入97℃ 恒 溫 水 ?。↗ulabo gmbh，德 國 Julabo Labortechnik公司，溫度誤差±0.03℃）中加熱，待樣品完全熔化后置于可控溫的磁力攪拌儀（上海力辰邦西儀器科技有限公司，溫度誤差±1℃）中溫度設(shè)置在97℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置3000 r/min，攪拌15 min；最后，停止加熱和攪拌，待混合樣品在室溫下冷卻凝固后得到改性的相變儲熱復(fù)合材料。

圖1 六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料制備過程Fig.1 Preparation of magnesium nitrate hexahydrate composite phase change material

表2 六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料的組分質(zhì)量配比Table 2 Component mass ratio of magnesium nitrate hexahydrate composite phase change material

1.2 相變儲熱材料熱物性測試

利用差示掃描量熱儀（DSC8000，美國Perkin-Elmer公司）測定相變儲熱復(fù)合材料的相變焓、熔點(diǎn)及比熱容，待測樣品取樣量為5～10 mg，溫升范圍為60～120℃，溫升速率為10 K/min，測試時(shí)保持氮?dú)饬魉贋?0 ml/min。采用步冷曲線法測試相變儲熱復(fù)合材料的過冷度、凝固溫度及循環(huán)穩(wěn)定性，步冷曲線測試系統(tǒng)如圖2所示。將約40 g樣品放置在不銹鋼試管中，再插入與不銹鋼管匹配的PT100熱電阻，溫度誤差±0.1℃；將試管置于97℃恒溫水浴中加熱，待試管內(nèi)相變材料完全熔化（所測得的材料溫度高于95℃）后，將試管置于25℃恒溫水浴中進(jìn)行冷卻，直至材料完成放熱過程（材料溫度低于40℃）；重復(fù)上述流程50次。采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集在上述儲、放熱過程中的材料溫度數(shù)據(jù)，采集間隔為3 s。

圖2 步冷曲線測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of step cooling test device

1.3 相變儲熱裝置與系統(tǒng)

為了探究改性后的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料在“峰谷電”供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一臺儲熱容量約為150 kWh的相變儲熱器，其外觀與結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。相變儲熱器的外尺寸為1530 mm×1030 mm×1730 mm，材料容器與外殼之間為保溫層，總質(zhì)量約2.6 t；在儲熱器的側(cè)壁裝有一組DN40進(jìn)/出水口，相變材料填充量約為2282.7 kg；相變材料與水的換熱通過材料容器內(nèi)的翅片換熱器實(shí)現(xiàn)。

圖3 相變儲熱器外觀及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Photograph and size of the MNH/CSDPCM-based heat storage device

基于相變儲熱器搭建了儲熱采暖系統(tǒng)，研究該儲熱器的儲、放熱性能。儲熱采暖系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。該系統(tǒng)由相變儲熱器、電鍋爐、水泵、用熱端和管路閥門組成。系統(tǒng)的運(yùn)行模式如下：在夜晚谷電時(shí)段，電鍋爐開啟，在為用熱端供熱的同時(shí)，將多余的熱量通過采暖水儲存到相變材料中。在白天峰電時(shí)段，電鍋爐停止工作，循環(huán)采暖水將相變材料中儲存的熱量輸送至用熱端進(jìn)行供暖。利用PT100測量系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度，利用電磁流量計(jì)測量流經(jīng)儲熱裝置采暖水的流量。實(shí)驗(yàn)中，儲熱階段將采暖水的流量設(shè)定在4 m3/h左右，儲熱溫度上限設(shè)置為97℃；放熱階段起始放熱溫度設(shè)置為93℃，采暖水流量穩(wěn)定時(shí)為0.21 m3/h。

圖4 相變儲熱采暖系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagramof the MNH/CSDPCM-based heat storage system

1.4 相變儲熱裝置性能計(jì)算

相變儲熱系統(tǒng)的熱性能主要通過儲熱量、放熱量、儲熱效率、放熱功率四個指標(biāo)評估。

理論儲熱量可由式（1）計(jì)算得到：

式中，mtotal代表相變材料的質(zhì)量，kg；Tmax、Tmin分別代表相變儲熱的初始溫度和結(jié)束溫度，℃；cPCM代表相變材料的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；ΔH代表材料的相變焓值，kJ/kg。

實(shí)際儲、放熱量分別為Qc和Qdc：

式中，t1、t2分別為儲熱開始和結(jié)束的時(shí)間，s；m?是采暖水的質(zhì)量流量，kg/s；cp是采暖水的比熱容，kJ/(kg·℃)；Tin、Tout分別代表儲熱器進(jìn)/出口處的采暖水溫度，℃

儲熱效率可由式（4）計(jì)算得到：

儲熱功率可由式（5）計(jì)算得到：

2 結(jié)果與分析

2.1 DSC測試結(jié)果分析

圖5為CSD質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1%、2%、3%的四種相變儲熱復(fù)合材料在循環(huán)50次前后的DSC熔化測試曲線。從圖中可看到，相變儲熱復(fù)合材料在熔化過程中有兩個吸熱峰，第一個峰比較小，出現(xiàn)在75℃附近，對應(yīng)的相變潛熱約為10 J/g，第二個峰對應(yīng)的面積比較大，出現(xiàn)在93℃附近，對應(yīng)的相變潛熱約為145～165 J/g。對比四種相變儲熱復(fù)合材料的熔化曲線可知，材料的固-液相變焓隨二水硫酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。因此，須考慮將二水硫酸鈣的添加比例控制在合理的范圍內(nèi)，使其既發(fā)揮儲成核劑的作用，同時(shí)又保證材料的儲熱能量密度。觀察圖中熔化峰的形狀可知，相變儲熱復(fù)合材料在剛配制好時(shí)，熔化峰形不平滑，而在50次儲-放熱循環(huán)后，其熔化峰形則趨于平滑，該現(xiàn)象可能是由于測試樣品在反復(fù)的儲-放熱循環(huán)中混合更加均勻。

圖5 不同CSD含量的MNH相變儲熱復(fù)合材料在循環(huán)50次前、后的DSC曲線Fig.5 DSCcurves of MNH-based PCMs with different CSDcontentsbefore and after 50 cycles

2.2 步冷曲線分析

水合鹽在凝固時(shí)會處于固液的混合態(tài)，溫度也會保持在相變溫度附近，在步冷曲線上呈現(xiàn)出一段近似水平的曲線。過冷度的定義為：理論凝固溫度和實(shí)際凝固溫度之間的差異。由圖6 CSD含量分別為0和2%的相變儲熱復(fù)合材料的步冷曲線可以看出，純六水硝酸鎂在循環(huán)初期的凝固過程還可以看到相變平臺，但是隨著循環(huán)次數(shù)的增大，在第30次循環(huán)之后，凝固溫度下降得較為明顯，且在凝固過程中，溫度在不斷下降，相變平臺有消失的趨勢，反映出純六水硝酸鎂在實(shí)際應(yīng)用中的不穩(wěn)定性；添加1%CSD的相變儲熱復(fù)合材料在循環(huán)初始過冷現(xiàn)象就比較明顯，隨著循環(huán)的進(jìn)行過冷現(xiàn)象更加嚴(yán)重，在30次循環(huán)之后過冷現(xiàn)象又逐漸減弱，整個循環(huán)過程都有著明顯的過冷現(xiàn)象；添加3%CSD的相變儲熱復(fù)合材料在循環(huán)中過冷度有比較明顯的波動，且材料的凝固溫度有上升的趨勢，在第50次循環(huán)時(shí)已經(jīng)沒有明顯的相變平臺，材料的熱循環(huán)穩(wěn)定性較差。而添加2%CSD的相變儲熱復(fù)合材料在凝固過程溫度變化較小，放熱平臺更明顯，持續(xù)時(shí)間較長，相變時(shí)的過冷度也很小，相比于純六水硝酸鎂，改性后的材料在放熱溫度平穩(wěn)性方面都有了明顯的提升。

圖6 不同CSD含量的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料的步冷曲線Fig.6 Step cooling curve of MNH-based PCMs with different CSDcontents

對添加2%CSD的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料的過冷度在50次熔化-凝固循環(huán)實(shí)驗(yàn)中隨循環(huán)次數(shù)的變化情況進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了10次。如圖7所示利用第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，并將剩下9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果以誤差棒的形式表示。從第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，純六水硝酸鎂在循環(huán)的初期過冷度較小，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，過冷度有明顯的上升，且上升幅度較大；CSD含量為1%的樣品過冷度波動變化較大，最大可達(dá)2.2℃，最小小于0.5℃，相比純六水硝酸鎂過冷度稍有改善；CSD含量為2%和3%的樣品過冷度都比較小，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CSD含量為3%的樣品的過冷度變化波動較大且有增大的趨勢，在第50次循環(huán)時(shí)過冷度甚至高于1℃，而CSD含量為2%的樣品過冷度始終較為溫度保持在0.5℃以下，剩下9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中樣品的過冷度變化趨勢與第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，故選擇2%作為CSD的最佳添加比例進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

圖7 成核劑含量不同的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性Fig.7 Thermal stability of MNH-based PCMwith different content of nucleating agent

對添加2%CSD的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料的相變潛熱和起始相變溫度在50次熔化-凝固循環(huán)實(shí)驗(yàn)中隨循環(huán)次數(shù)的變化情況進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了10次，如圖8所示利用第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，并將剩下9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果以誤差棒的形式表示。從圖中可以看到，第一次實(shí)驗(yàn)中，樣品的起始相變溫度隨著循環(huán)次數(shù)的增加并未發(fā)生明顯的變化，在50次循環(huán)內(nèi)保持了較好的穩(wěn)定性。樣品的相變潛熱在循環(huán)的前期有比較大的起伏，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相變潛熱有所上升，但在循環(huán)的后期相變潛熱基本穩(wěn)定。分析可知由于配制工藝，相變儲熱復(fù)合材料在循環(huán)初期未能完全混合均勻，導(dǎo)致取樣測試結(jié)果存在差異，而隨著熔化-凝固循環(huán)次數(shù)的增加，液體狀態(tài)下材料會自發(fā)向均勻狀態(tài)變化，因此在循環(huán)次數(shù)增大之后，材料的均勻性大大增加，相變潛熱也逐漸穩(wěn)定。后面9次實(shí)驗(yàn)，起始熔化溫度與第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差均在±0.8℃以內(nèi)，相變潛熱與第一次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差在±2 kJ/kg以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明添加2%CSD的相變儲熱復(fù)合材料的在50次量級的熔化-凝固循環(huán)中有較好的熱穩(wěn)定性。

圖8 添加2%CSD的MNH相變儲熱復(fù)合材料的熱物性Fig.8 Thermal properties of MNH-based PCM with 2%CSD

2.3 相變儲熱系統(tǒng)

圖9(a)為相變儲熱系統(tǒng)在儲熱模式即電鍋爐供暖的同時(shí)讓相變材料儲熱下相變儲熱器進(jìn)出口溫度、儲熱器內(nèi)部溫度和進(jìn)出口溫差變化。儲熱過程中將電鍋爐的溫度設(shè)置為97℃。從圖9(a)中可以看到，儲熱過程大致有三個階段，分別是固體狀態(tài)下的顯熱儲熱、相變時(shí)的潛熱儲熱和液態(tài)下的顯熱儲熱。在儲熱過程開始階段，相變材料的溫度約為42℃，在電鍋爐的加熱作用下水和相變材料的溫度迅速上升，進(jìn)出口溫差先迅速上升到最大值，然后緩慢減小然后趨于穩(wěn)定。

隨著相變材料溫度T3升高到相變溫度附近，儲熱過程進(jìn)入相變儲熱階段，相變材料的相變潛熱要遠(yuǎn)大于其顯熱，相變儲熱階段將會持續(xù)較長的一段時(shí)間，與此同時(shí)相變材料的溫度也會緩慢地上升，直到完全相變。隨著相變過程的完成，進(jìn)出口溫差也越來越趨近于0℃，儲熱過程進(jìn)入液態(tài)顯熱儲熱階段。圖9(a)中各個階段的儲熱時(shí)間中，相變儲熱階段的時(shí)間最長，液態(tài)顯熱儲熱時(shí)間最短，儲熱時(shí)間與相變材料各個階段的理論儲熱量恰好一一對應(yīng)，其中相變儲熱是相變材料主要的熱量存儲方式。

圖9(b)是相變儲熱器儲熱功率變化和系統(tǒng)換熱流體水的流量變化曲線，儲熱功率根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算，儲熱系統(tǒng)中采暖水的流量一直保持在4 m3/h左右。計(jì)算得知儲熱階段平均儲熱功率為27.5 kW，根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算儲熱器的理論儲熱量和實(shí)際儲熱量分別為152.4 kWh和155 kWh。實(shí)際儲熱量要略低于理論儲熱量，初步分析是由于儲熱器的換熱不夠充分以及溫度測點(diǎn)的數(shù)量有限無法監(jiān)測儲熱器內(nèi)部每個點(diǎn)的溫度，導(dǎo)致最終計(jì)算得到的實(shí)際儲熱量低于理論值。

圖10(a)是儲熱系統(tǒng)放熱過程采暖水以及相變材料的溫度變化，可以看到，放熱過程也分為三個階段，分別是液態(tài)下的顯熱放熱、相變時(shí)的潛熱放熱和固體狀態(tài)下的顯熱放熱。放熱過程開始時(shí)相變材料的溫度約為93℃，儲熱器冷卻水的進(jìn)口水溫T2約為53℃，由于液態(tài)顯熱儲存的熱量較少，相變材料的溫度迅速降到相變溫度附近，開始釋放相變潛熱，相變材料的溫度保持緩慢下降的狀態(tài)，對應(yīng)的溫度區(qū)間為86～91℃，同時(shí)入口水溫在大幅度下降，而出口水溫則保持在一個相對緩慢的下降過程且溫度保持在60℃以上，說明了相變材料在凝固時(shí)釋放的相變潛熱對采暖水溫度的下降起到了延緩作用。隨著相變材料的溫度緩慢下降到86℃左右，相變過程完成，開始進(jìn)入固態(tài)顯熱放熱階段，之后相變材料的溫度以及出口水溫都迅速下降。直至相變材料的溫度T3降低到50℃以下，此時(shí)出口水溫T1低于40℃，無法滿足供暖需求，峰電時(shí)段的供暖過程結(jié)束。

圖10 放熱模式下儲熱器溫度、功率和水流量隨時(shí)間變化情況Fig.10 Performance of the PCM-based heat storage device during thermal discharging phase

圖10(b)是相變儲熱器放熱功率變化和系統(tǒng)換熱流體水的流量變化曲線。在初始階段水的流量較大，在1 m3/h左右，經(jīng)過調(diào)節(jié)之后迅速減小到0.2 m3/h左右并趨于穩(wěn)定。放熱開始，在大流量下的放熱功率也較大，保持在30 kW以上，當(dāng)水流量慢慢穩(wěn)定下來之后，放熱功率也逐漸降低并趨于穩(wěn)定。放熱階段平均放熱功率為8.4 kW，根據(jù)式（3）計(jì)算出儲熱器的放熱量為139.8 kWh。

最終根據(jù)式（4）計(jì)算得到相變儲熱器的儲放熱效率η為92.3%，具有較高的儲放熱效率。在應(yīng)用該系統(tǒng)供暖時(shí)，電鍋爐利用夜晚廉價(jià)的低谷電產(chǎn)生熱量并儲存在儲熱器內(nèi)，在白天或峰電時(shí)釋放熱量進(jìn)行供暖，可最大限度利用谷電，既有利于“削峰填谷”，還能降低用戶的采暖用熱成本。

3 結(jié) 論

本文采用二水硫酸鈣（CSD）作為添加劑，利用熔融共混法對六水硝酸鎂（MNH）進(jìn)行了改性研究和配比優(yōu)選，利用差示掃描量熱儀、恒溫水浴、數(shù)據(jù)采集儀等對樣品的熱穩(wěn)定性及熱物性進(jìn)行了測試分析。最后針對相變復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一套合理利用峰谷電價(jià)差的高密度相變儲熱系統(tǒng)，分析了其在實(shí)際應(yīng)用中的儲放熱性能，得到如下結(jié)論。

（1）相變儲熱復(fù)合材料的熱物性研究表明：采用二水硫酸鈣作為成核劑可以有效改善六水氯化鎂在多次儲放熱循環(huán)之后過冷度急劇增大的情況。通過比較不同比例添加劑的復(fù)合材料性能，發(fā)現(xiàn)添加2%二水硫酸鈣的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料在經(jīng)過50次儲放熱循環(huán)之后過冷度一直保持在0.5℃以內(nèi)，解決了六水氯化鎂相變材料過冷度較大的問題。

（2）相變儲熱復(fù)合材料的熱性能研究表明：純六水硝酸鎂的相變潛熱為153 kJ/kg，添加2%二水硫酸鈣的六水硝酸鎂相變儲熱復(fù)合材料經(jīng)過50次循環(huán)之后的相變潛熱為151.6 kJ/kg，與純六水硝酸鎂的相變潛熱相比幾乎沒有降低，具有非常好的熱穩(wěn)定性。

（3）基于相變儲熱復(fù)合材料的儲熱裝置及系統(tǒng)測試表明：儲熱過程中，平均儲熱功率在20 kW以上，峰值可高達(dá)40～50 kW；放熱模式下，平均放熱功率在8～9 kW，且整個放熱過程的出口水溫在56℃以上，滿足日常生活使用需求。整個系統(tǒng)的儲放熱效率高達(dá)92.3%。