李曉濱，程遠(yuǎn)達(dá)，趙旭東，，范 毅

(1.山西省大同市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 大同 037000；2.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；3.英國(guó)赫爾大學(xué)，英國(guó) 赫爾 HU6 7RX)

面對(duì)能源與環(huán)境問(wèn)題日益加劇，開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源成為了全球關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。太陽(yáng)能作為分布最為廣泛的可再生能源之一，具有極大的利用潛力。目前較為常見(jiàn)的太陽(yáng)能利用技術(shù)包括：太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)、太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、光化學(xué)反應(yīng)技術(shù)以及光熱直接利用技術(shù)。其中，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)(solar water heating system，SWHS)是一種較為成熟的太陽(yáng)能光熱直接利用典型技術(shù)，占全球80%以上的太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)[2]。然而，受太陽(yáng)輻照的間歇性和季節(jié)性影響，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)還面臨著不少問(wèn)題，制約了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[3]。其中，結(jié)合建筑用能需求，將收集的光熱能源高效合理地存儲(chǔ)和釋放，是當(dāng)前太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。

另一方面，相變儲(chǔ)能技術(shù)利用材料的潛熱，通過(guò)相變的過(guò)程可以有效實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，近年來(lái)在太陽(yáng)能光熱利用領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[4]。將相變材料應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，可以從時(shí)間維度極大地改善光熱利用取決于太陽(yáng)輻照的局限，同時(shí)也顯著提高系統(tǒng)的容量空間和光熱利用效率。因此，有關(guān)各種相變材料在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益增多。然而，相變材料與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的結(jié)合，是一個(gè)涉及材料化學(xué)、光熱轉(zhuǎn)化以及建筑能耗分析的多學(xué)科交叉問(wèn)題，目前相關(guān)的研究并不完全成熟，而對(duì)于其中的熱質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量傳輸過(guò)程也并不完全清晰。因此，本文針對(duì)相變材料在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，剖析太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中可利用的不同類型的相變材料特性，闡明相變材料與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)相結(jié)合的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向，從而推動(dòng)太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 相變材料的發(fā)展及分類

相變材料(phase change material，PCM)，也稱為潛熱存儲(chǔ)材料，具有在恒定或窄溫度范圍內(nèi)存儲(chǔ)和釋放大量熱量的高能力，是各種蓄熱材料中最具吸引力的功能材料之一[5]。相變材料也是相變儲(chǔ)熱技術(shù)的核心，其工作原理是：依靠物質(zhì)相變過(guò)程中必須吸收或釋放大量相變潛熱的物理現(xiàn)象，進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和釋放[6]。

PCM的研究在20世紀(jì)40年代由TELKES和RAYMOND首創(chuàng)，在70年代末和80年代初的能源危機(jī)期間，PCM得到大力推廣。1983年，美國(guó)的TELKES博士在相變儲(chǔ)熱技術(shù)的相變材料方面做了很多研究工作，特別是水合鹽即Na2SO4·10H2O，經(jīng)過(guò)對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1 000次的相變實(shí)驗(yàn)研究，證明其相變壽命預(yù)測(cè)最多可達(dá)到2 000次，并在馬薩諸塞州建立了世界第一座相變儲(chǔ)熱被動(dòng)式太陽(yáng)房。德國(guó)GAWRON K和SCHRODER J等研究了-65 ℃～0 ℃的相變材料，推薦在貯冷中采用NaF-H2O共晶鹽(-3.5 ℃)，在低溫貯熱或熱泵中采用KF·4H2O，在建筑物采暖系統(tǒng)中采用CaCl2·6H2O(29 ℃)或Na2HPO4(35 ℃)[7].我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究相變材料，主要對(duì)無(wú)機(jī)水合鹽類相變材料進(jìn)行研究。1992年，清華大學(xué)阮德水、李元哲等人對(duì)相變材料在太陽(yáng)房中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，所采用的相變材料是以Na2SO4·10H2O為基質(zhì)的低共熔物。通過(guò)選擇適合的容器，于1986-1987年冬在清華大學(xué)對(duì)比試驗(yàn)室對(duì)儲(chǔ)熱裝置性能進(jìn)行了測(cè)試，于1989-1990年冬在北京溫泉鄉(xiāng)被動(dòng)太陽(yáng)房中進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：相變材料在白天可以有效儲(chǔ)存多余太陽(yáng)能，夜間則可以向室內(nèi)供熱，從而減少太陽(yáng)房溫度波動(dòng)，提高室內(nèi)溫度[8]。90年代中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向有機(jī)相變材料和復(fù)合定形相變材料的研究開(kāi)發(fā)。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變材料的種類、成分、熱物性、制備和利用方法等都進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，PCM被廣泛用于不同的研究領(lǐng)域，包括：電子制冷、余熱回收、智能住宅、溫控溫室、紡織、電信、微處理器設(shè)備和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)等[9-11]，在環(huán)境資源保護(hù)方面起了關(guān)鍵性作用。

根據(jù)相變過(guò)程的不同，相變材料分類及其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[7]。

2 相變材料微膠囊化

微膠囊是指一些由天然或人工合成的高分子材料研制成的具有聚合物壁殼的微型容器或包裝物，其外形一般呈球型[12]。微膠囊技術(shù)是一種以成膜材料包覆固體或液體而形成具有核殼微粒的技術(shù)。微膠囊的粒徑大小一般為1～1 000 μm，能用顯微鏡觀察到其形狀。微膠囊的壁膜(囊壁)物質(zhì)稱為壁材，囊壁結(jié)構(gòu)是單層或多層結(jié)構(gòu)。微膠囊內(nèi)部裝載的物料稱為芯材(或稱囊心物質(zhì))，芯材可為固體、溶液、水分散液、油劑或氣體，也可以為其混合物。目前，微膠囊技術(shù)已拓展到相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域。應(yīng)用的領(lǐng)域有：醫(yī)藥、農(nóng)藥、建筑、紡織服裝、涂料、添加劑、溫度控制、化妝品、計(jì)算機(jī)、催化劑、感光材料、飼料工業(yè)、生物制品等。通過(guò)微膠囊技術(shù)推廣利用，解決了許多技術(shù)障礙，提高了許多傳統(tǒng)產(chǎn)品的品質(zhì)，使其性能更加優(yōu)越。

微膠囊相變材料(micro-encapsulated phase change material，MPCM)是應(yīng)用微膠囊技術(shù)在固-液相變材料微粒表面包覆一層性能穩(wěn)定的高分子膜而構(gòu)成的具有核殼結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合相變材料[13]。MPCM在發(fā)生相變過(guò)程中，作為囊心的相變材料在發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變時(shí)釋放大量潛熱，而其外層的高分子膜始終保持為固態(tài)。制備MPCM主要有化學(xué)法、物理化學(xué)法、機(jī)械加工法三大類。目前主要制備方法有：界面聚合法、原位聚合法、相分離法、物理及機(jī)械法、噴霧干燥法[14]。

相變材料微膠囊化后具有以下特性：

1) PCM的穩(wěn)定性得到提高。PCM易出現(xiàn)過(guò)冷和相分離現(xiàn)象且穩(wěn)定性差；而形成微膠囊后，會(huì)隨著膠囊微粒的變小，這些不足得到改善。

2) PCM的傳熱性能增強(qiáng)。MPCM顆粒粒徑小且壁殼薄，因而PCM的熱傳遞和使用效率都得以提升。

3) PCM的加工性能改善。微膠囊相變材料由于在材料穩(wěn)定性以及儲(chǔ)能效率方面的優(yōu)勢(shì)，成為了相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。 而隨著微膠囊技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，理論和實(shí)踐也隨之日漸成熟，MPCM在未來(lái)具有廣闊的發(fā)展前景。

3 微膠囊相變材料漿料

3.1 MPCM漿料及特性

MPCM漿料是微膠囊化PCM顆粒、水和一種(或多種)添加劑的混合物，也是多功能固/液混合物(見(jiàn)圖1)，主要包括在操作范圍內(nèi)為連續(xù)單相材料的液體(如水)、分散的PCM顆粒和有助于顆粒分散的添加劑[15]。這種類型的流體具有以下顯著特征[16]：1) 在相變過(guò)程中具有高熱容量；2) 作為蓄熱或傳熱(輸送)材料；3) 熱傳遞的傳導(dǎo)溫度變化相對(duì)較低；4) 在相變過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更高的傳熱效率；5) 在相同的熱傳遞速率下所需質(zhì)量流量較小且需要泵功率較低。MPCM漿料是一種新型的高性能流體，可以通過(guò)PCM顆粒的潛熱以及液體和PCM顆粒的顯熱來(lái)存儲(chǔ)或傳遞大量熱能，與傳統(tǒng)的建筑能源系統(tǒng)中的傳熱流體相比，它可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱。

圖1 MPCM顆粒和漿料圖解視圖Fig.1 MPCM particle and slurry diagram view

3.2 MPCM漿料的穩(wěn)定性

MPCM漿料的穩(wěn)定性可以從物理、結(jié)構(gòu)和熱三個(gè)方面來(lái)表征。

物理穩(wěn)定性，涉及分層(奶油化或沉降)、絮凝、聚結(jié)、奧斯特瓦爾德熟化或相轉(zhuǎn)化等五大問(wèn)題，這是其開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和混合過(guò)程中需要解決的主要問(wèn)題。國(guó)外學(xué)者指出，MPCM漿料主要的穩(wěn)定性問(wèn)題在于乳狀液的形成或沉降，而其它問(wèn)題(如絮凝、聚結(jié)、奧斯特瓦爾德熟化和相轉(zhuǎn)化)可以通過(guò)PCM顆粒的殼來(lái)防止。影響漿料物理穩(wěn)定性的因素主要有載流體和固體顆粒之間的密度差、載流體的黏度、MPCM顆粒的尺寸和分布、MPCM的質(zhì)量比、漿料的溫度以及包含在漿料中的乳化劑、表面活性劑和其它添加劑。通過(guò)加入表面活性劑、分散劑或黏度調(diào)節(jié)劑等添加劑可以改善漿料的物理穩(wěn)定性；而增加載體流體的黏度，會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加、管線內(nèi)壓降更大和湍流減少，從而減小漿料的對(duì)流熱傳遞；減小載液與固體顆粒之間的密度差既可以提高漿料的物理穩(wěn)定性，也可以保持較低的流體黏度，是提高漿料穩(wěn)定性的較好方法；MPCM顆粒和載液保持在大致相等的密度或MPCM顆粒和載流體之間減小的密度差，也可以減小漿料的黏度，從而減小漿料在流體運(yùn)動(dòng)期間的流動(dòng)阻力[17-19]。

結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性與微膠囊的潛在破裂相關(guān)。這種微膠囊的潛在破裂，由機(jī)械剪切力或熱循環(huán)(包括替代固化和熔合)引起。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該問(wèn)題做了大量研究，得出MPCM漿料中微膠囊的破裂主要受泵的類型和轉(zhuǎn)速、微膠囊的直徑以及PCM核與其殼的體積和質(zhì)量比的影響。采用低速離心泵，選擇較小尺寸的PCM芯和較大厚度的殼體，以及稍小的芯殼質(zhì)量比，可以緩解微膠囊破裂的現(xiàn)象[20]。

3.3 MPCM漿料儲(chǔ)傳熱性能及存在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì) MPCM漿料強(qiáng)化傳熱方面做了大量研究，ALVARADO et al[21]研究表明漿料在相變過(guò)程中傳熱系數(shù)會(huì)增加，其傳熱系數(shù)也會(huì)隨流速增加。然而，引起水的傳熱系數(shù)高于漿料傳熱系數(shù)的原因可能是漿料較高的黏度抑制了流動(dòng)湍流。WANG et al[22]在湍流對(duì)流換熱研究中發(fā)現(xiàn)，在MPCM的質(zhì)量比較高的情況下，其傳熱系數(shù)較低；這與人們普遍理解的MPCM漿料特性相矛盾。HASAN[23]對(duì)流過(guò)CFMCHE微通道的MPCM漿料的流體動(dòng)力學(xué)和熱學(xué)特性進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明：使用MPCM懸浮液作為冷卻液提高了冷卻效率并增加了壓降。從傳熱角度分析，冷卻效率提高優(yōu)于壓力損失的增加。

在眾多研究中存在一些相互矛盾的結(jié)果。主要原因是：一方面可能對(duì)于MPCM漿料中發(fā)生的傳熱過(guò)程的復(fù)雜性了解尚不全面。其傳熱過(guò)程受許多因素影響，包括密度、熱導(dǎo)率、熱容量、潛熱、濃度、黏度、微膠囊尺寸、速度、Reynolds數(shù)、Prandtl數(shù)、Stephan數(shù)、Peclet數(shù)等。操作參數(shù)的不同組合也很可能導(dǎo)致有爭(zhēng)議的傳熱現(xiàn)象。另一個(gè)方面可能是對(duì)MPCM顆粒相變和對(duì)流傳熱耦合效應(yīng)的理解尚不清楚。在今后研究中有待進(jìn)一步深入理解，明確其傳熱過(guò)程。

3.4 MPCM漿料的應(yīng)用

MPCM漿料可用作建筑物中的熱傳遞或熱/冷存儲(chǔ)流體，已經(jīng)在加熱、通風(fēng)和空調(diào)(heating,ventilation and air conditioning，HVAC)系統(tǒng)、家用熱水系統(tǒng)(domestic hot water system，DHWS)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)(SWHS)等中得到應(yīng)用[20]。MPCM漿料在建筑能源系統(tǒng)領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間，但仍需不斷推廣和應(yīng)用，以進(jìn)一步降低建筑能耗，減少碳排放。

4 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及運(yùn)行性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器，吸收太陽(yáng)輻射能把水進(jìn)行加熱的一種裝置，是目前太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)中最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值、技術(shù)最成熟、商業(yè)化的一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)圖如圖2所示。

1-太陽(yáng)能真空管集熱器；2-儲(chǔ)水箱；3-供水入口；4-水箱冷水輸入管；5-集熱器回水管；6-集熱器熱水輸出管；7-水箱熱水輸出管；8-溫度傳感器；9-電加熱器；10-控制器；11-儲(chǔ)能器；12-換熱器；13-淋?。?4-洗臉盆；15-廚房用水池圖2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)圖Fig.2 Solar water heating system diagram

根據(jù)能量守恒定律，建立集熱器得熱量、輔助熱源供熱量、用戶端用熱量以及系統(tǒng)散熱量的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式[24]。我們選取太陽(yáng)能保證率、太陽(yáng)能利用率作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)能量守恒定律，太能能熱水的平衡關(guān)系式：

Qj+Qf=Qs+Qu.

(1)

式中：Qj為集熱器得熱量；Qf為輔助熱源供能量；Qs為太陽(yáng)能系統(tǒng)散熱量；Qu為用戶端的用熱量。

1) 太陽(yáng)能保證率。太陽(yáng)能保證率是指太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器熱量占系統(tǒng)總消耗能量的百分比[25]。

(2)

2) 太陽(yáng)能利用率。太陽(yáng)能利用率是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中用戶端實(shí)際用熱量占集熱系統(tǒng)得熱量的百分比。

(3)

3) 常規(guī)能源有效替代量。

(4)

式中：Qt為太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的常規(guī)能源替代量(kg標(biāo)準(zhǔn)煤)；Qj為全年太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)得熱量；q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，MJ/kg，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取q=29.308 MJ/kg；ηt為以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)的運(yùn)行效率，選取標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2.

表2 以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)的運(yùn)行效率ηtTable 2 Operating efficiency of using traditional energy sources ηt as heat sources

4) 常規(guī)能源有效替代率。常規(guī)能源有效替代率ηT是太陽(yáng)能供熱量對(duì)用戶實(shí)際所需熱量的貢獻(xiàn)情況。

(5)

5) 系統(tǒng)散熱比。系統(tǒng)散熱比是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能量損失情況。

(6)

5 相變材料的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

5.1 相變材料在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PCM在建筑節(jié)能中的應(yīng)用已進(jìn)行了大量的探索，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能發(fā)電廠、空間冷卻、空調(diào)、冷藏和其他(HVAC、水產(chǎn)養(yǎng)殖、車輛和紡織品)等方面廣泛應(yīng)用[9]。然而，對(duì)于PCM在SWHS中應(yīng)用的研究仍在繼續(xù)，許多文獻(xiàn)從PCM的特性、作為存儲(chǔ)介質(zhì)、置放位置、作為傳熱流體以及太陽(yáng)能集熱器與儲(chǔ)能器的結(jié)合等方面進(jìn)行了研究分析：

在PCM熱力學(xué)特性方面，2006年AGHBALOU et al[26]對(duì)Lleida(西班牙)天氣條件下貯存PCM的太陽(yáng)能系統(tǒng)水溫、水質(zhì)量流量和PCM熔化溫度進(jìn)行了優(yōu)化，得出最佳PCM熔化溫度在327～363 K范圍內(nèi)。2009年，QARNIA[27]提出了將正十八烷、石蠟和硬脂酸三種PCM埋在儲(chǔ)能器中的SWHS.通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的比較，確定硬脂酸是最適合該系統(tǒng)使用的相變材料，因?yàn)樵摬牧暇哂薪档蜔釗p失的性能。而在PCM作為存儲(chǔ)介質(zhì)方面，2013年FAZILATI et al[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了PCM作為存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)太陽(yáng)能熱水器性能的影響。結(jié)果表明，采用PCM后，儲(chǔ)能密度提高了39%，效率提高了16%，且與不含PCM的系統(tǒng)相比，指定溫度的熱水供應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)了25%.2014年，MAHFUZ et al[29]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了石蠟殼管式蓄熱SWHS的性能。結(jié)果表明，當(dāng)流體流速在0.033～0.167 kg/m之間時(shí)，相應(yīng)系統(tǒng)的能量效率在63.88%～77.41%之間，效率則介于6.02%～9.58%之間，而隨著傳熱流體流速的增加，總的使用周期成本降低。在PCM漿料作為傳熱流體方面，2014年SERALE et al[30]將PCM漿料太陽(yáng)能集熱器與水基太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了比較。PCM漿料作為傳熱流體，可提高系統(tǒng)效率約20%～40%.在PCM的置放位置方面，2008年KOCA et al[31]對(duì)太陽(yáng)能集熱器與潛熱儲(chǔ)存相結(jié)合進(jìn)行了能量和性能分析，將PCM放置在集熱器下方儲(chǔ)能器中，結(jié)果表明：其平均凈能量效率為45%，效率為2.2%.同年，TALMATSKY et al[32]將封裝的PCM放置在儲(chǔ)能器的頂層中，與常規(guī)太陽(yáng)能熱水器相比，其太陽(yáng)能熱水器的效率改進(jìn)有限。HASSAN et al[33]研究了美國(guó)住宅建筑用平板太陽(yáng)能集熱器和相變儲(chǔ)能器的組合系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)和使用水的溫度變化，以及太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度，通過(guò)控制傳熱流體循環(huán)泵和流體路徑，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行和模擬。對(duì)美國(guó)布萊克斯堡選定建筑系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)全年可滿足88%的空間供暖和熱水需求，節(jié)約61.5%的年供暖費(fèi)用。在結(jié)構(gòu)表征方面，文獻(xiàn)[9]分析了PCM與SWHS組分的結(jié)合。在研究方法上，主要介紹了采用PCM的SWHS系統(tǒng)的熱性能和結(jié)構(gòu)性能、性能模擬和預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、長(zhǎng)期和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及能源和成本評(píng)估。為了改善相變材料在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用特性，開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，研究者希望將系統(tǒng)部件與相變材料集成在一起，進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，優(yōu)化新型系統(tǒng)的運(yùn)行和結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出設(shè)計(jì)、制造、使用和銷售新型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)。

根據(jù)相變材料的特性和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知：1) 當(dāng)MPC用作存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的散熱量減少，輔助熱源供能量減少，太陽(yáng)能利用率增大，系統(tǒng)散熱比減?。?) 當(dāng)MPCM放置于集熱器下方時(shí)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱器的熱量增大，太陽(yáng)能利用率增大；3) 當(dāng)MPCM漿料用作傳熱介質(zhì)時(shí)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱器的熱量增大，整個(gè)系統(tǒng)的散熱量減少，輔助熱源供能量減少，太陽(yáng)能利用率增大，系統(tǒng)散熱比減小?？梢?jiàn)推廣MPCM在我國(guó)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，既可以緩解我國(guó)能源緊缺的問(wèn)題，給我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一定指導(dǎo)作用，還可以減少碳排放，給人們?nèi)粘Ｉ钐峁┍憷?，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

圖3與圖4所示為2016-2017年我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的銷量和銷售額情況。太陽(yáng)能熱水器的銷售額在2010年突破500億元，預(yù)計(jì)可在2020年達(dá)到3 000億元。顯然可知太陽(yáng)能熱水器在我國(guó)的巨大市場(chǎng)。面對(duì)太陽(yáng)能利用的大好前景，我國(guó)需推廣PCM在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的中的使用，提高其效率，滿足我國(guó)的市場(chǎng)需要。

圖3 太陽(yáng)能熱水器的月銷量Fig.3 Sales of solar water heaters

圖4 太陽(yáng)能熱水器的銷售額Fig.4 Sales amount of solar water heaters

5.2 相變材料儲(chǔ)能太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)存在問(wèn)題

隨著相變材料在太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究。在研究和應(yīng)用過(guò)程中存在相關(guān)問(wèn)題[34-36]：1) 對(duì)于相變材料的傳熱過(guò)程需要進(jìn)一步研究和明確，進(jìn)一步充分利用其特性。2) 對(duì)于相變材料體積比及相變溫度和相變材料置放位置的選擇，應(yīng)在相變材料特性效果、成本控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)一步進(jìn)行綜合研究。3) 對(duì)于相變材料及熱水系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)的控制以及PCM的參數(shù)對(duì)熱水系統(tǒng)節(jié)能的局限性。4) 相變材料儲(chǔ)能熱水系統(tǒng)的成本控制以及推廣應(yīng)用。

在進(jìn)一步的研究工作中，我們應(yīng)制定相變材料應(yīng)用規(guī)范，進(jìn)一步掌握相變材料特性以及在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用原理，提高效率控制成本。我國(guó)應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的政策，推廣相變材料儲(chǔ)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，提高太陽(yáng)能的利用率。

6 結(jié)論

1) 相變材料(PCM)作為一種潛熱存儲(chǔ)、新型的、最具吸引力的功能性材料，在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在太陽(yáng)能光熱直接利用方面充當(dāng)著至關(guān)重要的角色，提高了太陽(yáng)能利用率，在資源環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。

2) 微膠囊化相變材料(MPCM)涉及眾多領(lǐng)域，解決了相變材料在推廣過(guò)程中遇到的一些技術(shù)問(wèn)題。隨著微膠囊技術(shù)的不斷完善， MPCM在未來(lái)具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景。

3) MPCM漿料的穩(wěn)定性對(duì)其能夠用作熱傳遞流體或儲(chǔ)熱材料至關(guān)重要。MPCM漿料在HAVC系統(tǒng)、DHWH、SWHS已得到應(yīng)用，在建筑能源系統(tǒng)領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間，仍需不斷創(chuàng)新研究和推廣，從而降低建筑能耗，減少碳排放。

4) 通過(guò)探究分析PCM在SWHS的應(yīng)用和發(fā)展，改善相變材料在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用特性，開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，提高太陽(yáng)能的利用率，為我國(guó)太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)，促進(jìn)可再生能源技術(shù)的發(fā)展，減少世界常規(guī)化石燃料消耗和碳排放，為全球節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。