一种胶囊法封装相变材料的储热罐传热特性研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

建筑能耗是能源消费的重要组成部分，《中国建筑节能年度发展研究报告2018》^[1]中指出，2016 年我国建筑能耗约占总能耗的21.8％，建筑运行碳排放约占我国碳排放总量的20％。特别是北方采暖城市，虽然居住面积仅为全国城市的 10%，但是建筑能耗占40%^[2]。目前不可再生能源可开采量的紧缺促进了可持续能源技术的发展。相变储能技术作为一种可持续能源的辅助技术，近年来在建筑围护结构、供给热水以及暖通设计中获得了越来越多的关注。基于相变材料（PCM）的储能技术相比于显热储能具有储能密度高(约为水的储能密度的 6～10倍)、储放能温度恒定、过程易控制等优点，适用于解决能量供给与需求的失衡问题，实现削峰填谷^[3]。以下叙述相变材料的分类以及应用，并引出本课题所要研究的相关内容。

1. 相变材料概况

物质随外界环境变化将有不同状态，相变即为物质从一种状态转变到另一种状态的过程^[4]。物体温度随外界温度变化而变化的过程中若物质状态不发生改变，则温度改变带来的物体能量变化属于显热。而相变热或相变潜热则是在相变过程中吸收或放出的能量^[5]。正是由于这一过程使得某些物质或多种物质的组合在特定应用场景下显示出例如储能密度较高，相变时温度稳定等等特性，使得相变材料（Phase change materials,PCMs）具有重要的应用价值。

自然界中存在多种相变材料。目前自然界中有6000多种相变材料已经被人类发现，目前人类利用和掌握500多种天然与合成相变材料^[6]。PCMs有多种分类方式，以下阐述按照相变温度、材料化学成分与相变方式分类的相变材料种类。

按照相变温度可分为低温（-50-20℃）如水凝胶，水等材料；中温（20-100℃）如一些有机物、无机盐溶液、高分子材料等；高温相变材料（100-1000℃）如一些无机盐^[7,8]。

按照化学成分可分为无机类，有机类，复合类^[9]。无机类主要为水合物盐类，其相变材料体积储热密度大，并且成本低，但需要考虑过冷和相分离导致的传热性质不均匀等缺陷^[10]，然而加入胶凝剂或增稠剂可以减少或防止过冷和偏析^[11]。有机类主要包括如石蜡类、酸酯类、多元醇等，有机相变材料过冷度较小、无腐蚀性、化学性能稳定等优点，但有机相变材料也存在相变焓较低、热导率低、熔点低、易燃易挥发等缺点。此外，在一些综述文章中，对PCM的两大类，即盐水合物和石蜡类的热物理和化学性质进行了比较^[12,13]。与石蜡相比，盐水合物具有更高的热导率和相变潜热，这是相变储能系统实现高充放能功率和高存储容量所需要的热物理性能。复合类主要为性质相近的二元或多元的混合体系或共熔体系，主要是有机或无机相变材料的混合物，混合后的相变材料可以克服单一相变材料的缺点，并且具备储能密度大、传热迅速、稳定并且材料廉价易得等优点^[14-16]。

根据相变方式可分为固固、固液、液气、固气四类PCM，其中液气与固气PCM因相变体积变化率大难以封装，很少被应用到实际当中^[17,18]。根据一些文献研究与总结^[18]，对于PCM的选择推荐以下几个方面作为选择要求：

（1）热力学角度：有适宜相变温度，可满足相应需求；较高的相变潜热与比热容，热导率高；分离现象不明显，且反复多次使用后性能衰减小；相变时体积变化小。

（2）动力学角度：过冷度小，成核速率和晶体生长速率较高。

（3）化学角度：化学稳定性好，无毒无腐蚀性，非易燃易爆。

（4）经济方面：成本低来源广，制备获取方便。