摘要：根据相变材料发生相变时可以吸收或者释放大量热量，同时保持自身的温度恒定的性能，设计出箱式储能器用于调节汽车内部气温，达到节能的目的。人体的适宜温度为22～26℃，因此采用相变温度为25℃的相变材料作为相变储能材料，并通过铝瓶封装进行熔化过程和凝固过程的实验研究。结果表明，在出口空气流速2.5 m/s的条件下，当进口温度为35℃时，石蜡在熔化过程中可以吸收环境空气的热量，降低环境温度3℃以上，并且维持3 h。在进口温度为10℃，石蜡在凝固过程可以释出热量，提高环境温度3℃以上，维持3.5 h以上。同时还研究了石墨复合相变材料在箱式储能器里熔化和凝固过程的温度变化规律，在空气流速不变的条件下，石墨复合相变材料熔化和凝固过程的速度与相变材料和环境空气的温差有关，温差越大其相变速度越快，相变完成的时间就越短。
关键词：相变材料；汽车节能；环境；传热；复合材料
引 言
近年来，科学家们发现全球气候变暖已经威胁着人类的生存和发展[1]。许多研究表明，造成全球气候变暖的主要原因是人类在生产和生活中消耗化石能源所排放出来的CO2引起的[2]。有关研究表明，在未来30年，按目前的能源消耗水平，世界的能源消耗量和CO2的排放量将会是现在的150%，其中发展中国家达到300%[3]。在我国，能源消耗所产生的CO2排放量2016年为1464亿吨，超过美国的1462亿吨。根据相关研究，到2030年我国CO2的排放量将超过2500亿吨[4]。在我国的能源消耗总量中，交通运输占25%，仅次于建筑领域的40%[5-6]。因此，为了人类社会的可持续发展，世界各国政府都采取了相应的政策措施，以提高能源利用率，降低能源消耗水平，减少CO2排放量，保护人类赖以生存的地球生态环境。美国环境保护署提出到2030年，美国全国的CO2排放量比2005年的排放量减少30%[7]。英国政府提出到2016年，让所有新建房屋都实现零碳排放[8]。中国发改委提出到2030年，中国的CO2排放将达到峰值，同时2030年中国非化石能源占一次能源消费比重提高到20%[9]。为了实现以上节能目标，世界各国的科学家们围绕可持续能源这个命题，开展了大量的研究探索工作，并且已经取得了许多研究成果。在这些节能技术成果中，相变材料（PCM）储能技术是一种十分有效的节能技术[10-11]。相变储能技术不仅可以降低能源的消耗量，而且可以减少室内气温的波动，提高人的舒服程度和身心健康[12]。世界上相变材料最早应用在建筑领域是在20世纪60年代[13]，我国20世纪80年代开始应用于建筑节能[14]。多年来相变材料应用于建筑领域主要是在墙体、门窗、天花板，近年来也开始应用于空调和采暖[15-19]，也有PCM应用于交通运输的研究成果，主要是在汽车尾气的能源回收及利用、发动机余热储存并应用于再启动、汽车冷链运输过程的冷藏恒温等[20-21]。国内外也有PCM应用于汽车空调的研究报道，Schatz[22]利用PCM储热器，将发动机冷却水的余热收集起来，用于车辆室内的预热和保温。 Korin等[23]在车辆尾气催化器中装入PCM，用来储存车辆运行时排除尾气的热量，这些热量用于供给车辆再发动时催化剂的预热，提高催化剂的催化效果。杨启容等[24]研究了PCM热能存储器，用于储存发动机冷却系统的余热，用作低温条件下车辆的冷启动。高青等[25]选用Ba(OH)2∙8H2O为PCM材料制备储热器，其尺寸为370mm×180mm×8mm，采用1 mm厚的紫铜进行封装，储热器外壳为不锈钢材料，应用于1.6 L排气量发动机的车辆，进行三维模拟分析。研究结果表明，车辆用PCM储热器的相变吸热过程是一个复杂多变的动态传热过程，受着许多因素的影响，但最主要的影响因素为储热量与时间。以上PCM在汽车里的节能研究都是主动式的储能过程，需要消耗发动机部分的热量来实现，而且还要增加发动机配套系统，这在汽车尤其是小轿车的有限空间里是很难实现的。因此，本文根据小型汽车的空间，设计了小型的被动式PCM箱体储能器，结合我国南方的气候条件选择低温的石蜡相变材料作为载体，当气温高于石蜡的相变温度时，石蜡发生熔化并吸收车箱的热量，当气温低于石蜡相变温度时，石蜡发生凝固并释出热量，调节车内温度[26]。
在相变储能技术中，相变材料的热性能和封装形式是重要的因素，相变材料的相变温度、相变潜热和传热系数等热性能是选择相变材料的重要指标。在众多的相变材料中，石蜡是一种理想的低温相变材料，它具有相变潜热大、相变时温度恒定、腐蚀性较小、材料来源容易等优点，所以石蜡已经大量应用于建筑节能，也广泛用于食品运输和药品的冷藏等[27-29]。但是由于石蜡的传热性较差，在凝固的时候，容易在封装盒的壁形成固体膜，影响传热的效果。为了提高相变材料的传热效果，国内外的研究人员采用添加金属化合物、石墨等制备复合相变材料[30-31]。本文研究了小型铝瓶封装国产石蜡和石墨复合石蜡在箱体里的熔化和凝固过程，为国产石蜡在制备汽车室内箱体空调提供了资料。
1 实验材料与方法
本实验是根据相变材料发生相变时可以吸收或者释放大量热量，同时保持自身的温度恒定的性能，设计出被动式箱式储能器，用于调节汽车内部的气温，达到节能的目的。又根据人体的适宜温度为22～26℃，湿度为30%～70%[32]，因此本实验采用国内生产的石蜡相变材料以及石墨复合相变材料作为储能材料，其碳原子数量为16～18，石蜡相 变潜热为140 J/g，石墨复合相变材料相变潜热为180 J/g。
本实验研究的被动式箱式储能器是模拟汽车室内的控温空调器，采用圆柱形铝瓶作为封装容器，因为圆柱形状体积内容积最大，封装相变材料多，总的潜热最大，其形状如图1所示。
本实验使用石蜡量为6 kg，分别封装在30个铝瓶里，每个瓶封装石蜡200 g。使用石墨复合PCM量为4.2 kg，分别封装在30个铝瓶里，每个瓶封装石墨复合相变材料140 g。铝瓶分6排封装在隔热储能器里，如图2和图3所示。
图1 封装瓶
Fig.1 Packaging bottle
图2 封装瓶布置图（左为正面断面图，右为侧面断面图）
Fig.2 Layout of packaging bottles (vertical cross sections)
图3 储能器
Fig.3 Energy storage box
在实验过程中室内的热空气或者冷空气通过风机从箱体一侧的进风口吹进储能器，在储能器内与石蜡接触进行热量传递。当室内的气温高于石蜡的相变温度（25℃）时，石蜡发生熔化并吸收箱内空气的热量，空气的温度降低，降温后的空气从储能器另一侧的出风口排出，调节室内气温。当室内的气温低于石蜡的相变温度（25℃）时，石蜡发生凝固并释放出热量，此时箱内空气的温度升高，经升温的空气从出风口排出，用于取暖。通过控制储能器进口空气的流速可以控制箱里空气的温度，可以根据储能器出口空气的流量和温度，确定室内的气温。为了研究石蜡相变材料的控温效果，本实验是在恒温的环境下进行的。
2 实验仪器与操作
本实验是在恒温房里进行，恒温房内部空间为3500mm×2300mm×2300mm，用100mm的保温岩棉进行保温，储能器的规格为360 mm×250 mm×345mm，采用型号LANHE JK1016U温度巡检仪测量温度，并利用计算机记录实验中储能器进出口温度变化的数据，如图4所示。
图4 空气流向图
Fig.4 Air flow inside energy storage box
实验的主要条件为：恒温房温度在熔化过程设置为35℃，凝固过程设置为10℃，储能器进口温度为恒温房的温度，储能器出口温度为测试值，空气流速2.5m/s。
实验研究包括石蜡的熔化过程和凝固过程，熔化实验时先把恒温房的温度加热到35℃，然后开启储能器的进口阀门，空气进入储能器里与封装了石蜡的铝瓶接触，恒温房的温度保持不变。凝固实验时把恒温房的温度控制在10℃，然后重复上述操作。通过温度测量仪监控储能器里不同层相变材料温度以及储能器进出口空气的流速和温度的变化情况，了解储能器里石蜡的温度变化规律，探明石蜡相变材料潜热的吸收或者释放与时间的关系，找出最佳的工艺条件。
石墨复合相变材料实验装置与普通石蜡实 验装置相同，凝固实验时恒温房的温度分别为13、16、19℃, 熔化实验时恒温房的温度分别为34、37、40℃，进出口空气的流速为2.5 m/s, 找出不同环 境气温条件下，相变材料吸热和放热与时间的变化情况。
3 实验结果与讨论
3.1 实验结果
在保持恒温房温度分别在35℃和10℃下以及储能器出口风速2.5m/s的条件下，经过昼夜的实验，石蜡相变材料熔化过程和凝固过程的实验结果如图5和图6所示，石墨复合相变材料的熔化和凝固过程的实验结果如图7～图12所示。
图5 石蜡熔化过程
Fig.5 Melting process of paraffin
图6 石蜡凝固过程
Fig.6 Solidification process of paraffin
图7 石墨复合材料34℃熔化过程
Fig.7 Melting process of graphite composite at 34℃
图8 石墨复合材料37℃熔化过程
Fig.8 Melting process of graphite composite at 37℃
3.2 讨论
从图5和图6的温度与时间变化曲线可以看出，石蜡相变材料在发生相变过程中，由于潜热的释出或者吸收，可以影响环境空气的温度。在环境空气的温度恒定在35℃时，出口空气的流速为2.5 m/s时，储能器里的石蜡相变材料发生熔化并且吸收空气的热量，使空气的温度降低，随着时间的延长，温度变化的速度逐步减小，这主要由于相变界面向封装瓶中间移动，增加液体厚度，降低了传热系数的原因，在4 h以后进口温度曲线与出口温度曲线重复，并且保持35℃，也就是与恒温房空气的温度一致，进口与出口温度达到相等，这时储能器里的石蜡已经熔化完全，也就是说储能器里的潜热已经被完全吸收。在环境温度为10℃，出口空气流速为2.5 m/s时，储能器里面的石蜡相变材料发生凝固，同时向空气释放出潜热，使空气的温度升高，随着时间的延长，温度升高的速度逐步减小，在6 h以后进口温度曲线与出口温度曲线重复，并且保持在10℃，这与恒温房空气的温度一致，这时储能器里的石蜡凝固完全，也就是说储能器里的潜热已经释放完毕。对比石蜡的熔化和凝固过程，凝固过程需要的时间比熔化过程要长，主要原因是在石蜡相变材料固化过程中，在封装瓶的壁面上形成一层固体膜，降低了传热系数。因此，相变材料凝固过程往往要比熔化过程要长，在设计相变储能控温系统是要考虑的因素之一。
图9 石墨复合材料40℃熔化过程
Fig.9 Melting process of graphite composite at 40℃
图10 石墨复合材料13℃凝固过程
Fig.10 Solidification process of graphite composite at 13℃
图11 石墨复合材料16℃凝固过程
Fig.11 Solidification process of graphite composite at 16℃
图12 石墨复合材料19℃凝固过程
Fig.12 Solidification process of graphite composite at 19℃
从图7～图9的温度与时间变化曲线可以看出，环境温度分别为34、37、40℃时，石墨复合相变材料相变完全的时间分别为355、295、235 min。从图10～图12的曲线同样可以看出，环境温度分别为13、16、19℃时，石墨复合相变材料相变完全时的时间分别为205、265、325 min。也就是说，环境与相变材料的温差越大，达到完全相变的时间就越短，这是因为温差越大传热系数越大的原因。
4 结 论
本文选用石蜡作为储能相变材料，铝瓶进行封装，组合成被动式相变储能器，在恒温房里进行储热和放热的实验研究，可以得出如下的结论。
（1）石蜡相变材料应用于被动式的空调控温系统具有明显的控温效果，在室内气温35℃的条件下，可以调节温度2～3℃。但是由于石蜡在凝固过程中容易在瓶壁表面形成一层薄膜，降低传热效果，在实际的应用中，还要采取措施，提高传热系数。
（2）采用铝瓶封装石蜡相变材料，再组装成储能器进行气温调节，具有密封性好、安装方便、操作安全等优点，适宜用于小空间范围，例如在汽车里进行控温。
（3）在恒温35℃和储能器出口空气流速为 2.5 m/s的条件下，本储能器里石蜡相变材料完全熔化的时间为4 h，可以降低环境空气的温度3～4℃。
（4）在恒温10℃和储能器出口空气流速为 2.5 m/s的条件下，本系统里石蜡相变材料完全凝固的时间为6 h，可以升高环境空气的温度2～3℃。
（5）在储能器里，在空气的流速不变的条件下，石墨复合石蜡相变材料熔化和凝固过程的速度与相变材料与环境空气的温差有关，温差越大其相变的速度越快，相变完成的时间就越短。
