1.引言

1.1能源相变蓄能行业存在现状

能源相变技术蓄能一般使用水储热和冰储冷。采用水蓄热，如5万㎡的医院中央空调系统，如果实现水蓄热、蓄冷满足24小时制冷供暖，需要1.2-1.8万m³水池容量；如果采用冰蓄冷，建筑冰槽和设备用地达4000m³，而且需更换供暖制冷设备，具有投资大、占地面积大、控制系统复杂等特点。目前单位能够真正使用24小时储能技术，享受商业电价优惠非常少。为了充分利用国内峰谷电价政策：商业电价，白天电价0.89元/kwh；有储能设备，夜间电价0.28元/kwh。基于行业现壮及国家电价政策，我们研发了相变蓄能箱和相变蓄能装置，使其能在晚上谷电价时段将能量储存供峰电价时段制冷使用，节省电费同时可有效减轻白天城市用电负荷。在暖通行业使用，通过中试可知，如夜间利用谷电价开启中央空调机组，把白天时段需要制冷冷量和供暖热量蓄存在能量模块中，白天不用开机组，释放夜间蓄能，全年中央空调电价按照0.28元/kwh结算，节省电费70%。

1.2能源相变蓄能装置系统开发特点

能源相变蓄能能装置系统开发应用，具有储能小型化、产业化、储能模块化等优势特点。

（1）相变蓄能材料用相变蜡替代水，相变蜡储能焓值283KJ/Kg,水储能焓值4KJ/Kg，因此相变蜡体积只有水蓄冷蓄热体积1/50，可以实现蓄能体积小型化，从而把储能事业可以迅速扩大到商业领域，推动我国的碳减排和碳中和事业发展。

（2）相变蓄能箱内换热器有配套厂家，相变蜡自行生产，可以实现轻资产产业化。

（3）相变蓄能材料相变蜡是高分子材料，使用寿命达25年，耐久性长，可以更换重新调整。

（4）相变蓄能箱采用常规标准换热器与相变蜡于一体，可以实现标准化和模块化。

（5）相变蓄能装置采用中央空调不需要更换主机，直接耦合并联，使其系统简单化。

（6）采用人工智能化设计，实现全自动储能、释能工作。

2.能源相变蓄能装置系统组成及工作原理

能源相变蓄能装置系统构成及工作原理如下图所示。

系统工作原理图

2.1系统组成

该系统主要由相变蓄能箱、相变蓄能装置、旁通供给组成，其中相变蓄能装置由由空调机组2、管道、电动阀门、温控传感器、水泵、相变蓄能箱1、分水器3、末端盘管4、集水器5构成。

2.2工作原理

相变蓄能箱和相变蓄能装置系统，主要存在能量蓄存循环、能量供给循环、旁通能量供给循环等三个单元。相变蓄能装置主要起实现相变蓄能箱蓄能、旁路供能，以及自身的供能作用。能量蓄存循环单元由空调机组、管道L1、相变蓄能箱、管道L2串联组成，管道L1安装有电动阀门D1，管道L2上依次安装有电动阀门D1、智能温控传感器D2、蓄冷蓄热循环水泵D3，其中智能温控传感器D2用于控制电动阀门D1的开关。能量供给循环单元由相变蓄能箱、管道L1、分水器、末端盘管、集水器、管道L2串联组成，分水器与集水器通过末端盘管连通，管道L1上依次安装有电动阀门C1、原空调系统循环泵A2、智能温控传感器A1，管道L2上安装有电动阀门C1，智能温控传感器A1用于控制电动阀门C1的开关。旁通能量供给循环单元由管道 L3与管道L1的连接位置在电动阀门C1与原空调系统循环泵A2之间，以及管道 L2的连接位置在电动阀门C1与分水器之间形成，管道L3上安装有电动阀门B1并受智能温控传感器 A1的控制。相变蓄能装置蓄能，设定蓄能温度值，启动电动阀、冷热循环水泵，当液体流经空调机组→管道L1→相变蓄能箱1→管道L2→空调机组进行循环，液体温度达到预设蓄能温度值时，实现蓄能箱蓄能功能。相变蓄能装置供能，设定供冷低温度值，开启电动阀门、原空调系统循环泵，相变蓄能箱利用旁通循环供能；设定供冷高温度值，控制各电动阀开启与关闭，实现相变蓄能箱供能功能。

3.能源相变蓄能装置开发的关键技术

相变蓄能箱和相变蓄能装置研发，以及实现相变蓄能装置蓄能、供能关键技术如下：

3.1相变蓄能箱

相变蓄能箱由外壳体、内部换热器、供水端 、回水端、进料口、出料口构成。外壳体由保温材料制成，内部换热器内填满相变蓄热材料，内部换热器置于外壳体内部，通过端口处固定连接，进料口、出料口穿过外壳体为内部换热器更换相变蓄热材料，供水端、回水端分别为内部换热器的左端口、右端口。相变蓄能箱在供水端旁设置有备用进液口，以防止供水端出现故障，影响使用。

3.2相变蓄能装置

相变蓄能装置由空调机组、管道、电动阀门、温控传感器、水泵、相变蓄能箱、分水器、末端盘管、集水器构成，空调机组、管道L1、相变蓄能箱、管道L2串联构成能量蓄存循环单元，在管道L1安装有电动阀门、管道L2上依次安装有电动阀门D1、智能温控传感器D2、蓄冷蓄热循环水泵D3，智能温控传感器D2用于控制电动阀门D1的开关；管道L1的另一端与分水器相连通，管道L2的另一端与集水器相连通，由相变蓄能箱、管道L1、分水器、末端盘管、集水器、管道L2串联构成能量供给循环单元，分水器与集水器通过末端盘管连通，管道L1上依次安装有电动阀门C1、原空调系统循环泵 A2、智能温控传感器A1，管道L2上安装有电动阀门C1，智能温控传感器A1用于控制电动阀门C1的开关；管道L1、L2之间通过管道L3相连通，管道 L3与管道L1的连接位置在电动阀门C1与原空调系统循环泵A2之间，与管道 L2的连接位置在电动阀门C1与分水器之间，形成一个旁通能量供给循环单元，即管道L3→管道L1→分水器→末端盘管→集水器→管道L2→管道L3循环，管道L3上安装有电动阀门B1，电动阀门B1的开关也受智能温控传感器 A1的控制。

3.3相变蓄能装置蓄能机制

相变蓄能装置蓄能时，首先设置蓄能温度值F1,关闭电动阀门C1、开启电动阀门D1、蓄冷蓄热循环水泵D3，液体从空调机组通过管道L1进入相变蓄能箱1内与内部换热器内填满相变蓄热材料进行热量交换，相变蓄能箱开始蓄能(空调机组→管道L1→相变蓄能箱1→管道L2→空调机组循环),当智能温控传感器D1探测到从相变蓄能箱流入到管道L2内的液体温度达到蓄能温度值F1后，控制电动阀门D1关闭、蓄冷蓄热循环水泵D3关闭，蓄能箱蓄能完成。

3.4相变蓄能装置供能机制

相变蓄能装置供能时，首先设置供冷低温度值F2、供冷高温度值F3，当智能温控传感器A1探测管内液体温度低于供冷低温度值F2后，控制开启电动阀门B1、原空调系统循环泵A2，相变蓄能箱利用旁通循环供能(即管道L3 →管道L1→分水器→末端盘管→集水器→管道L2→管道L3循环)；当智能温控传感器A1探测管道L1内液体温度高于供冷高温度值F3时，控制电动阀门 B1关闭、电动阀门C1阀门开启，相变蓄能箱开始供能(即相变蓄能箱→管道 L1→分水器3→末端盘管→集水器5→管道L2→相变蓄能箱)，直到将相变蓄能箱蓄存的能量完全提取。

4.相变蓄热材料及选型

4.1相变蓄热材料定义及其特点

相变蓄热材料是相变蓄能箱中非常重要材料，该料存放于相变蓄能箱的内部换热器内，通过相变蓄能装置起到蓄能、供能作用。我们知道热能可通过材料的显热或者潜热（相变热）方式进行储存。显热储能材料优点是能量的储存和释放过程是完全可逆的，系统设计简单，其缺点是单位体积所能储存的能量较少，装置体积过大。相变储能是利用相变材料（ PCM）物态的转变进行能量的储存和释放，其优点储能密度大，温度近似恒定。相变材料是利用物质相态变化过程中吸收或放出的潜热从而产生蓄冷或蓄热功能的材料。根据储能的温度范围，相变储能蜡分为高温、中温、低温等类型，其中，低温相变储能蜡是将相变材料与石膏等建筑材料进行复合，制成的储能建筑材料，白天可以充分吸收太阳的辐射能，晚上可以利用便宜电价进行蓄热储能，从而减小室内温度波动，提高人体舒适度，同时还降低了建筑物供暖和空调制冷负荷，以及电力供给负荷的峰谷差。相变焓也称相变热，可以用量热法测定，主要有差示扫描量热法(DSC)。

4.2相变蓄热材料选型

水的储能，常温常压状态蓄能密度为4KJ/KG。相变蜡焓值在200KJ/kg左右。相变蜡常温常压下储能密度是水50倍，储能体积是水的1/50。如相变电锅炉用相变蜡，其相变蜡熔点可以选用70-140℃之间的相变蜡。如用相变蜡代替锅炉中的水，可以减小锅炉体积2-9倍。水的可用温度差越大，锅炉体积减小越小，水的可用温度差越小，锅炉体积减小的倍数越大。石蜡作为相变材料具有很多优点，但是使用普通石蜡作为储能材料仍有缺点，如沸程较宽、相变温差大、相变热较低等。因此，相变石蜡生产原料要求具有特定的相变温度，相变热较大等特点。我国原油多数是石蜡基原油，一般含有较多的正构烷烃，因而对生产相变蜡十分有利。石蜡相变材料主要生产方法有：合成法、蒸馏法、调和法等。相变蜡的选型，如太阳能相变蜡可以选用70-140℃的相变蜡，地暖相变蜡选用30-50℃的相变蜡，建筑外墙可以选用40-50℃的相变蜡，建筑物内墙可以选用15-25℃的相变蜡等。

5.能源相变蓄能装置开发解决问题及产生效能

能源相变蓄能装置系统，主要解决其能在晚上用电较少时将能量储存起来，供白天制冷使用，可有效减轻白天用电负荷。在夜间19时-7时，利用原制冷、供暖机组或备用机组给相变储能装置输送冷暖和热泵储蓄，此时电价根据政策为0.28元/kwh 。7时以后电价恢复正常的电价标准，关闭原制冷、供暖机组，打开相变蓄能装置与原中央空调管网串联，把夜间储蓄的冷能和热能释放，达到全天制冷供暖。由于不开空调主机，不消耗白天的电能，白天商业电价0.89/kwh，利用峰谷、低谷电价政策，低谷电价时段，将第二天需要的制冷的冷量和供暖的热量开启中央空调主机，将这些冷量或热量储能在高能相变能量箱中，峰谷电价时段关闭中央空调主机，将高能相变能量箱中的冷量或热量释放制冷或者供暖，全年的中央空调电价都以低谷电价结算，节省50%-70%的电费。由于相变能量箱中相变材料相变焓值达到283kj/kg，远远超过了水蓄冷水蓄热水的相变焓值4kj/kg，相变设备体积只有水蓄冷水蓄热水的体积1/50，因此改技术会大大有利于社会节能减排，有利于社会大面积推广。

6.相变蓄能装置开发取得成果价值

对相变蓄能装置不断地研究和整改，2018年6月同时提交申请发明专利和实用新型专利，2019年3月获得实用新型发明专利（专利号：ZL 2018 2 1012037.6）。2019年8月通过国际PCT专利保护审查（国际申请号：PCT/CN2019/091661）。2020年12月提交美国、欧洲专利局、日本申请国家PCT专利保护材料。2022年6月获得美国发明专利（专利号：US 11.359.825 B2）。该技术已被列入广西住房城乡建设厅2019年广西科学技术计划项目立项（桂建科（2019）9号）的重点科技攻关项目，以及相变蓄能技术产业化项目在首届中国专利产业化运营大会的未来建筑技术产业化分论坛项目路演中，因核心技术突出，符合未来产业前景，被授予“一等奖”，备受鼓舞。

授权实用新型专利证书

未来建筑技术产业化分论坛项目路演一等奖荣誉证书

7.相变蓄能装置开发市场优势及产业规划

7.1 市场优势

（1）高效相变蓄能，完全可以实现白天大功率中央空调用电负荷转移到夜间蓄能，减少国家投入城市用电增容的费用。

（2）响应国家政策。实现白天用电负荷转移到夜间蓄能，增大夜间用电负荷，降低国家电网供电压力。

（3）效益高。使用单位减少50%的中央空调耗电成本，系统投资回收期3-5年不等，在全国范围迅速推广。

（4）模块化，易推广。由于占地面积小，不需更换原有设备，可实现远程智能化控制，达到精细化节能。

7.2产业规划

（1）近期目标：开辟国内市场，实现相变蓄能产业化生产，大于2000平方米商业体、宾馆、办公、医院等客户群体，使用中央空调系统耦合，可以全面推广使用。

（2）中期目标：进军全球市场，继续研发相变焓值大于1500KJ/KG相变，完成太阳能相变蓄热蓄冷供暖制冷专利技术，实现零能耗的城市集中供暖制冷、不耗电化石能源纯清洁城市供暖系统，以及夏季蓄太阳能热至冬天供暖使用，冬天蓄大自然冷量至夏天制冷使用等。