1.3 相变储热
储热即热能储存是能源科学技术中的重要分支。在能量转换和利用的过程中，常常存在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，由于储能技术可解决这一问题，因而是提高能源利用率的有效手段。
能量虽然可以以机械能、化学能、电磁能、光能、热能及核能等多种形式存在，但在人类活动中，绝大多数能量需要经过热能的形式被转化和利用，尤其是在我国，这个比例达到90%以上。但是，大多数热源都存在间断性和不稳定性的问题，在很多情况下，人们都无法合理地利用热源，存在不需要热能时有大量热量产生、需要热能时热能供应却不足的问题。于是人们开始研究怎样储存热能，并试图找到适当的储热方式，利用特定的装置和特定的储能材料把过剩或者多余的余热存储起来，以便需要时再利用，从而解决由于时间和空间限制以及供热和用热的不匹配、不均匀所导致的能源利用率低等问题，这种技术我们称之为储热技术。正因如此，储热技术最为简单和普遍，它的应用也远远早于工业革命尤其是电力革命后才出现的其他储能技术，如我国北方地区的烧炕取暖即是利用储热技术解决热能供求在时间上的不匹配。随着人类的发展和对能源利用技术的不断改进，储热技术也不断发展，而且在人们的生产和生活中，在能源的集中供应端和用户端，都发挥着日益重要的作用。储热技术的分类应用如图1.16所示，储热技术并不单指储存和利用高于环境温度的热能，而且包括储存和利用低于环境温度的热能，即日常所说的储冷。
图1.16 储热技术的分类应用
对于储热技术，其在日常生活中的应用其实可以追溯到远古时期。早在远古时期，人们就开始把储热技术应用于日常的生产和生活中。随着人类社会的进步和科学技术的发展，人们对储热技术的认识不断加深，对储热技术的研究也不断深入，人们对热能存储技术的应用不再局限于生活和简单的生产中，而是逐渐把热能存储技术应用于能源的节约、环境的保护、企业能耗的降低等一些更为广泛的应用领域。并且，事实证明，储热技术虽然有待于进一步发展，但储热技术在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调节能等领域具有非常广阔的应用前景。目前，储热技术已成为世界范围内的研究热点。
自古以来，人们就懂得如何应用储热技术，只是最初人们对于储热技术没有具体的定义和进一步的研究，只是懂得简单地利用日常生活中具有储热性质的物体，并把它们运用到生活中的食品加热、改善生活环境等方面。有一种原始烹饪方法，称之为“石烹”（图1.17），其历史可以追溯到旧石器时代。这种烹饪方法正是利用石块所具有的蓄热恒温的储热特性，将石块作为炊具，把它们烧红填到食物内（如动物肝脏等），从而间接地利用热能把食物烹饪成熟。
图1.17 原始烹饪方法
除此之外，储热技术很早就被应用于建筑设计及其采暖系统，以缓解建筑物所需要的能量供求在时间和强度上的矛盾。但是，由于早期发展主要是注重农业的发展，所以工业发展水平始终不高，储热技术也一直没有被正式用于工业方面。随着时代的发展，社会不断向前进步，工业发展水平逐渐成为推动各国经济发展的主要因素，人们对工业的发展越来越重视。随着工业技术的发展，工业生产对燃料温度的要求越来越高，使得工业上所需要的空气温度也越来越高，这就需要有一种技术来提高、维持空气温度以满足工业生产的要求。于是约从19世纪开始，储热技术开始逐渐应用于工业生产领域。值得注意的是，人们把储热技术应用于工业生产，不仅提高了燃烧环境周围的空气温度还可以保持空气温度，使得燃烧物在一个恒定的高温环境下更加充分地燃烧。更重要的是，通过对储热技术的应用，在工业生产过程中所产生的工业余热也能够存储起来，并在适当的时候得到再次利用，使得工业余热变废为宝（图1.18）。
图1.18 工业生产中的储热工业炉
随着社会进步，储热技术不断向前发展，人们对于储热技术的应用也不再局限于这些方面，储热技术的应用越来越普遍，人们开始把储热技术应用于更加广泛的领域。并且，在储热技术中，相变储热尤为重要，近20年来，相变储热材料已经成为一个研究重点。近代以来，随着采暖、空调用能急剧增长以及空间技术的发展，这些领域对热能存储技术依赖性越来越大，人们利用热能存储技术来达到“削峰填谷”的目的，并可以利用热能存储技术给空间热动力装置提供稳定的电能和热能等。
储热材料包括显热储存材料、潜热储存材料（又称为相变储热材料，phase change materials，PCM）和化学反应热储存材料。我国主要从20世纪80年代开始着手研究储热材料，起步明显晚于国外。而且早期的研究对象主要是相变储热材料，其中重点研究的是相变储热材料中的无机水合盐类，而在众多的无机水合盐相变储热材料中，Na2SO4·10H2O是开发研究最早且最受重视的一种储热材料。对于储热技术的研究，我国前进的步伐从来没有停歇。1983—1985年，我国依次成功地解决了无机水合盐存在的过冷问题、研制和试验出太阳房相变储热器、分析出新制备的均匀固态物质初始融化热值低的原因；1990年，我国研制出一种新型储热材料，不仅储热性能好，且成本低、无污染、低能耗，凭借其优良特性，成功在1987年获得国家专利；1992年，我国对相变储热材料在太阳房的应用做了基础研究；20世纪90年代中期，我国对于储热材料的研究重点转向了有机储热材料和固-固相变储热材料。尽管应用于储热技术的储热材料研究有很大的进步，但我国的储热材料研究依然还处于起步阶段，而且国内目前在储热材料的应用领域还很有限，仅仅局限于太阳房、农用日光温室等狭窄的领域。
国外研究储热技术最初是以节能为目的的，早在1873年，国外就已经出现了储能锅炉，到1880年，人们逐渐开始利用化学反应所产生的反应热来储存车辆的机械能。在20世纪初，国外的研究者又开发出了变压蒸汽储能的技术。1929年，当时最大的蒸汽储能电站在柏林建造成功，储能技术在国外取得了较快的发展。20世纪60年代，随着载人空间技术的迅速发展，美国国家航空航天局（以下简称NASA）开始大力发展相变储热材料热控技术（图1.19）。20世纪70年代石油危机爆发后，世界上许多工业大国开始着手于新能源的开发与利用，由于新能源存在不连续和不稳定的缺点，储热技术作为主要的储能技术之一受到更多关注，并用于缓解新能源供应不连续的问题。随着储热技术的发展，开发的储热材料种类越来越多，储热技术的实际应用领域也不断扩大，在太阳能热利用、电网调峰、工业节能和余热回收、建筑节能等领域都具有重要的应用价值。
图1.19 美国推出的新型胶囊式相变储热系统
现在，随着经济的发展和能源的大量消耗，人们对于储热技术的研究越来越深入，储热材料在各个领域的应用也越来越多，人们不断利用储热技术来提高能源的利用率，以实现能量的需求平衡，储热技术正在能源、航空、建筑、农业、化工等领域发挥着不可估量的作用。与此同时，还应该注意到，当年的储热技术在很多方面还不够成熟，有待于相关领域的研究人员不断研发，以研制出更高性能的储热材料，降低生产成本，使储热技术能够更加广泛地用于每一个需要储能蓄热的行业，使这种最具发展前景的技术最大限度地造福人类。