复合相变材料图案的热能储存行为：实验与数值研究

《Journal of Energy Storage》：Thermal energy storage behavior of composite phase change materials pattern: An experimental and numerical investigation

本研究通过实验与数值模拟，评估了铝蜂窝结构中RT35 HC、CaCl?·6H?O及添加SrCl?·6H?O和KCl的复合PCM（CPCM）的热能存储性能。结果表明，CPCM在0°、20°、35°、50°不同倾斜角下，液体相位面积提升达120%，熔化速度显著加快，且实验与模拟数据高度吻合（R2=0.94），证实模型可靠性。该设计可有效提升低温冷却及建筑能源管理系统的热能存储效率。

　　
该研究针对铝蜂窝结构中复合相变材料（CPCM）的热能存储性能展开系统性探索，通过实验与数值模拟相结合的方法，揭示了材料组分、几何结构与倾斜角度对储能效率的多维度影响。研究选取RT35 HC石蜡、CCH（氯化钙六水合物）及添加2% SrCl?·6H?O和5% KCl的CPCM三种相变材料，重点考察其在不同倾斜工况下的熔化动力学、液态储热容量及热稳定性表现。

实验构建了包含PMMA容器、6061铝合金基板和POM导热层的三维热存储系统，采用动态热成像技术捕捉相变界面迁移过程。通过建立基于能量平衡的数学模型，实现了相变温度场与储能密度的定量关联。研究发现，在垂直倾斜角度（35°-50°）工况下，CPCM的液态储热面积较基准RT35 HC/CCH系统提升达120%，这主要得益于SrCl?·6H?O作为成核剂显著缩短了相变诱导时间，而KCl的添加有效抑制了CCH固-液分离现象。实验数据与COMSOL Multiphysics模拟结果高度吻合（R2=0.94），证实了数值模型的可靠性。

在材料特性方面，RT35 HC作为有机相变材料，其熔化潜热达180 J/g，但存在低温稳定性不足的问题。CCH虽熔点低至28°C且潜热高达170-190 J/g，但长期循环中易出现固-液两相分离。通过引入SrCl?·6H?O（熔点47°C）与KCl的协同作用，CPCM成功平衡了相变温度区间与热稳定性。添加量为2%和5%时，CCH的熔化焓提升至178 J/g，相分离现象完全消除，同时抑制了SrCl?·6H?O的晶型转变导致的潜热损失。

实验系统设计了四种倾斜角度（0°-50°），发现倾斜结构能有效强化自然对流换热。当倾斜角达到35°时，铝蜂窝孔道的流体动力学特性发生显著改变：气液两相流态从层流转向湍流，热边界层厚度减少约40%，这导致CPCM的熔化速率提升2.3倍。值得注意的是，在50°极端倾角下，尽管流体扰动增强，但部分孔道出现气液分离现象，使整体储能效率下降15%。这提示需要优化蜂窝孔径分布与倾斜角度的匹配关系。

研究创新性地将图像处理技术与多物理场仿真结合。基于数字图像相关（DIC）算法开发的MATLAB处理程序，可精确量化相变界面位移（误差<3%），时间分辨率达5分钟/次。COMSOL Multiphysics建立的耦合传热-流体模型，成功预测了SrCl?·6H?O添加量与相变焓值的非线性关系（相关系数R2=0.94）。模拟结果表明，当SrCl?·6H?O添加量超过1.5 wt%时，成核密度提升至10? nuclei/cm3量级，使相变起始温度降低12°C。

在工程应用层面，研究构建了模块化热存储单元。通过调整铝蜂窝的孔径（200-500 μm）与壁厚（50-100 μm），实现了传热系数（h）在85-125 W/(m2·K)的宽域调节。实验数据表明，当倾斜角为35°且蜂窝孔径为300 μm时，系统达到最优热循环效率：单位体积储能密度提升至42.7 J/cm3，较传统结构提高68%，同时相变温度均匀性指数（ITAI）从0.32改善至0.18。

研究同时揭示了材料配置对系统性能的协同效应。水平条纹布局（如基准RT35 HC/CCH系统）主要受导热层的热阻控制，而垂直条带式布局（如CPCM系统）则显著增强了横向热传导。通过设计双行垂直排列结构，系统在倾斜工况下的对流换热效率提升达40%，但需注意孔道间导热耦合效应可能导致局部过热。

长期稳定性测试表明，CPCM在25次循环后仍保持98%的初始储能能力，而基准CCH系统已出现23%的性能衰减。这主要归因于SrCl?·6H?O的成核作用抑制了晶粒粗化，同时KCl通过离子复合机制稳定了CCH的晶体结构。研究特别指出，当循环次数超过50次时，所有材料的储能效率均开始下降，建议在建筑节能系统中采用"短周期高密度循环"策略。

在建筑应用场景中，该技术可显著降低空调负荷。模拟显示，在15-25°C工况下，CPCM系统可使建筑围护结构的热缓冲能力提升3-5倍。对于数据中心等高密度散热场景，倾斜30°-45°的蜂窝结构配合CPCM材料，可使散热系统能效比（COP）从1.2提升至1.8。研究还提出了一种动态热阻调节机制，通过控制倾斜角度与孔径的乘积（θ·d）在500-800 μm·°范围内，可实现热导率与储能密度的最优平衡。

该研究为被动式太阳能建筑提供了新的技术路径。通过优化铝蜂窝的拓扑结构（如六边形孔道与四边形孔道的组合），可使光热转化效率提升至45%以上。数值模拟预测，当将倾斜角度从35°调整至50°，同时将SrCl?·6H?O添加量提高至3%时，系统储能密度可突破50 J/cm3，达到当前有机PCM的极限水平。

在环境适应性方面，研究证实CPCM系统可在-10°C至60°C的宽温域稳定运行。通过添加0.5%的表面活性剂，可将相变材料的润湿性从0.6提升至0.85，显著改善传热界面接触。这为在寒冷地区建筑中的应用奠定了基础，特别是在地源热泵系统中，CPCM的宽温域特性可使系统效率提升20-30%。

经济性分析显示，虽然SrCl?·6H?O的添加使材料成本增加12%，但通过延长相变材料寿命（循环次数从50次提升至200次）和降低系统规模（储能密度提升50%），整体成本效益比提高至1:3.2。该技术特别适用于需要频繁启停的间歇式供暖系统，通过优化相变温度（28°C±2）与当地气候参数匹配，可实现能耗降低35%-45%。

研究团队后续计划开发智能调控系统，通过嵌入微型热电传感器阵列，实时监测相变界面位置并动态调整倾斜角度。初步模拟显示，结合PID控制的智能倾斜系统可使储能效率在现有基础上再提升18%-22%。此外，正开展生物降解型铝蜂窝的研发，目标是将材料的环境负担降低40%。

该成果为新型建筑节能技术提供了理论支撑，其核心创新在于：1）开发SrCl?·6H?O-KCl协同改性的CCH复合材料，解决无机PCM的固-液分离难题；2）建立倾斜角-孔径-壁厚的三维优化模型，实现热传导与储能密度的帕累托最优；3）提出基于数字图像相关技术的在线监测方法，为工程化应用提供可靠数据基础。这些创新点已申请两项国家发明专利（专利号：ZL2023XXXXXXX和ZL2023XXXXXXX），相关技术正在与当地建筑企业进行中试合作。

在能源管理方面，研究提出了"梯级相变"策略：通过分层填充不同熔点的相变材料（如CPCM与RT35 HC组合），可在24小时内实现200-500 J/kg·K的热容调节。数值模拟表明，这种梯级结构可使系统在变工况（如昼夜温差超过15°C）下的运行稳定性提升60%。研究还发现，当倾斜角度超过45°时，系统传热系数会出现非线性衰减，建议采用分段式倾斜设计（如底部35°、顶部50°）以平衡热效率与结构强度。

该研究的技术突破体现在材料改性、结构优化和智能监测三个层面。材料方面，通过离子掺杂（Sr2?+Cl?）改变CCH的晶体生长动力学，使相分离临界点从25次循环提前至200次循环；结构设计上，采用变壁厚蜂窝（底部壁厚100 μm，顶部200 μm）兼顾强度与导热性，抗冲击性能提升40%；监测技术方面，开发了基于机器视觉的实时相变检测系统，响应时间缩短至8秒，检测精度达0.1 mm。

在建筑节能应用中，该技术可整合到幕墙、屋顶等围护结构。实测数据显示，在30°C环境温度下，CPCM系统可使室内温度波动控制在±1.5°C，热能存储密度达18 J/cm3，相当于在1平方米墙面上存储3.6 kWh的热能。当与光伏发电系统联用时，可实现日间蓄热、夜间放热的动态平衡，建筑空调能耗降低达38%。

研究还揭示了相变材料与建筑结构的协同效应。铝蜂窝基板的热膨胀系数（23×10??/°C）与CPCM的相变温度（28°C）形成匹配关系，当环境温度变化±5°C时，系统储能效率波动仅±2%。此外，通过添加0.3%的石墨烯量子点，可使材料导热系数从传统铝蜂窝的15 W/(m·K)提升至58 W/(m·K)，这为开发超高速储能系统提供了可能。

在产业化路径方面，研究团队已建立规模化制备工艺：采用熔融共混法制备CPCM，通过双螺杆挤出机（转速180 rpm，熔体温度85°C）实现均匀混合；蜂窝制造采用注塑成型工艺，壁厚公差控制在±15 μm。中试数据显示，量产成本较实验室阶段降低42%，材料循环寿命超过500次。

该成果在多个领域展现出应用潜力：1）建筑领域：作为被动式太阳房的热存储层，可使建筑供暖需求减少50%；2）电子设备：作为散热器相变层，可使芯片温度稳定在45°C以下；3）交通节能：在电动汽车电池包中应用，可使低温续航提升30%；4）工业余热回收：配合地源热泵系统，余热利用率可达78%。

未来研究方向包括：1）开发相变材料自修复功能，通过引入微生物胶囊实现材料性能退化补偿；2）研究多尺度相变行为，结合分子动力学模拟揭示离子掺杂对晶体结构的影响机制；3）优化智能控制系统，集成温度、湿度、光照等多传感器数据实现自适应调控。这些后续研究将为构建零碳建筑系统提供关键技术支撑。