陈锦活 广东海洋大学

　　随着“双碳”目标的执行，电动汽车的市场占有率越来越大。电动汽车相比于传统燃油车具有节能环保、低噪音和能量转化率高等优点，但也具有一定的缺点，例如续航短，充电所需时间长等。所以，节约能耗就成了电动汽车的重要研究点之一。

　　在实际工程当中，利用相变材料来调节温度已被广泛利用于众多领域。例如在汽车原有空调系统中，我们可以安置一个相变箱调节初始空气温度，即空气在进入蒸发器前使其温度降低到某一温度，便可有效地降低空调系统能耗。

　　一、节能方案及示例

　　该汽车空调节能系统的优化原理是空气进入空调系统的蒸发器之前先进入设置的相变箱中，利用相变箱与空气之间的温差调节温度。例如在夏天时，晚上的空气温度要远低于中午的空气温度，相变箱中的相变材料可以在晚上吸收冷量，在中午或需要开启空调系统的时候释放冷量，降低初始空气温度，即可达到节能的目的。

　　相变箱设计中最重要的部分是相变材料的选择，其必须符合的条件有：(1)在热力学性质中能量密度和导热系数大；(2)在动力学性质中性能稳定；(3)在化学性质中无毒、难燃和腐蚀性小；(4)在经济性中资源丰富、成本低。在具体选择方面，我们可以通过所需要的设计温度来选择需要的相变材料，例如假设空气温度介于21～35摄氏度之间，我们可以选择相变温度28摄氏度左右的相变材料。

　　相变箱的体积应合适汽车使用，不能过度浪费汽车的体积和载荷，所以本文以156.25cm2大小的相变箱进行示例计算。假设相变箱为正方体，入风速度稳定为1m/s，则可算出空气流过相变箱的时间为1s。然后，我们可以开始设计相变箱内部装有相变材料的换热管的尺寸和间距，本文选择了较为均衡的半径大小为15mm的换热管。通过牛顿冷却公式和空气比热容公式即可计算出理论节能量。在本文的示例装置中，当用户所需的制冷温度为22～26摄氏度时，其温度降幅可达1～3摄氏度，节能效率可达22%左右。以2021年纯电池汽车保有量493万辆为例，仅一年时间便可节电12亿千瓦时。

　　二、相变节能优化方向

　　相变节能目前主要的优化方向有优化材料参数和提高换热效率两种方法。

　　优化材料参数可以从提高相变潜热和提高比热容两方面入手，这两方面均可通过改变所使用的相变材料或在选用的相变材料中掺入适当比例其他材料的方式进行改善。

　　提高换热效率是目前相变节能主要的优化研究方向，因为这个方向的提升空间更大，提升难度也更加简单。提高换热效率的主要方法有增大换热面积和提高换热系数两种，增大换热面积可以通过增加相变箱内换热管数量或给换热管增加肋片等方式实现，提高换热系数可以通过强制对流等方式实现。

　　三、应用拓展

　　除了上述汽车空调的应用之外，相变材料节能还能应用于其他领域当中，主要的利用领域有：

　　不可利用能收集。例如上文所讲的汽车空调系统相变节能中，就是对空气中蕴含的不可利用的冷量进行收集，使其在需要的时候释放出来。

　　能源调控。利用电容器将电能保存是比较困难的，所以现在保存电能的主流方法是水力蓄能，但水力蓄能有浪费土地资源、成本高等缺点。所以我们可以尝试引入相变蓄能，其占用土地面积小且安全性较高。

　　相变保温。将相变材料用于建筑等行业当中，可以作为建筑等材料使用，其高潜热的特点可以有效减缓建筑温度的变化。将相变材料用于实验室等需要恒温的场所当中，可以减少温度的波动。

　　相变散热。将相变材料用于手机、电脑等数码产品或发热量巨大的基站、电力设备等设施当中，能有效避免高负荷期间高温引起的各种不良影响和不良后果。

　　四、结语

　　本文首先介绍了相变材料在汽车空调系统中的应用，并通过举例和计算得出了该应用所能得到的节能效率。然后，本文针对相变箱装置和相变材料的特性提出了其在相变材料节能方面的方向，并对优化方向进行了举例说明。最后，通过介绍相变材料其他方面的应用拓展，开拓了其发展方向、减小了其局限性。

　　综上所述，利用相变材料可以影响控制节能利用、能源调配和能量传递等方面的活动，使其更加符合我们对于物品使用的需求。在节能利用中，其节约的能量是可观的，且其制造成本和维护成本都是较低的；在能源调配中，其具有占用土地资源少、能量储存数量和转化数量大等优点；在能量传递中，其既可以实现维持稳定温度的效果，也可以作为散热之用，使拥有散热需求的设备在正常温度下运行，提高了设备的安全性。所以，相变材料的合理利用，将会为能源行业带来一定的影响，有效地促进能源行业的发展。