1 引言 由于人口增长和生活水平的提高，人们对能源的需求每年都在逐步增长。空调及其他制冷设备的能源消耗在全球能源消耗中占比较大，能源消耗严重，提升能源利用率以及对废热余热的回收利用成为关注的焦点[1][2]。基于蒸汽压缩循环的制冷设备，其系统主要包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置等，低温制冷剂在蒸发器内蒸发吸热后进入压缩机压缩，压缩后的高温制冷剂进入冷凝器冷凝放热，再经节流装置节流进入蒸发器完成制冷循环[3][4]，在这一循环过程中，压缩机对制冷剂压缩做功的部分热量通过壳体以余热形式散发出来；而制冷模式下冷凝器冷却高温制冷剂，向外界散发热量，可对这部分热量进行再利用[5]。 近年来，对制冷系统余热利用的研究备受关注。对于压缩机壳体热量的利用，常用在蒸发器的除霜以及热泵强化制热方面；而对于冷凝器热量的利用，常用于蒸发器的除霜，系统的节能及生活用水的加热。得益于近年相变蓄热材料的研究发展，结合相变储能，可有效对制冷系统余热进行储存与利用。 Ooi和Wong[6]对家用冰箱压缩机进行了仿真模拟与测量，所建立的模型考虑了制冷剂的几何、热力学、动力学和摩擦效应，并用真实气体方程描述制冷剂的状态。在与实际测量结果对比分析后，结果表明，压缩机在压缩循环中消耗的能量是压缩机输入功率的80～90%，能量消耗的10～15%是通过对流和传导方式由压缩机外壳散发到周围环境中的损失。Park[7]开发了滚动活塞式压缩机的瞬态仿真模型，该模型基于守恒原理、实际气体方程、曲轴和滚子的运动学、泄漏引起的质量流量损失以及传热，计算了电机效率、机械效率、电机转矩和容积效率，结果表明，压缩机散发的热量约为输入功率的6.3%。马一太[8]对市场上几种主要容积式压缩机的电效率进行了对比和分析，结果表明：涡旋压缩机的电效率基本上在0.5～0.75之间，主要集中于0.6～0.7之间；活塞压缩机的效率基本上在0.4～0.7之间，主要集中于0.5～0.65之间。在负载变化和恶劣工况下（如低温工况），电效率甚至会降低[9][10]。这指明了输入功率会有部分以余热方式通过压缩机壳体散发出来，给制冷系统的性能改进提供方向。 冷凝热作为制冷系统中热量最高的部分，其余热可用来对制冷系统进行优化与应用[11]。Gu[12]等对空调系统冷凝余热进行回收利用，研发了利用相变材料存储空调系统余热（显热和潜热）的热回收系统，通过热力学计算和改变系统的冷凝温度，对系统的综合能效比进行了计算和分析，研究表明，当空调系统排出的余热（显热和潜热）全部回收时，能有效地提高系统的综合能效比。如今翅片式外置风冷冷凝器也用于容积较大的风冷电冰箱，其散热效率高，散热量大。冷凝热回收技术的发展，以及技术的不断完善也促使冷凝热回收技术逐步进入家用制冷设备中。通过采用蓄热等方式，对冷凝热进行利用，从而改善制冷系统，实现节能与增设功能的意义[13][14]。 2 压缩机壳体余热的应用研究 2.1 压缩机壳体热在冰箱中的应用 压缩机在工作时通过壳体会散失出部分热量。图1所示压缩机功率为100W的风冷冰箱在25℃工况下启动运行10小时过程中压缩机壳体温度变化，从图中可以看出，在压缩机启停运行过程中其壳体温度保持在40～50℃区间内。这部分余热可以应用在冰箱中，目前的应用研究包括风冷冰箱的蒸发器除霜、恒温解冻，以及在模块化冰箱门板防露等方面。 经过近几年发展，风冷冰箱以冷风循环、食物之间不产生黏连、容积大、箱体壁面不会出现霜层而逐渐替代直冷冰箱。但其蒸发器表面会形成霜层，当长时间运行时，霜层变得越来越厚，这增加了蒸发器的表面热阻，阻挡了翅片之间的通道，并降低了系统的蒸发温度，影响制冷量，增加能耗。因此霜层必须定期除掉，目前Pradee[15]等人建立了间冷式冰箱蒸发器内结霜时的数学模型，分析了结霜时各位置的能量分配情况，并进行了除霜性能实验，比较了不同霜层厚度下蒸发器除霜时蒸发器翅片表面温度的变化特性。结果表明，不同的霜层厚度下，蒸发器翅片表面温度在52～56℃之间波动，化霜加热器的效率仅为30.3%,化霜电耗最高占冰箱总耗电量的17.7%。因此利用压缩机壳体废热联合热气旁通来优化除霜方式，旨在提高风冷冰箱除霜效率，减少除霜时间，降低除霜能耗。 赵飞[16]在风冷冰箱上设计开发了热气旁通联合相变蓄热的除霜方式。如图2所示，图中1为压缩机、2为冷凝器、3为节流装置、4为蒸发器、5为相变蓄热包、6为常开电磁阀、7为常闭电磁阀、8为旁通管道、9为常闭电磁阀、10为制冷剂过热旁通管道、11为电加热器，该方式将压缩机的排气旁通进入蒸发器，高温的制冷剂由内而外融化蒸发器表面霜层，被冷却的制冷剂进入包裹在压缩机外的相变蓄热器内进行再热，之后进入压缩机完成除霜循环。 图2 冰箱正常制冷循环以及除霜循环的原理图 在此方案中，相变蓄热包作为热气旁通除霜的关键部件，其采用石蜡作为压缩机壳体热的储热材料。如图3所示相变蓄热包对压缩机进行全部包裹，储存压缩机运行过程中的热量，相变蓄热包内设置了盘管，盘管加以翅片形式，可使相变蓄热包内的热量更好地传递给制冷剂。 图3 相变蓄热包包裹压缩机 研究结果表明，在与180～419W电化霜相比，化霜时间减少65%～77%（图4），化霜电能消耗减少89%～92%；另外，在此实验过程中，压缩机正常运行60h的实验时间内，暴露在空气中的压缩机壳体温度稳定在60℃左右，然而包裹相变蓄热器的压缩机壳体温度稳定在54℃左右，实验数据表明，相变蓄热器不仅不会使压缩机壳体温度集聚，反而会使其温度降低；而蓄热包包裹压缩机壳体还可以有效降低压缩机运行时产生的噪音，与同型号没有包裹蓄热包的压缩机相比能够有效降低噪音18.5%。这一除霜方式是对压缩机壳体热的利用，在压缩机工作期间，其相变蓄热器不停地吸收压缩机壳体热储存起来，当需要除霜时，对制冷剂进行再热，保证系统安全。 图4 不同化霜模式蒸发器温度随时间变化图 此实验方案或存在着吸气压力高的问题，在没有节流的情况下，过热后的制冷剂直接进入压缩机，可能会对压缩机造成危险；另外整机性能功耗没有进行测试，考虑到其实验中压缩机壳体温度降低，故在后期实验中应继续验证热气旁通联合相变蓄热的除霜方式对整机节能的效果；另外其实验装置采取模拟风道，没有在产品上进行实验，且压缩机全部浸没在蓄热材料中，安全性欠佳，故应在一定产品型号上进行全工况实验，优化相变蓄热装置设计，验证热气旁通联合相变蓄热的除霜方式的产品可靠性。 针对赵飞实验过程中的问题，北京工业大学闫家文等进一步优化方案：以对压缩机壳体热进行储存利用为基础，设置除霜系统对蒸发器进行除霜，在除霜系统中，制冷系统中的蒸发器作为此系统冷凝器，相变蓄热器作为此系统蒸发器，优化解决电加热除霜的能耗高，耗时长等问题。图5所示为系统研究方案，图5中，1为壳体热相变蓄热器、2为蓄热材料、3为相变蓄热器相变材料加注口、4为制冷剂再热旁通管、5为三通阀、6为旁通管路节流装置，此方案含有两路系统：制冷系统、除霜系统；以此来改善电化霜的效率低下、耗能高等问题。 图5 风冷冰箱制冷循环以及除霜循环原理图 图6为此系统在某一品牌产品上的样机制作，其相变蓄热器进行重新优化设计，不同于压缩机全部浸没于蓄热材料中，采用与压缩机贴合的形式，此设计更加的安全可靠，具有产品化。产品样机目前还在实验中，后续将分析优化后的化霜方案在产品上的性能试验。 图6 相变蓄热装置与压缩机搭配图 刘梓玫[17]等利用压缩机壳体的热量，在风冷冰箱上增加了解冻功能。如图7所示，其实验方案将压缩机壳体热利用相变材料包裹，蓄热器内设置盘管，盘管另一端连接解冻槽，通过水循环，将压缩机壳体热量迁移至解冻槽内，用于解冻冷冻食物等。在与自然解冻，微波解冻的对比实验中，研究表明，利用这部分热量解冻，时间虽长于微波解冻，但明显快于自然解冻、水解冻且解冻食物的品质优于其他解冻方式。另外，杨轩[18]采用相同原理，将水循环更换为空气循环，有效利用压缩机壳体余热，对冰箱增加了具有实用性的功能。但是其对冰箱整体性能没有做进一步研究，相变蓄热装置的设置在解冻时将热量带走，这是否会降低压缩机壳体温度实现对整体系统的节能，还需进一步研究。 图7 恒温静水解冻实验装置 2.2 压缩机壳体热在热泵空调中的应用 相较于冰箱压缩机，热泵系统中的压缩机壳体温度更高。有研究表明，输入功率为1500W热泵压缩机，其壳体温度可达80℃以上，这可以用来热泵的除霜或强化系统制热。 Zhang[19]在空气源热泵基础上开发了一种基于压缩机壳体热的新型除霜方式并对其进行实验。如图8所示，该方式在原有系统上添加了电子膨胀阀和热力膨胀阀，在除霜期间，通过阀门的启闭，使得高温制冷剂经两路进入室内和室外换热器，在化霜的同时持续给室内供暖，最终经热力膨胀阀和节流装置的节流汇集为一路进入包裹在压缩机壳体外的相变材料-热交换器装置内进行蒸发，后进入压缩机完成除霜循环。 图8 基于压缩机壳体余热除霜的空气源热泵系统示意图 循环过程中，包裹在压缩机壳体外的相变蓄热装置充当了除霜循环的蒸发器。图9为该实验蓄热装置设计图。相变材料-热交换器是这种新型除霜方法成功开发的关键组成部分。它被设计成覆盖压缩机外壳的四分之三，并且呈圆形罐状以紧密缠绕压缩机，用隔热材料覆盖相变材料-热交换器，选择的相变材料是35mol%十二酸和65mol%癸酸的混合物，使用翅片管作为相变材料热交换器以增强相变材料与制冷剂之间的热传递。 图9 相变蓄热装置设计图 该方式解决了逆循环中压缩机停机四通阀变向的过程，除霜时间明显减少，与逆循环除霜方法相比，新型逆循环除霜方法的化霜时间缩短了65%；另外，该方式利用压缩机壳体热，将相变蓄热器作为除霜期间的蒸发器，解决了逆循环除霜室内温度降低的状况，与逆循环除霜方法相比，125分钟试验期间的总加热量和输入功率分别增加了14.2%和12.6%。系统COP增加了1.4%；实现了废热利用的意义。 范鹏艳[20]采用相变蓄热装置将热泵压缩机全部包裹起来，并利用这一部分废热联合热气旁通对冬季工作的热泵蒸发器进行除霜，另外，在相变蓄热装置中设置水盘管，对生活用水进行预热处理。如图10所示，图中，1为压缩机、2为蒸发器、3为节流装置、4为冷凝器、5为常开电磁阀、6为常闭电磁阀、7为常闭电磁阀、8为相变蓄热器、9为四通阀、10为常闭电磁、11为泵、12为制冷剂旁通管，当开始除霜时常闭阀打开，常开阀关闭，热的制冷剂进入室外蒸发器进行除霜，除霜后的制冷剂进入相变蓄热装置中再热，最终进入压缩机完成除霜循环；预热水循环是当热泵装置不除霜时，采取水循环加热生活用水，并将压缩机热量带走，使热泵稳定运行。
图10 热泵压缩机壳体蓄热应用示意图 其用于储存压缩机壳体热的相变蓄热装置整体包裹在压缩机外，如图11所示，相变蓄热装置以石蜡为蓄热材料进行填充并添加石墨增强导热，石蜡的固液比为6:4（潜热为103kJ/kg，密度为725kg/m3）并且其内制冷剂盘管与水盘管以翅片形式增强换热。其研究表明，相对于逆循环除霜方式，其除霜时间降低9%，功耗降低21.7%；另在热泵制热期间，10L循环水温度上升30℃，压缩机壳体温度降低4.6℃。
图11 热泵压缩机相变蓄热装置 Huang[21]制作并测试了一种新型热回收装置，用于回收从热泵压缩机外表面释放的热量，并提高低温工况热泵的性能。通过在空气源热泵压缩机表面设置铝壳作为导热体，再通过热管装置，将压缩机壳体热量输入压缩机吸气管路上，对热泵装置进行吸气再热，以解决低温工况下吸气温度较低的情况。 如图12所示，该新型热回收装置由三个基本单元组成：HAU-吸热单元，HEU-散热单元和heatpipes-热管。吸热单元和散热单元具有以下共同元素：铝壳。吸热单元覆盖在压缩机外面，并涂有导热硅脂无缝接触，顶端与热管连接；发热单元通过压力带，螺丝孔等与吸气管路固定；红色为热回收系统内的热量传递方向；蓝色为制冷剂流动方向。可以看出，来自压缩机外表面的热量通过热管传递到制冷剂。
图12 铝壳、热管热回收装置 该实验以一台制冷剂为R410A空气源热泵实验样机，研究表明，当室外干球温度6℃湿球温度5℃时，压缩机吸气温度由21.3℃上升到46.4℃，压缩机壳体温度略微下降，耗电量下降1.2%。这种对空调装置的强化制热方式，不需要其他能量消耗，结合热管将压缩机壳体热量输送到制冷剂，是对压缩机壳体热的利用。 北京工业大学娄凤飞等设计了新型的双蒸发器联合压缩机壳体蓄热的热泵系统。该系统利用相变蓄热材料回收压缩机壳体的余热，将相变蓄热材料充注在蓄热换热器中，蓄热换热器作为副蒸发器可以有效利用压缩机壳体余热，提高整个系统的蒸发温度，强化制热。目前该系统正在实验测试中，如图13所示，图中，1为室外换热器、2为压缩机、3为室内换热器、4为毛细管、5为闪发器、6为电子膨胀阀、7为气液分离器、8为蓄热器、9为四通换向阀、10a,b为手动控制阀门、11a,b为单向阀、12为电磁阀。热泵系统循环过程中，经冷凝器出来的制冷剂一路正常进入蒸发器，另一路进入蓄热换热器中，最终汇合后进入压缩机完成循环。该循环系统中，相变蓄热器作为另一蒸发器，用以提高低温工况下压缩机的吸气温度，进而提高低温环境下热泵的制热能力。如图14所示为该系统中相变蓄热装置。
图13 双蒸发器联合压缩机壳体蓄热的热泵系统原理图
图14 相变蓄热装置 目前市面上已出现采用压缩机蓄热的家用空调器，如松下KFR-51GW/BpSJHL1，KFR-36GW/BpSJHL1，KFR-26GW/BpSJHL1等（图15）。官方数据显示，-20℃时，蓄热空调正常启动，除霜时不停机，温度波动仅为1～2℃，系统制热量得到明显提高，除霜周期得以延缓，使得室内温度波动减小，提升用户的舒适性。可以看出，将蓄热技术用于热泵空调中已经从技术研发走向了应用阶段，在目前节能环保背景下，热泵空调替代传统能源供暖方式将逐渐普及，而结合蓄热方式，可以使热泵空调技术更好的给用户提供舒适的生活环境，提升生活品质。
图15 松下蓄热空调 3 冷凝器余热的应用研究 3.1 冷凝器余热在冰箱中的应用 制冷系统冷凝热多于制冷量，大量冷凝热直接排入大气，造成巨大的能源浪费[22][23]。 李骜[24]在风冷冰箱上，对冷凝器的部分热量进行蓄热，在原有制冷系统上建立除霜系统。如图16所示压缩机排气直接旁通进入蒸发器除霜，后经蓄热器内再热进入压缩机，完成吸气。实验设置其他三种除霜模式作为对比，如图17所示，第一种模式为原机电化霜；第二种为不经蓄热器的热气旁通除霜方式；第三种为蓄热器后的旁通除霜模式。通过四种除霜模式的比较，研究表明，通过蓄热制冷剂在蒸发器内部由内而外的热气旁通化霜模式优于传统的电化霜模式，在压缩机排气侧加装蓄热器的热气旁通模式又优于蓄热器后的热气旁通模式，而最优的化霜模式是让蓄热器在压缩机吸气侧提供热量的热气旁通模式。
图16 冷凝器蓄热除霜原理图
图18所示为实验装置中蓄热换热器，其制冷剂管采用翅片形式，放置于压缩机仓内，在制冷模式下蓄热器内部相变蓄热材料完成蓄热，在化霜模式下能够有效提高蒸发器的化霜温度，并防止液击现象的发生，有较高化霜效率。冷凝热蓄热旁通化霜方式化霜过程持续约10min，比原机模式节省时间66.7%，化霜电耗0.0212kW·h，比原机模式节电71.1%。李骜的研究是对风冷冰箱冷凝热利用的有效方式。
梅宝军[25]针对冰箱箱壁式冷凝器效率低下的问题，提出了一种新型蓄热型冷凝器，即利用定形相变储能材料对冷凝器进行蓄热，当冰箱工作时，定形相变材料蓄积冷凝管中无法及时散出的热量，在冰箱停止工作时继续向外散热。从而把冰箱冷凝器由间歇性散热变为连续性散热，并由此大幅提高冰箱冷凝器的总体散热效果，进而降低冷凝温度，提高冰箱的能效。 图19所示为其蓄热冷凝器设计与实物模型，定形相变材料蓄热型冷凝器主要包括如图中的1-定形相变材料、2-冷凝器管路、3-冰箱发泡材料、4-冰箱箱壁，定形相变材料包围冷凝管组成蓄热型冷凝组件，蓄热型冷凝组件紧贴冰箱箱壁板，冰箱发泡材料充隔在冷凝组件与冰箱内胆之间。
该蓄热冷凝器蓄热材料以石蜡为基础，通过添加一定质量分数的高聚乙烯与膨胀石墨来增强其导热性。通过对相变蓄热型冷凝器进行实验研究，实验研究结果显示：利用定形相变材料的蓄热型冷凝器在开停机比率1:1下传热效果相比于传统箱壁式冷凝器至少提高28%。定形相变材料蓄热型冷凝器散热板上温度均匀性较好；定形相变材料蓄热型冷凝器中散热板温度始终维持在相变材料相变点温度以下。而在冰箱的试验样机，根据国家标准对实验样机的运行性能进行了实验研究，研究结果表明，实验样机能满足国家标准规定的节能冰箱3星级标准要求，并且试验样机耗电量相比于相同型号的原型机节能10%以上。 针对冰箱独立外置式冷凝器，北京工业大学闫家文等利用冷凝热来加热生活用水，通过将冷凝器与水箱结合，可对生活用水进行预热，这部分生活用热水可用于厨卫的清洗等。在此实验过程中，生活用水的预热降低了冰箱制冷系统的冷凝温度，冷凝温度的降低也降低了冰箱整体功耗。该实验方案后期将采用承压水箱，模拟生活用水，以找到最优方案。 3.2 冷凝器余热在热泵空调中的应用 冷凝器余热利用在热泵空调中常用来冬季蒸发器除霜，强化制热和加热生活用水等。 哈尔滨工业大学田浩[26]在多联机系统上采用了相变蓄能除霜系统，在原有系统上单独设立了相变蓄能器，将一部分冷凝热热量储存在相变蓄能器中；在除霜时，压缩机出口的高温热气进入室外换热器除霜后进入蓄能器进行再热，完成除霜循环。如图20所示，系统在给室内供热时，由压缩机排出的高温制冷剂通过电磁阀K4引出一路进入蓄热器，蓄热器内蓄热材料储存这部分热量，其余支路依然经室内机向室内供热，之后两路制冷剂汇集进入室外机蒸发换热，后进入压缩机完成蓄热、供暖循环；当除霜开启时，四通换向阀换向，高温制冷剂进入室外机进行除霜，除霜冷却后的制冷剂此时不再进入室内机，而是进入蓄热器内进行蒸发换热，后经四通换向阀、气液分离器进入压缩机完成除霜循环。这种除霜循环，改进了多联机常规除霜过程耗时长，制冷剂流经室内换热器温度降低的问题。
相变蓄热器是此实验的核心部件，用于盛放蓄热材料，并完成供热周期内相变材料与制冷剂之间的蓄热/放热过程，蓄热器需满足系统需求的换热效率，必须具有足够的换热面积以满足换热要求。实验者设计了螺旋管换热器，以利用容器内盘旋的铜管增加制冷剂与蓄热材料的换热面积，同时螺旋铜管上加装翅片进一步增强换热，图21为螺旋管换热器实物图。
图21 螺旋管换热器 在与多联机常规除霜系统实验对比中，相对于常规除霜时间505s，蓄热除霜除霜时间仅为205s；而恢复供热时间常规系统为105s，得益于除霜时制冷剂不再进入室内换热器，蓄热除霜系统仅为60s。这减少了对室内温度的负面影响，增加了室内舒适度。实验中，相变蓄热器内蓄热材料因其导热性问题，还有部分没有充分利用，故相变蓄热器还需进一步优化，使其更适合实验系统。 卜燕[27]等对家用空调进行改装，设置热回收换热器（水冷冷凝器），与机组原有的风冷冷凝器连接。其冷凝热回收系统可以将自来水直接送入空调热回收换热器，水流方向与热回收换热器内制冷剂流动方向相反，设置保温储水箱，电加热器，从而可实现空调制冷供热水的一体化。如图22所示为新型的空调冷凝热回收系统原理图，它包括空调的制冷系统、水泵、套管式冷凝器、保温水箱和电加热器，可以用来在夏天回收空调的冷凝热，其运行可以有以下三种方式。
单独制热模式：关闭套管式冷凝器两侧的阀门，套管式冷凝器停止工作，进行逆卡诺循环，可实现空调的制热模式，这也是一般家用空调的运行模式。 单独制冷模式：关闭套管式冷凝器两侧的阀门，开启冷凝器侧的风机进行机械通风，通过风机将空调的冷凝器热排放到室外，即可实现空调的单独制冷，但是这种方式无法利用空调的冷凝热，同时还可能造成室外环境的热污染。 制冷-热水模式：系统加设一个套管式冷凝器，将套管式冷凝器与机械通风冷凝器串联在系统中，制冷剂在内管下进上出，冷却水在套管式冷凝器内上进下出，但是套管式冷凝器中的冷却水只能承担部分的冷凝热负荷，如果不开启风机进行机械通风，系统的冷凝压力、蒸发压力和排气温度会有上升，如果排气温度过高，超过压缩机极限排气温度120℃，会导致压缩机的损坏，因此在制冷-热水模式中，机械通风也很重要。系统进行的冷凝热回收和用户对热水需求的时间是不同步的，有时间差，因此系统要设置一个保温的储水箱。同时系统设置一个电加热设备，当水温不能够达到用户的要求时，或者空调系统不开启时，通过电加热设备来满足用户日常的生活热水的需求。 根据上海地区一户三口之家，按房屋90m2为研究对象，根据气象条件，主卧和客厅面积与负荷等，以主次卧为某品牌KFR-35GW/K（35556）K1C-N2，制冷量为3500W；客厅选用KFR-50LW/（50566）Aa-3，制冷量为5200W。采用新型家用空调系统利用冷凝余热加热生活用水，每天仅仅需要72min就能够把300L水加热至50℃，而且完全能够满足家庭用户日常的生活用水，在减少电能使用的同时，更没有漏电危险。同时相较于传统的空调、电热水器分体式装置，其可在夏季节能929.7kWh，节能率约为19%，在空调期每日可减排冷凝热577425.6kJ，可缓解由于夏季空调冷凝热的大量排放而引起的城市热岛效应。 4 相变蓄热材料在制冷系统中的应用研究 热能储存是能源科学技术中的重要分支[28]。热能储存包括显热储存和潜热储存，显热储存是利用材料单一相态的热容储热；潜热储存，又称相变蓄能，是利用材料在相态变化中吸收和放出大量的相变潜热而进行的[29]。 相变材料，就是能利用其在相态变化时吸收或放出大量相变潜热用于储能的材料。相变储热材料有多种分类方式，按相变形式，可分为固-固、固-液、液-气、固-气储热材料；按照相变温度范围，可分为高温、中温和低温储热材料；按照其成分，可分为无机类、有机类（包含小分子和高分子合成材料）以及复合储热材料[30][31]。理想的相变储热材料应具备相变潜热高、可逆性好、导热性好、相变速率快、体积变化小、性能稳定、廉价易得、安全无毒、无腐蚀性等特点。与其他储热方式相比，相变储热具有储能密度大，热量输出的温度和热流密度稳定，可以作为节能系统和高新技术产品开发的基础，可以用于电热系统实行移峰填谷，也可以用于新能源、余热利用、新型家电的开发等领域[32][33]。 有机相变材料如石蜡、脂肪酸、多元醇、聚合物材料如聚乙二醇（PEG）和糖醇如D-苏糖醇、赤藓糖醇、D-甘露醇和季戊四醇等通常被认为用于低温应用。通常，大多数有机化合物的熔点低于100℃，高密度聚乙烯（HDPE）在所有选定的有机材料中具有150℃的最高熔点[34]。大多数盐水合物的熔点低于220℃，结晶水合盐类大都属于中低温相变材料，主要包括碱金属及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、醋酸盐、碳酸盐的水合物，比较常见的有Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O、CH3COONH4·3H2O等。这类相变材料的优点是价格便宜、体积蓄热密度大、熔解热大、导热系数比有机相变材料的实际应用大、一般呈中性，但在使用过程中会出现过冷、相分离等不利因素，储热性能不稳定[35]。无机盐拥有较高的熔点，用于高温的相变材料，如金属碳酸盐、氯化物、硫酸盐、氟化物和硝酸盐已被广泛用作需要工作温度超过500℃的高温热储存应用的相变材料[36]。有机相变材料主要用于低温中温的应用，脂肪酸类如硬脂酸，棕榈酸、月桂酸、癸酸等甚至有低于室温的熔点。而石蜡是一种非常具有发展潜力的中低温相变蓄热材料，它具有化学稳定、几乎无过冷、无毒无腐蚀和价格低廉的优点。石蜡的这些优点，使其广泛应用于太阳能热储存、地暖和空调冷凝热回收。但是，石蜡也具有同大部分有机相变蓄热材料一样的导热系数低的缺点[37][38]。 结合相变蓄热材料特点，将其用于制冷系统余热的利用，从而更好地改善系统。制冷系统余热主要为压缩机壳体热与冷凝热，根据冰箱压缩机壳体温度和冷凝器温度范围，中低温蓄热材料在制冷系统余热中较为适用。赵飞[16]在对风冷冰箱压缩机壳体蓄热联合热气旁通实验中，使用固体石蜡与液体石蜡，通过配比，得到相变点在60℃左右的蓄热材料，将其应用在热气旁通除霜实验中，另外，为了增强配比石蜡的导热性能，在相变蓄热材料中加入膨胀石墨；并且再热盘管采用了翅片管形式。根据其对压缩机吸气温度的测定，结果表明石蜡储存的热量很好地传递给制冷剂。李骜[24]在利用冷凝热对风冷冰箱除霜的实验中，选择了切片石蜡结合相变点在17℃的液体石蜡作为相变材料。其配置了四种不同比例的相变材料，通过对四种相变材料融化温度的测定与差示扫描量热法的测定，结果表明，随着液体石蜡比例的增加，相变材料的相变潜热，相变初始温度，相变峰值温度均有所下降，相变温度区间没有规律变化，说明添加液体石蜡能够有效降低石蜡相变蓄热材料的相变温度，但也造成了相变潜热性能的下降。该实验方案根据其冷凝器温度范围45～50℃，最终选择了成分比例为6：4的液体石蜡与切片石蜡混合物。对冷凝热回收除霜实验过程中增加了膨胀石墨来提高石蜡的导热性，但没有取得预期的效果，最终在蓄热器设计上添加铝翅片提高导热效率。Zhang[19]在空气源热泵上采用35%月桂酸和65%癸酸为蓄热材料，在热泵供暖时将压缩机壳体热量蓄存在相变蓄热器内，在除霜时，系统分两路，一边供热一边除霜，最终汇集一路在相变蓄热器内吸收蓄存的热量而蒸发。结果显示压缩机的吸气温度没有明显降低，表明蓄热材料已蓄存热量并将其很好的释放出来。 张红瑞[39]选取水合盐六水氯化铁（FeCl3·6H2O）对空调冷凝热进行回收，其利用相变材料冷却曲线测定了相变材料的相变潜热，比热以及热导率。结果表明，六水氯化铁的相变温度为37.4℃，融化潜热223kJ/kg；比热容1460J/(kg·k)；导热系数0.57w/(m2·K)，但在实验过程中出现了相分离现象，后期的实验应对水合盐相分离现象进行优化。谢豪等[40]在空气源热泵系统加装蓄热器来提升热泵性能。其蓄热器选择了80%Na2SO4·10H2O与20%Na2HPO4·10H2O为相变蓄热材料，20%Na2HPO4·10H2O的添加，提高了相变蓄热材料的稳定性与重复性，克服各自存在的分层与过冷现象；又结合蓄热器加装铝翅片优化，使得热泵系统平均制热量增加了19.9%，满足了恶劣工况的供热要求。田浩[26]在多联机空气源热泵上采用相变蓄能除霜系统，通过采用65mol%癸酸+35mol%十二酸为相变材料对一部分冷凝热进行蓄存，结合翅片型蓄热器，结果表明带有相变蓄能的多联机系统除霜时间大大减小。 5 结论 在低碳经济时代，对余热废热的回收利用成为降低能耗，减少热污染的有效途径。余热利用主要对于冰箱，热泵系统压缩机壳体热，冷凝器排放热回收利用，有利于降低运行成本，提高系统能力。本研究对当前冰箱、热泵系统的余热利用进行了概括综述。通过对一些具有代表性的研究进行分析，指明了目前冰箱、热泵系统在余热利用方面的研究方向与进展：压缩机壳体热量在风冷冰箱中可用来蒸发器除霜、恒温解冻，以及在模块化冰箱门板防露等，在热泵系统中可用来蒸发器除霜，强化制热等；冷凝热在风冷冰箱中可用来除霜，热泵系统中可用来除霜及强化制热，空调制冷时可加热生活用水等。压缩机在运行时会有热量通过壳体以对流和传导方式散失在周围空气中，冷凝器会将压缩的高温制冷剂向外界释放热量，众多学者发现这两部分热量，并试图将这部分热量利用起来，以解决制冷设备中所遇到的问题。风冷冰箱运行过程中蒸发器表面出现结霜现象，目前化霜方式以电加热为主，而电加热化霜效率低能耗高，北京工业大学刘忠宝课题组等采用热气旁通，热气反向等多种方式联合压缩机壳体或冷凝器蓄热，对风冷冰箱蒸发器进行除霜，研究结果表明了此类除霜时间与除霜能耗均低于电化霜模式，但该方式在产品应用，蓄热器、管道阀门、逻辑控制的设计等方面还需进一步优化，以实现在产品上的应用。哈尔滨工业大学等利用压缩机壳体，冷凝器热量在热泵系统上采取蓄热方式，用于除霜与强化制热方面，研究表明新系统的除霜时间优于原机逆循环除霜方式，除霜期间室内温度波动更小，用户舒适度得以提升，但在蓄热器设计，热量利用率，系统设计，控制等方面还需进一步研究设计以适用于产品。 尽管冰箱、热泵系统余热利用研究还没有在产品上大规模适用，但因其对余热的回收利用，对制冷设备的优化改进，相信以后可以在产品上出现。在蓄热器的发展中，后期研究应对整个设备元件与制冷系统更精确地优化匹配，达到理想效果。此外，优化系统和控制系统，减少设备的初投资，并预测和评估应用前景也是一个重要的研究方向，从而推动行业进步，实现节能效益。  |
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