(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢查技術(shù)研究院，天津 300192)

在建筑能耗中，冬季的供暖能耗約在建筑總能耗中的比例達(dá)到40%。這意味著，降低冬季供暖能耗就意味著可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。當(dāng)前冬季供暖方式主要有兩大類，即集中供暖與分布式供暖。集中供暖主要是通過(guò)鍋爐供暖，分別有燃煤、燃?xì)狻⑷加腿N方式，同時(shí)因?yàn)榄h(huán)保要求越來(lái)越高，導(dǎo)致鍋爐供暖的成本也在不斷上升[1]。而分布式供暖，主要存在于不具備集中供暖條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)供暖方式有傳統(tǒng)煤爐、空調(diào)供暖兩種，同樣傳統(tǒng)煤爐由于空氣污染嚴(yán)重的原因正迅速減少。當(dāng)室外環(huán)境溫度極低時(shí)，一般的空氣源式的空調(diào)供暖效果則是很不理想，室內(nèi)溫度基本在16℃左右[2]。同時(shí)人們對(duì)于太陽(yáng)能利用的興趣則是越來(lái)越大[3]，與太陽(yáng)能結(jié)合的地源熱泵、空氣源熱泵等研究越來(lái)越多[4-5]。

相變蓄熱技術(shù)因其熱能儲(chǔ)存密度高、相變溫度恒定、易控制等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能利用、熱能儲(chǔ)存方面研究的越來(lái)越多[6-7]。

但是，相變材料大多采用的是石蠟、醇類有機(jī)物、熔鹽等等[8-10]，存在著成本和相變溫度較高的問(wèn)題，而且在冬季供暖應(yīng)用時(shí)效果并不理想。因此，本文提出了一套以水為相變介質(zhì)的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，并在極端條件下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)完全能滿足供暖需求。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在該太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)：在日間，通過(guò)集熱板將太陽(yáng)能的熱量收集，其中一部分熱量?jī)?chǔ)存在相變蓄熱池中，另一部分熱量提供給熱泵，用于室內(nèi)供暖；在夜間，準(zhǔn)確說(shuō)來(lái)是太陽(yáng)能集熱板無(wú)法集熱時(shí)，供暖系統(tǒng)將以相變蓄熱池為熱源，通過(guò)熱泵將熱量提取出來(lái)用于室內(nèi)供暖。

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，選擇水作為相變介質(zhì)。首先，水相比其它相變介質(zhì)，在大自然中是普遍存在的，意味著成本低。當(dāng)然，更為重要的是其相變潛熱巨大，而且液固轉(zhuǎn)變溫度在0℃附近，而這恰恰適合于冬季供暖，只要日間有太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)能就能以潛熱的形式儲(chǔ)存在水中，熱能儲(chǔ)存率高。

太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，如圖1所示，包括太陽(yáng)能集熱板、熱泵、室外機(jī)、相變蓄熱池、閥門(mén)、系統(tǒng)管路等等。其中，熱泵可以通過(guò)室外機(jī)以空氣作為熱源，亦可以將相變蓄熱池作為熱源。太陽(yáng)能集熱板，是將太陽(yáng)能進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換的裝置，在冬季和夏季都可以使用。相變蓄熱池內(nèi)是以水為相變介質(zhì)，其比熱容要比空氣大得多，即在顯熱釋放階段水就能比空氣提供更多的熱量，而且當(dāng)環(huán)境氣候條件極端惡劣，水溫降低到0℃附近時(shí)，將進(jìn)行相變潛熱釋放，能夠?yàn)槭覂?nèi)供暖提供足夠的熱量。室外機(jī)，是對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)起一個(gè)短時(shí)間輔助的作用，當(dāng)相變蓄熱池所能提供的熱量很少時(shí)啟動(dòng)。相變蓄熱池，放置方式為臥式的，埋在地面以下是為了減少熱能損失。

2 實(shí)驗(yàn)流程

此次研究的目的，主要是測(cè)試該太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)是否能在極端惡劣環(huán)境下滿足室內(nèi)供暖需求。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分兩部分，即放熱實(shí)驗(yàn)與蓄熱實(shí)驗(yàn)，需要說(shuō)明的是放熱實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，相變蓄熱池內(nèi)相變介質(zhì)，即水的溫度在9℃左右。在放熱實(shí)驗(yàn)中，先將太陽(yáng)能集熱板用遮陽(yáng)布遮住，以相變蓄熱池為熱源，通過(guò)熱泵為室內(nèi)供暖提供熱量。之后進(jìn)行蓄熱實(shí)驗(yàn)，再將太陽(yáng)能集熱板的遮陽(yáng)布去掉，以太陽(yáng)能集熱板為熱源，在為室內(nèi)供暖的同時(shí)，將一部分熱量?jī)?chǔ)存在相變蓄熱池中。

在本實(shí)驗(yàn)中，采用的是熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，分別安置在太陽(yáng)能集熱板、相變蓄熱池、熱泵的進(jìn)出口，相變蓄熱池內(nèi)、室內(nèi)以及室外。熱電阻的精度達(dá)到0.1℃，且都經(jīng)過(guò)校正。同時(shí)，相變蓄熱池內(nèi)相變介質(zhì)體積變化是依靠液位測(cè)量的。

系統(tǒng)管路內(nèi)的傳熱介質(zhì)是乙二醇水溶液，比例為2∶1，凝固溫度為-20℃，基本可以適用于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。傳熱介質(zhì)的流量是通過(guò)手持式超聲波測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，精度達(dá)到0.01 m3/h。在實(shí)驗(yàn)中，傳熱介質(zhì)的流量在3 m3/h左右。

放熱階段，是從2月25日20點(diǎn)開(kāi)始，至2月29日10點(diǎn)截止，持續(xù)時(shí)間87 h，有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間50 h，相變蓄熱池內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)溫度從9℃下降到-2℃，實(shí)際液位上升83 mm，即體積膨脹率為5.09%。其中有效時(shí)間，是指熱泵正常運(yùn)行且相變蓄熱池?zé)崃枯敵鰰r(shí)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間段。

在蓄熱階段，是從2月29日11點(diǎn)開(kāi)始，至3月4日15點(diǎn)截止，持續(xù)時(shí)間100 h，實(shí)際有效時(shí)間30 h，相變蓄熱池內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)溫度從-2℃上升到3.6℃，實(shí)際液位下降48 mm，即相變蓄熱池內(nèi)部的冰并未完全融化為水。有效時(shí)間，是指太陽(yáng)能集熱板能將吸收的太陽(yáng)能熱量?jī)?chǔ)存在相變蓄熱池內(nèi)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

3 性能分析

供暖系統(tǒng)的性能指標(biāo)有能耗、成本、室內(nèi)溫度等等，而室內(nèi)溫度應(yīng)該是用戶最關(guān)心的。當(dāng)然，也可以通過(guò)對(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，瞬時(shí)換熱量的描述來(lái)表征相變蓄熱池的性能。

在圖2(a)中，顯示的是相變蓄熱池內(nèi)相變介質(zhì)、室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境中的溫度變化趨勢(shì)。室外環(huán)境的溫度變化趨勢(shì)是有四個(gè)上升階段和四個(gè)下降階段，這就表明該放熱實(shí)驗(yàn)持續(xù)了4天4夜。

相變蓄熱池內(nèi)相變介質(zhì)的溫度趨勢(shì)如圖2(a)所示，從9℃下降到-2℃，從該溫度變化趨勢(shì)中可以看到相變介質(zhì)經(jīng)歷了液相顯熱釋放階段和潛熱釋放階段，潛熱釋放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2 000 min以上，但并未出現(xiàn)固相顯熱釋放階段，即并未實(shí)現(xiàn)完全放熱。而通過(guò)溫度變化趨勢(shì)，可以看出室內(nèi)環(huán)境溫度一直處于20～25℃之間。這說(shuō)明，在熱泵運(yùn)行期間，以相變蓄熱池為熱源時(shí)，可以達(dá)到室內(nèi)供暖要求。

圖2(b)顯示的是在以相變蓄熱池為熱源的放熱實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)相變蓄熱池、集熱板、熱泵進(jìn)出口測(cè)得的溫度所計(jì)算的換熱量變化趨勢(shì)?？梢钥吹?，相變蓄熱池的放熱量與集熱板的吸熱量變化趨勢(shì)是成反比關(guān)系的。在日間，隨著太陽(yáng)能輻射的增強(qiáng)、峰值、下降，圖2(a)中的室外空氣的溫度也在同步正向變化，使得傳熱介質(zhì)流經(jīng)集熱板時(shí)的吸熱量變化趨勢(shì)也是增強(qiáng)、峰值、下降，對(duì)應(yīng)的傳熱介質(zhì)在相變蓄熱池進(jìn)口處的溫度與相變介質(zhì)的溫度差變化趨勢(shì)是降低、谷底、上升。

熱泵制熱量在不同的有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間段，基本上是階段性上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵陂_(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)管路系統(tǒng)內(nèi)部就存在空氣，在實(shí)驗(yàn)期間也在一直進(jìn)行著排氣與增加傳熱介質(zhì)，這樣換熱量就在不斷上升。同時(shí)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)，制熱量呈現(xiàn)的是階段性的異常突起后逐漸下降趨勢(shì)，這是因?yàn)闊岜猛Ｖ惯\(yùn)行時(shí)，熱泵進(jìn)出口處的傳熱介質(zhì)基本沒(méi)有溫度差，一旦熱泵重啟運(yùn)行后，就會(huì)產(chǎn)生很大的制熱量，即溫度差急劇上升，開(kāi)始正常運(yùn)行后，傳熱介質(zhì)溫度差減小。

圖3(a)顯示的是在相變蓄熱池蓄熱階段的溫度變化趨勢(shì)。要說(shuō)明的是，有效的蓄熱時(shí)間是指相變蓄熱池能夠儲(chǔ)存熱量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而這個(gè)熱量是來(lái)自于集熱板吸收的太陽(yáng)能，但每天太陽(yáng)能輻射時(shí)間是有限的，所以該蓄熱實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)多天。

可以明顯看出，相變蓄熱池內(nèi)的相變介質(zhì)溫度變化趨勢(shì)有兩個(gè)階段，即相變潛熱儲(chǔ)存階段和液相顯熱儲(chǔ)存階段，且潛熱儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 500 min?？梢宰⒁獾剑嘧兘橘|(zhì)溫度在t=1 750 min時(shí)，溫度突然從5℃下降到2℃，之后再開(kāi)始上升。同時(shí)，室內(nèi)環(huán)境的溫度變化在20～25℃區(qū)間內(nèi)，滿足供暖需求。

圖3(b)顯示的是在蓄熱實(shí)驗(yàn)中，相變蓄熱池蓄熱量、輻射板吸熱量、熱泵制熱量的變化趨勢(shì)。首先觀察熱泵制熱量的變化趨勢(shì)，可以看出在大部分蓄熱時(shí)間段內(nèi)熱泵制熱量維持在1 500～2 000 kW·h之間。同時(shí)，觀察蓄熱池?fù)Q熱量和集熱板吸熱量的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)變量趨勢(shì)所形成的圖型是近似對(duì)稱的?？梢宰⒁獾?，相變蓄熱池?fù)Q熱量是負(fù)值，這是因?yàn)閾Q熱量是以進(jìn)出口溫度差計(jì)算的，其值為負(fù)正表明相變蓄熱池是在蓄熱，其值越低表明蓄熱量越多。集熱板吸收的太陽(yáng)能熱量越多，相變蓄熱池所儲(chǔ)存的熱量也就越多。同時(shí)也能看出，在大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)，集熱板吸熱量為熱泵制熱量和相變蓄熱池蓄熱量之和。

4 結(jié)論

(1)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，即使室外環(huán)境溫度最低在-10℃以下時(shí)，該太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)運(yùn)行中室內(nèi)環(huán)境溫度能一直保持在20℃以上，完全可以滿足室內(nèi)供暖的需求。

(2)以相變蓄熱池為熱源進(jìn)行供熱，在供暖50 h之后，相變介質(zhì)體積僅膨脹5.09%，意味著還有相當(dāng)大量的潛熱并未釋放，同時(shí)也意味著該系統(tǒng)還能持續(xù)供熱至少10 h以上。

(3)該太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)完全可以應(yīng)用于不適用鍋爐集中供暖的地區(qū)，即使是嚴(yán)寒地區(qū)。