何 峰，李廷賢，姚金煜，王如竹

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基于相變儲熱的太陽能多模式采暖系統(tǒng)及應用

何 峰1，李廷賢1，姚金煜2，王如竹1

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2江蘇昂彼特堡能源集團有限公司，江蘇 啟東 226200）

為克服太陽能間斷性和不穩(wěn)定性的缺點進而實現(xiàn)太陽能集熱與采暖的能量供需調(diào)節(jié)和全天候連續(xù)供熱，提出了基于相變儲熱的太陽能多模式采暖方法（太陽能集熱直接采暖、太陽能集熱采暖+相變儲熱、太陽能相變儲熱采暖），并在西藏林芝市某建筑搭建了太陽能與相變儲熱相結(jié)合的采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)太陽能集熱溫度和外界供熱需求實現(xiàn)太陽能多模式采暖的自動控制和自動運行。實驗研究表明：在西藏地區(qū)采用真空管太陽能集熱器可以和中低溫相變儲熱器很好地結(jié)合，白天儲熱器在儲熱過程中平均儲熱功率為10.63 kW，儲熱量達到92.67 kW·h，相變平臺明顯；晚上儲熱器在放熱過程中供熱量達85.23 kW·h，放熱功率和放熱溫度平穩(wěn)，儲放熱效率達92%，其儲熱密度是傳統(tǒng)水箱的3.6倍，可連續(xù)供熱時間長達10 h，從而實現(xiàn)了基于相變儲熱的太陽能全天候連續(xù)供熱，相關(guān)研究結(jié)果對我國西藏地區(qū)實施太陽能采暖具有一定的指導作用。

太陽能采暖；相變儲熱器；多模式采暖；儲熱；放熱

隨著社會的發(fā)展，人類對能源的需求不斷增加，溫室氣體排放越來越多，而傳統(tǒng)的化石能源儲量是有限的，因此如何高效利用能源以及開發(fā)利用新能源成為越來越重要的課題。相變儲能技術(shù)可以有效提高能源的利用率，同時能夠有效緩解能源的供求在時間和空間上不匹配的矛盾[1-2]。太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，但其本身的特點，如不穩(wěn)定、不連續(xù)、能量密度低、受天氣影響大等，給太陽能高效利用帶來諸多挑戰(zhàn)。利用相變材料儲存太陽能集熱產(chǎn)生的熱能可以有效緩解上述問題，通常在白天通過太陽能集熱器和相變儲熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能收集并儲存，在夜晚或者陰天時將熱能釋放出來進行利用。在所有的熱能儲存技術(shù)中，相變儲能因儲熱密度高和輸出溫度近似恒定的特點越來越受到重視[3-4]。

相變材料在熔化/凝固過程中可以吸收/釋放大量的能量，稱為相變潛熱，對應的熔化或凝固溫度稱為相變溫度，相變材料的相變潛熱一般較大，可達200～300 kJ/kg，甚至更高，相同條件下，儲熱能力是同體積水箱的3～6倍，因此利用相變材料儲熱可以大大減小儲熱裝置的體積[5-6]。近年來關(guān)于相變儲熱材料的研究越來越多，主要分為有機相變儲熱材料（如石蠟[7-8]、脂肪酸[9]等）、無機相變儲熱材料（如水合鹽[10]、金屬等）和混合類相變儲熱材料[11]，其中無機相變儲熱材料因具有熱導率高、儲熱密度高、安全穩(wěn)定、廉價易得等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注[12-14]。

目前相變儲能的研究大多集中在相變材料的研究，主要關(guān)注改善相變材料的過冷度和相分離等缺陷，獲得可以進行實際應用的相變材料。在實際應用方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了相變儲能與太陽能集熱相結(jié)合的應用的研究。MAZMAN等[15]在太陽能儲熱水箱中加入3種圓柱狀的相變儲能模塊，用PCM-石墨作為實驗用的相變材料，然后進行加熱、冷卻實驗，結(jié)果表明，水箱中加入相變材料可提高水箱上部溫度，延長釋熱時間。張永信等[16]采用FLUENT軟件分別對含有儲能模塊和不含儲能模塊的水箱進行了模擬，結(jié)果表明，水箱內(nèi)加入儲能模塊后改善了熱分層效果、提高了水箱釋熱總量，釋能效率提高7%。紀珺等[17]開發(fā)出了Ba(OH)2·8H2O復合相變材料，并利用該材料搭建了一套梯級相變蓄熱太陽能光伏/熱集熱器，該集熱器既能夠降低太陽電池工作溫度，又能滿足生活熱水需求。

上述研究主要聚焦于通過添加相變儲能模塊提高蓄熱水箱的蓄熱能力，而對于用相變儲能裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄熱水箱的研究相對較少。本文提出一種基于相變儲熱的太陽能多模式采暖方法，通過將太陽能集熱器與相變儲熱器耦合，搭建了太陽能與相變儲熱相結(jié)合的采暖系統(tǒng)，以高海拔地區(qū)西藏林芝進行測試，并分析了其實際應用過程中的運行效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 地理條件

本系統(tǒng)搭建于西藏林芝市，林芝市緯度29.4°，經(jīng)度94.2°，海拔2991.8 m，屬于高海拔地區(qū)，常年氣溫較低，且晝夜溫差較大，一般白天氣溫在零上，夜間氣溫較低，夜間最冷可達-13 ℃左右，因此夜間采暖熱負荷比白天大很多。林芝2017年全年平均氣溫如圖1所示。

圖1 林芝市月平均氣溫

西藏地區(qū)太陽能資源非常豐富，其中林芝市太陽年均總輻射量6120 MJ/m2，年日均輻射量16.77 MJ/m2，開發(fā)利用太陽能解決當?shù)夭膳瘑栴}是一個非常有效而又有意義的課題，但太陽能具有不連續(xù)性，因此蓄熱對該地區(qū)采暖顯得十分必要。

1.2 系統(tǒng)方案

圖2為相變儲熱與太陽能結(jié)合的采暖系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)可根據(jù)太陽能集熱溫度和外界供熱需求實現(xiàn)自動控制，可以實現(xiàn)以下幾種工作模式。

圖2 太陽能相變儲熱采暖系統(tǒng)

模式一：太陽能集熱直接采暖。當儲熱設(shè)備已經(jīng)儲滿熱量或太陽能集熱器產(chǎn)生的熱量較少，則太陽能集熱器產(chǎn)生的熱量直接供末端而不進儲熱 設(shè)備。

模式二：太陽能集熱采暖+相變儲熱。當太陽能充足且儲熱設(shè)備未儲滿能量時，太陽能集熱器產(chǎn)生的熱量一部分進入儲熱設(shè)備儲存起來，一部分進入末端進行供熱。

模式三：太陽能相變儲熱采暖。當太陽能不足或夜晚需要采暖時，由儲熱器給末端供暖。

系統(tǒng)中的電鍋爐作為輔助能源，當遇到雨雪天氣或者太陽能供熱不足的情況，需開啟輔助能源進行補充。系統(tǒng)布置了8個溫度測點（1~8）以及一個流量測點，并針對該系統(tǒng)設(shè)計了一套自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)在上述3種工作模式之間進行自動切換。各測點布置如圖2所示，在太陽能集熱器進出口、相變儲熱器進出口、相變儲熱器內(nèi)部、電鍋爐進出口及末端進口等位置布置有溫度傳感器，在泵前布置有流量傳感器。溫度傳感器和流量傳感器通過屏蔽線與信號采集模塊連接，采集模塊每60 s采集一次數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)根據(jù)溫度、流量信號控制系統(tǒng)中電動閥門的開閉以及水泵、電鍋爐等設(shè)備的啟停，來控制系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行。

本實驗系統(tǒng)中選用一臺理論儲熱量為90 kW·h的相變儲熱器，外觀尺寸為900 mm×900 mm×1600 mm，總質(zhì)量約1.3 t，設(shè)有一個進水口和一個出水口以及一個排污口，管徑均為DN40，在儲熱設(shè)備體心位置布置有一支熱電阻，如圖3所示。儲熱器內(nèi)部為翅片管式換熱結(jié)構(gòu)，總換熱面積達149.5 m2，在保證滿足實際使用換熱效果的前提下采用大片距、大的管間距和排間距，以提高儲熱材料的填充率。

圖3 相變儲熱器及示意圖

相變儲熱器內(nèi)填充有復合相變儲熱材料PCM60，該材料以三水乙酸鈉（SAT）為主體相變材料，并加入成核劑、增稠劑、改性劑等形成復合相變儲熱材料，三水乙酸鈉的含量為97%，該復合材料的冷卻凝固步冷曲線和加熱熔化DSC曲線如圖4(a)所示，可以看出純?nèi)宜徕c有嚴重的過冷，冷卻到40 ℃以下仍未發(fā)生固-液相變，而復合相變材料PCM60基本消除了過冷，具有明顯的相變平臺，其相變潛熱大于250 kJ/kg；經(jīng)過21次循環(huán)，該復合材料的相變潛熱有所下降，但最終保持在258 kJ/kg，起始相變溫度穩(wěn)定在57 ℃左右[圖4(b)]。

（b）PCM60相變潛熱與起始相變溫度變化

太陽能集熱器選用4組真空管太陽能集熱器，每組148支，輪廓采光面積共77.52 m2，布置于院內(nèi)地面，周圍無遮擋[圖5(a)]，太陽能集熱器傾角選擇為20°，方向朝南。電鍋爐功率根據(jù)末端負荷大小選用14 kW，水泵選用揚程25 m，流量2 m3/h的威樂水泵，系統(tǒng)機房布置如圖5(b)所示。

圖5 太陽能集熱器及機房布置

1.3 儲放熱性能表征

本實驗系統(tǒng)中相變儲熱器的性能可通過儲熱量、放熱量、儲熱功率、放熱功率、儲放熱效率等參數(shù)表征。

相變儲熱器在白天時的儲熱量c可由式(1)計算

相變儲熱器在夜晚的放熱量Q可由式(2)計算

式中，d為儲熱器放熱量，kJ；12為放熱開始和結(jié)束時間，時間單位t，其余參數(shù)含義與式(1)相同。

相變儲熱器在白天時的儲熱功率c反映了儲熱過程熱量由熱水傳到相變材料的快慢，可由式（3）計算

式中，c為儲熱功率，kW；其余參數(shù)含義與式(1)相同。

相變儲熱器在夜晚的放熱功率d反映了放熱過程熱量由儲熱器傳到換熱流體水的快慢，可由式(4)計算

式中，d為放熱功率，kW；其余參數(shù)含義與式(1)相同。

儲放熱效率為儲熱器放熱量與儲熱量之比，無量綱，其值越大表示儲熱器性能越好，計算公式見式(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 白天太陽能采暖及相變儲熱

圖6為白天太陽能集熱器進出口水溫度變化曲線，可以觀察到太陽能集熱器從早上8:30左右開始集熱，太陽能集熱器出口水溫開始上升，且隨著時間的變化，出口水溫上升先快后慢，到下午15:14太陽能集熱器出口水溫達到最高溫度90.3 ℃，之后開始下降，在下午18:00太陽能集熱器出口水溫曲線存在一個拐點，該點之后出口水溫加速下降，說明在該時刻之后太陽能集熱器逐漸停止集熱。圖中太陽能集熱器進口水溫在9:34突然升高，這是因為太陽能集熱器出口水溫高于52 ℃，于是自動控制系統(tǒng)將系統(tǒng)切換到模式一：太陽能集熱直接采暖。圖中太陽能集熱器進口水溫在11:05突然降低，這是因為太陽能集熱器出口水溫高于65 ℃，于是切換相變儲熱器進口處的電動三通閥門，將系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)為模式二：太陽能集熱采暖＋相變儲熱，相變儲熱器接入系統(tǒng)。在相變儲熱器接入系統(tǒng)之前，其內(nèi)部溫度低于40 ℃，所以太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水經(jīng)過溫度較低的相變儲熱器后，被儲熱器吸收大量熱，使得水溫迅速下降，之后由于太陽能集熱器繼續(xù)吸收太陽能，出口水溫進一步升高，以及相變儲熱器內(nèi)溫度也升高，所以太陽能集熱器進口水溫緩慢升高。圖中太陽能集熱器出口水溫有波動，這是由于當天有云，當云遮住太陽時，太陽能集熱器集熱能力下降，水溫上升緩慢甚至下降，而當云飄過后太陽能集熱器集熱能力恢復，水溫又上升，外界環(huán)境的變化導致太陽能集熱器出口水溫的波動。

圖6 太陽能集熱器進出口水溫度變化曲線

圖7為白天相變儲熱器進出口水溫及內(nèi)部溫度變化曲線。儲熱器進出口水溫在11:05突然增大，因為此時儲熱器進口處電動三通閥門自動切換，系統(tǒng)工作模式變?yōu)槟Ｊ蕉禾柲芗療岵膳?相變儲熱，此時太陽能集熱器內(nèi)的熱水進入儲熱器，儲熱器內(nèi)部溫度開始上升。開始階段儲熱器內(nèi)部溫度上升較快，因為起始階段儲熱器內(nèi)部相變材料為固態(tài)，此時吸收的熱量是顯熱，相變材料的顯熱小，且相變材料與熱水之間的溫差大，所以儲熱器內(nèi)部溫度上升迅速。當儲熱器內(nèi)部溫度上升到58 ℃左右時，在58 ℃附近形成一個較長時間的穩(wěn)定平臺，溫度變化平緩，此時儲熱器內(nèi)部的相變材料溫度達到相變溫度，相變材料吸收大量潛熱而溫度幾乎不變，直至相變完成溫度才繼續(xù)升高，但變化緩慢，這是由于傳熱介質(zhì)——水與相變材料的溫差減小，換熱驅(qū)動力減小，因此換熱能力弱，溫度變化小。圖中還可以看到，儲熱器進出口水溫波動較大，但儲熱器內(nèi)部溫度波動較小，由此可見相變蓄熱材料具有較大的比熱容，適合用于蓄熱的場景。

圖7 相變儲熱器進出口水溫及內(nèi)部溫度變化曲線

圖8為相變儲熱器儲熱功率及系統(tǒng)換熱流體的流量變化曲線，系統(tǒng)處于模式二：太陽能集熱采暖+相變儲熱。系統(tǒng)在11:05切換閥門到模式二，儲熱器接入系統(tǒng)，儲熱功率瞬間增加到18 kW左右，之后先下降較快，然后變化平穩(wěn)，對應儲熱材料相變階段，相變結(jié)束后儲熱功率繼續(xù)較快下降，直到儲熱完成，儲熱功率下降到接近零。儲熱過程平均儲熱功率為10.63 kW，根據(jù)式(1)計算儲熱器的儲熱量為92.67 kW·h。儲熱過程系統(tǒng)流量平穩(wěn)，始終在1.2 m3/h左右。

圖8 儲熱功率及系統(tǒng)流量變化

2.2 晚上太陽能相變儲熱器放熱采暖

圖9是晚上太陽能集熱器進出口水溫、相變儲熱器進出口水溫和儲熱器內(nèi)部溫度變化曲線。在19:48之前，系統(tǒng)處于模式二，溫度變化接上述白天太陽能采暖及相變儲熱。在19:48—23:48之間，系統(tǒng)狀態(tài)處于模式一：太陽能集熱直接采暖，這段時間仍然利用太陽能集熱器熱水的余熱進行供暖，太陽能集熱器進出口水溫一直在降低，直到23:48時，太陽能集熱器出口水溫降低到50 ℃，此時自動控制系統(tǒng)切換電動閥門，將太陽能集熱器從采暖系統(tǒng)中分離出去，此后太陽能進出口水溫不再在圖中顯示。由此可見，太陽能真空管集熱器具有很好的保溫效果和較大的容水量，在日落之后仍可利用余熱進行供暖且時間長達4 h左右。

圖中儲熱器內(nèi)部溫度在19:48出現(xiàn)一個下降的臺階，表明此時太陽能集熱器出口水溫不高于65 ℃，不能滿足儲熱器儲熱要求水溫，儲熱器內(nèi)部溫度已經(jīng)長時間高于60 ℃，表明儲熱器已儲滿能量，因此自動控制系統(tǒng)切換閥門將儲熱器分離出采暖系統(tǒng)，但在切換閥門之前，儲熱器進口溫度已經(jīng)低于儲熱器內(nèi)部溫度，導致儲熱器放熱一段時間，之后儲熱器內(nèi)部溫度維持平穩(wěn)直到23:48，由此可見儲熱器的保溫效果良好，漏熱損失少。23:48開始到第二天早上9:48，系統(tǒng)處于模式三：太陽能相變儲熱采暖，在23:48儲熱器內(nèi)部溫度先迅速下降，此時為顯熱釋放階段；之后儲熱器內(nèi)部溫度保持較平穩(wěn)的狀態(tài)，儲熱器內(nèi)部處于液-固相變過程，由相變儲熱材料的潛熱進行供熱，在相變過程中釋放大量的潛熱而自身溫度幾乎不下降，直到6:00左右開始快速下降，表明此時相變完成，相變潛熱釋放完畢，開始由相變材料的顯熱進行供熱，直到9:48系統(tǒng)再次進入模式一工作狀態(tài)。相變儲熱器19:48到23:48被分離出采暖系統(tǒng)，儲熱器進出口溫度測點所在位置為自然冷卻，其溫度不斷降低，到23:48由儲熱器供暖，儲熱器進出口水溫突然升高，其中儲熱器出口溫度升高到54 ℃，滿足供暖要求，儲熱器進出口水溫變化趨勢與儲熱器內(nèi)部溫度一致。系統(tǒng)在模式三工作狀態(tài)時，沒有輔助能源參與，連續(xù)供熱時間長達10 h，可以滿足夜間采暖時長需求。

圖9 太陽能集熱器進出口水溫、相變儲熱器進出口水溫和內(nèi)部溫度曲線

圖10為相變儲熱器放熱功率及系統(tǒng)換熱流體的流量變化曲線，系統(tǒng)處于模式三：太陽能相變儲熱采暖狀態(tài)下。系統(tǒng)在第一天23:48切換閥門到模式三，太陽能集熱器分離出采暖系統(tǒng)，儲熱器接入系統(tǒng)，放熱功率在切換閥門瞬間突然跳躍到很大，之后隨即降低到10 kW左右，然后出現(xiàn)一段較為平穩(wěn)的階段，對應儲熱材料相變階段，相變結(jié)束后放熱功率繼續(xù)下降，其變化趨勢與儲熱設(shè)備內(nèi)部溫度變化一致。放熱過程平均儲熱功率為8.54 kW，根據(jù)式(2)計算儲熱器的放熱量為85.23 kW·h。放熱過程系統(tǒng)流量較平穩(wěn)，始終在1.5 m3/h左右，比儲熱過程流量大，原因是放熱過程換熱流體沒有流過太陽能集熱器，流動阻力比儲熱過程小，因此流量大。

圖10 放熱功率及系統(tǒng)流量變化

根據(jù)式(5)可計算相變儲熱器的儲放熱效率為92%，具有較高的效率。相變儲熱器在利用相變潛熱供暖時，其出口水溫幾乎保持恒定，進入末端的熱水溫度也幾乎保持恒定，見圖9儲熱器出口水溫。傳統(tǒng)的太陽能采暖系統(tǒng)利用水箱蓄熱，雖然也是將白天的太陽能集熱器產(chǎn)生的熱能儲存起來到晚上使用，但儲熱介質(zhì)是水，其溫度波動較大，在放熱過程中溫度不斷降低，需要有輔助能源工作才能維持足夠的采暖溫度，且水箱體積大，若溫差取30 ℃，與本文儲熱器儲熱量（90 kW·h）相同的儲熱水箱，其體積（除去保溫外殼）為2.6 m3，是本文儲熱器內(nèi)膽體積（0.72 m3）的3.6倍。相變儲能采暖系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)水箱的溫度波動大、溫度下降快、體積大等缺點，可大大減小儲熱裝置的體積，無需輔助能源不斷補充能量，采暖效果更好。

3 結(jié) 論

采用一臺填充PCM60相變材料的儲熱量為90 kW·h的相變儲熱器，并結(jié)合了真空管太陽能集熱器，提出了基于相變儲熱的太陽能多模式采暖方法（太陽能集熱直接采暖、太陽能集熱采暖+相變儲熱、太陽能相變儲熱采暖），在西藏林芝市某建筑搭建了相變儲熱與太陽能結(jié)合的采暖系統(tǒng)，通過自控系統(tǒng)控制采暖系統(tǒng)在不同模式之間切換，分析了實際應用場合下的性能，得到結(jié)論如下。

（1）白天太陽能采暖及相變儲熱過程中，真空管太陽能集熱器可以在較短時間內(nèi)將水加熱到65 ℃以上，并能長時間維持在PCM60相變溫度以上，完全可以滿足相變儲熱器的儲熱；儲熱器內(nèi)部溫度先上升較快，到58 ℃附近出現(xiàn)相變平臺并持續(xù)較長時間直至相變完成，之后溫度繼續(xù)上升。儲熱過程儲熱器平均儲熱功率10.63 kW，最終儲熱量達到92.67 kW·h，表明相變儲熱器可以很好地與太陽能采暖系統(tǒng)相結(jié)合。

（2）晚上太陽能相變儲熱器放熱采暖過程中，儲熱器內(nèi)部溫度先迅速下降，到58 ℃附近出現(xiàn)相變平臺并維持較長時間，直至相變潛熱釋放完，之后溫度繼續(xù)降低。放熱過程表明相變儲熱器可連續(xù)供熱長達10個小時而無需輔助能源，放熱過程溫度穩(wěn)定，放熱功率平穩(wěn)，放熱量達到85.23 kW·h，儲放熱效率為92%，具有良好的采暖效果。相比于傳統(tǒng)的水箱儲熱，相變儲熱器的儲熱密度是水箱的3.6倍，具有明顯的優(yōu)勢。

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Solar multi-mode heating system based on latent heat thermal energy storage and its application

1,1,2,1

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2Jiangsu Unbeatable Energy Group Co., Ltd.，Qidong 226200, Jiangsu, China)

To overcome the discontinuity and instability of solar energy and achieve energy supply and demand regulation and all-weather continuous heating supply of a solar heating system, a solar multi-mode heating method based on latent heat thermal energy storage is proposed. A solar heating system combining integrating vacuum-tube collectors with a latent heat thermal energy storage device is established in a building in Linzhi city, Tibet. The system can perform automatic control and operation of solar multi-mode heating according to the operating condition of solar collectors and external heating demand. Experimental studies show that the vacuum-tube solar collectors can work collaboratively with the latent heat thermal energy storage device. During the daytime, the latent heat thermal energy storage device performs a heat storage with an average charging power of 10.63 kW and a storage capacity of 92.67 kW·h, and the temperature platform of phase change can be apparently observed. At night, the thermal energy storage device can provide a 10-hour continuous discharging process with a total heat output of 85.23 kW·h at a stable discharging power and temperature. The charging-discharging efficiency of the storage device is 92%, and its heat storage density can reach 3.6 times that of a traditional hot-water storage tank. The results indicate that the solar heating system can achieve all-weather continuous heating supply. The present study can provide guidelines for implementation of solar heating in Tibet.

solar heating; latent heat thermal energy storage device; multi-mode heating; thermal storage; thermal release

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0216

TK 02

A

2095-4239（2019）02-311-08

2018-10-26；

2018-12-21。

國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（51522604），國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFB0601204）。

何峰（1993—），男，碩士研究生，研究方向為相變儲能材料，E-mail：hefeng61@sjtu.edu.cn；

李廷賢，副教授，主要研究方向為節(jié)能與儲能中的工程熱物理問題、先進儲能新技術(shù)。E-mail：Litx@sjtu.edu.cn。