相變材料在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了相變材料在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)適用于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的脂肪酸類(lèi)相變材料。以某太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，在蓄熱水箱中安裝相變蓄熱裝置，滿(mǎn)足夜間
摘要：介紹了相變材料在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)適用于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的脂
肪酸類(lèi)相變材料。以某太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，在蓄熱水箱中安裝相變蓄熱裝置，滿(mǎn)足夜間值班供暖熱負(fù)荷。與安裝相變蓄熱裝置前比較，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值下降，經(jīng)濟(jì)性提高。
關(guān)鍵詞：相變材料；相變潛熱；太陽(yáng)能；熱泵系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)性
Application of Phase-change Materials to Solar Heat Pump System
GUO Chunmei，ZHANG Zhigang，LV Jian，GUO Shiwei
Abstract：The application status of phase-change materials in solar heat pump system is introduced to develop fatty acids-like phase-change materials suitable for solar heat pump system.Taking a solar air-source heat pump system as research object.a phase-change heat storage device is installed in the heat storage water tank to meet heating heat load during night watch.Compared with before installing the phase-change heat storage device，the dynamic annual cost of system is reduced，and the economic efficiency is improved.
Key words：phase-change material；phase-change latent heat；solar energy；heat pump system；economic efficiency
    相變過(guò)程是一種伴隨有較大熱量吸收或釋放的等溫或近似等溫過(guò)程，相變潛熱一般較大，因此相變材料的蓄放熱特性在建筑供暖中有著較高的應(yīng)用價(jià)值[1～6]。太陽(yáng)能熱泵是太陽(yáng)能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可提高太陽(yáng)能集熱器的效率和熱泵系統(tǒng)的性能[7～9]。太陽(yáng)能是可再生能源，但存在能流密度低、不均勻性、間歇性，因此利用相變材料的蓄熱能力將熱量?jī)?chǔ)存在相變蓄熱水箱中，可使太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)保持穩(wěn)定、高效的運(yùn)行狀態(tài)。本文對(duì)相變材料在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。
1 相變材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
    國(guó)內(nèi)外對(duì)相變材料在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究。K.Kaygusuz等人[10～11]對(duì)相變材料CaCl2·6H2O在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究表明太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)使用相變蓄熱技術(shù)后具有較好的供熱性能，特別是在夜間。王芳等人[12～13]針對(duì)太陽(yáng)能地源熱泵的供熱量波動(dòng)性問(wèn)題，在系統(tǒng)中設(shè)置相變蓄熱裝置，利用CaCl2·6H2O的蓄放熱特性，通過(guò)對(duì)帶有相變蓄熱裝置的太陽(yáng)能地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式及轉(zhuǎn)換條件的研究，使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行工況，提高了系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)。姜益強(qiáng)等人[14]研究了太陽(yáng)能季節(jié)性相變蓄熱熱泵系統(tǒng)的原理、組成及運(yùn)行模式，并建立了數(shù)學(xué)模型。將CaCl2·6H20作為相變材料，以該系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)某別墅的應(yīng)用為例，對(duì)不同太陽(yáng)能集熱器面積和相變蓄熱體體積下的集熱量、蓄熱裝置進(jìn)出口流體溫度、相變材料平均溫度及相變蓄熱裝置散熱損失進(jìn)行了模擬與分析。韓宗偉等人[15]以CaCl2·6H20為相變材料，研究了由太陽(yáng)能集熱器、相變蓄熱水箱、熱泵機(jī)組、地埋管換熱器、末端裝置5部分組成的太陽(yáng)能土壤源熱泵相變蓄熱供熱系統(tǒng)。相變蓄熱水箱協(xié)調(diào)了集熱器集熱量和建筑物負(fù)荷在時(shí)間上的相位差，提高了集熱器的集熱效率，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加靈活。
    由以上的研究可知，在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用相變材料可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供熱工況，提高系統(tǒng)性能。在這些研究中所使用的相變材料為CaCl2·6H20，該相變材料具有價(jià)格低廉、相變潛熱較高的優(yōu)點(diǎn)，相變溫度范圍為29～34℃，但相對(duì)于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行溫度范圍偏高，對(duì)太陽(yáng)能集熱器集熱效率有一定影響，也不利于系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
2 相變材料的開(kāi)發(fā)與性能測(cè)試
    根據(jù)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在我國(guó)寒冷地區(qū)的運(yùn)行特點(diǎn)，相變材料應(yīng)該具有如下特征：
    ① 相變溫度適宜。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，相變狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)該在太陽(yáng)能集熱器運(yùn)行溫度范圍內(nèi)階段性變化。由于太陽(yáng)能集熱器受氣象因素的影響，具有出水溫度不穩(wěn)定的特性，因此定相變溫度相變材料很難適應(yīng)太陽(yáng)能熱泵機(jī)組的要求，而非定相變溫度(具有一定相變溫度區(qū)間)相變材料能很好地滿(mǎn)足要求。這個(gè)溫度區(qū)間既能滿(mǎn)足熱泵高效工作的要求，也能使集熱器工作在高效的狀態(tài)。相變材料的相變溫度范圍宜為20～35℃。
    ② 相變潛熱大。相變材料的相變潛熱越大，蓄放熱能力就越強(qiáng)。
    ③ 相變過(guò)程緩慢完全。由于相變材料的蓄放熱周期是一個(gè)晝夜，因此應(yīng)在此時(shí)段內(nèi)能夠完成一個(gè)完整的蓄放熱過(guò)程。
    ④ 相變材料可多次重復(fù)使用，性能穩(wěn)定。
    ⑤ 無(wú)毒無(wú)害無(wú)腐蝕性。相變材料對(duì)封裝材料無(wú)腐蝕性，無(wú)毒無(wú)害，一旦滲漏對(duì)人體無(wú)害。
    脂肪酸類(lèi)低共融混合物具有相變溫度低、相變潛熱大、性能穩(wěn)定、無(wú)過(guò)冷度(過(guò)冷度低)和價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，適用于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)。將不同脂肪酸類(lèi)物質(zhì)按一定比例混合后，放到不銹鋼容器中邊加熱邊攪拌，待其完全熔融后，冷凝成低共融混合物。取試樣5mg，利用差式掃描熱量計(jì)對(duì)混合物的相變溫度和相變潛熱進(jìn)行測(cè)定。特定混合比例下相變材料的相變溫度范圍為22～34℃，相變潛熱為181kJ/kg，相變溫度適宜，相對(duì)于CaCl2·6H20的相變溫度范圍更寬泛，有助于提高太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行的穩(wěn)定性。
3 工程實(shí)例經(jīng)濟(jì)性分析
3.1 工程概況
    供熱對(duì)象為建筑面積為4000m2的天津市區(qū)某公共建筑。原太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1，夜間設(shè)置值班供暖，供暖熱負(fù)荷主要由空氣源熱泵承擔(dān)，當(dāng)室外溫度很低時(shí)，啟動(dòng)電加熱器來(lái)輔助空氣源熱泵供熱。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在蓄熱水箱中加入裝有相變材料的蓄熱裝置，從而使集熱器的集熱效率大幅提高。原系統(tǒng)造價(jià)為165.1×104元，改造后新增設(shè)備造價(jià)為7.8×104元。夜間室內(nèi)供暖計(jì)算溫度為5℃，不同室外溫度持續(xù)時(shí)間及對(duì)應(yīng)的供暖熱負(fù)荷見(jiàn)表1，經(jīng)計(jì)算可得，供暖期總供熱量為254.74GJ。
 

表1 不同室外溫度持續(xù)時(shí)間及對(duì)應(yīng)的供暖熱負(fù)荷
室外溫度/℃
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
時(shí)間/h
9
37
111
189
304
580
385
225
183
供暖熱負(fù)荷/(W·m-2)
26.8
23.4
20.1
16.7
13.4
10.0
6.7
3.3
0.0
3.2 經(jīng)濟(jì)性分析
    采用動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值法對(duì)改造前后的太陽(yáng)能空氣源熱泵進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值F的計(jì)算式為[16]：
 
式中F——動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值，元/a
    i——年利率
    m——使用年限，a
    F0——系統(tǒng)造價(jià)，元
    F′——運(yùn)行費(fèi)用，元/a
    天津地區(qū)低谷電價(jià)為0.3778元/ (kW·h)。原系統(tǒng)為維持冬季夜間室內(nèi)供暖計(jì)算溫度，耗電量為37962 kW·h/a，則電費(fèi)為14342元/a，由于用水量很小，水費(fèi)可不計(jì)入運(yùn)行費(fèi)用中。改造后的系統(tǒng)耗電量為13103kW·h/a，同樣不計(jì)入水費(fèi)，則運(yùn)行費(fèi)用為4950元/a，每年可節(jié)約9392元/a，約8.3年可收回新增設(shè)備造價(jià)。設(shè)定太陽(yáng)能空氣源熱泵系統(tǒng)的使用年限為15年，由式(1)計(jì)算得到，改造后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值比改造前低1149元/a，因此改造后的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。
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(本文作者：郭春梅 張志剛 呂建 郭式偉 天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系 天津300384)