太陽能低溫相變蓄熱裝置的設(shè)計與應(yīng)用

趙靜 周增產(chǎn) 卜云龍 李思 李秀剛 陳立振

摘要 太陽能采暖具有間歇性，易受天氣等影響，是制約其普及的一個重要因素。將太陽能與低溫相變蓄熱裝置相結(jié)合，在日光充足時利用太陽能采暖并蓄熱，在夜間或光照不足時釋放熱量供給溫室采暖，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和太陽能的利用率，并提高太陽能采暖系統(tǒng)的靈活性，為冬季溫室采暖節(jié)省成本。結(jié)合試驗(yàn)溫室基本情況，經(jīng)過初步計算，設(shè)計出適合的太陽能集熱系統(tǒng)及與其聯(lián)用的低溫相變蓄熱裝置，以期為冬季溫室采暖提供新思路，降低農(nóng)戶運(yùn)行費(fèi)用，為溫室的管理及植物的生長提供必要的條件，同時減少環(huán)境污染，為太陽能集熱系統(tǒng)相變蓄熱裝置的設(shè)計優(yōu)化及應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 太陽能；低溫相變；溫室；蓄熱裝置

中圖分類號 S214 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）01-0197-03

Design and Application of Solar Energy Low Temperature Phase Change Heat Storage Device

ZHAO Jing1，2， ZHOU Zengchan1，2， BU Yunlong1，2 et al

（1.Beijing Kingpeng International Hitech Corporation， Beijing 100094；2.Beijing Plant Engineering Technology Research Center， Beijing 100094）

Abstract The solar heating is intermittent and easy to be affected by the weather， and it is an important factor to restrict its popularity. Combined with low temperature phase change thermal storage device， the use of solar heating in the sunlight and heat storage， heat supply of greenhouse heating at night or when light is insufficient， help to improve the stability of the system and the utilization of solar energy， solar heating and improve the flexibility of the system， save the cost for greenhouse heating in winter. Combined with the basic situation of the greenhouse experiment， through preliminary calculation， a suitable solar heating system and a lowtemperature phase change thermal storage device was designed. The aims were to provide new ideas for greenhouse heating in winter， reduce farmers operating costs， offer the necessary conditions for greenhouse management and plant growth， and reduce environmental pollution， provide a reference for the optimization design and application of solar thermal system phase change device.

Key words Solar energy；Low temperature phase change；Greenhouse；Heat storage device

太陽能熱水器是典型的太陽能熱利用系統(tǒng)，它以環(huán)保、安全、節(jié)能、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)迅速贏得了廣大消費(fèi)者的青睞。從最初的悶曬型、平板型到現(xiàn)在的全玻璃真空管、玻璃-金屬真空管型，太陽能集熱技術(shù)有了飛躍的發(fā)展，大大提高了太陽能的利用效率，豐富了太陽能熱水器的種類[1]。目前市面上大多數(shù)太陽能熱水器在蓄熱方面采用水作為儲存介質(zhì)，但水的儲能密度較小，為顯熱儲能。近年來，開發(fā)新型相變儲熱太陽能熱水器及研究與太陽能熱利用技術(shù)結(jié)合的相變技術(shù)成為各國研究熱點(diǎn)。筆者主要針對相變蓄熱技術(shù)在太陽能集熱系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行研究及進(jìn)一步探討，設(shè)計一種與太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)用的相變蓄熱裝置，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日光溫室上，該裝置可保持較高的蓄熱能力，且具有良好的傳熱性能，能高效率利用太陽能。

1 試驗(yàn)溫室概況

試驗(yàn)溫室是位于39°48′ N，116°28′ E的東西走向日光溫室，該日光溫室南坡面為透光設(shè)計，太陽能直接照射到大棚內(nèi)，太陽能采暖的主要熱量可儲存起來供夜間使用。目前該試驗(yàn)溫室采用暖氣采暖，采暖時間為11月15日至次年3月15日，為期120 d。

1.1 基礎(chǔ)水溫的計算

低溫相變裝置應(yīng)用于太陽能集熱系統(tǒng)，需要計算熱水系統(tǒng)的耗熱量。耗熱量的確定則需要通過冷水的溫度進(jìn)行計算。確定系統(tǒng)最大耗熱量負(fù)荷時冷水的計算溫度以當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄疁刭Y料為依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)溫室當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料及特點(diǎn)（表1），基礎(chǔ)水溫選取13 ℃。

1.2 太陽輻射量的計算

依據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集06SS128 《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》中附錄一：《主要城市各月設(shè)計用氣象參數(shù)》，選用地理位置116°28′ E，39°48′ N的北京市年輻照量資料，見表2。

北京市冬季采暖期（11月至翌年3月）太陽能集熱器傾斜面上的日均輻照量為15.26 MJ/m2，以確定試驗(yàn)溫室地區(qū)的太陽能輻射量。

2 低溫相變蓄熱裝置的設(shè)計

2.1 與太陽能聯(lián)用的低溫相變蓄熱裝置設(shè)計原理

該研究設(shè)計的與太陽能聯(lián)用的低溫相變蓄熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)—相變蓄熱系統(tǒng)—傳熱供暖系統(tǒng)組成[2-3]。由圖1可知，太陽能內(nèi)聚光集熱器吸收太陽能量，加熱集熱器內(nèi)的空氣，在集熱器溫度高于蓄能水箱溫度時（初步設(shè)定值為10 ℃），啟動風(fēng)機(jī)，將集熱器內(nèi)的熱量，輸送到蓄能水箱中。當(dāng)蓄能水箱中的溫度高于采暖回水溫度（10 ℃）時，采暖換熱循環(huán)泵啟動。

整套集熱系統(tǒng)包括太陽能空氣集熱器、相變蓄能水箱、換熱循環(huán)泵、控制柜、鼓風(fēng)機(jī)等結(jié)構(gòu)。其中太陽能集熱系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的熱源，主要由全玻璃真空管集熱器、閥門、水泵、管路、板式換熱器等構(gòu)成；相變蓄熱系統(tǒng)作為下游供暖末端的供給源，主要由相變蓄熱裝置、板式換熱器、水泵、管路等構(gòu)成；傳熱供暖系統(tǒng)則主要由風(fēng)機(jī)排管和風(fēng)管等組成。

2.2 太陽能集熱系統(tǒng)

配合試驗(yàn)溫室供暖面積，根據(jù)系統(tǒng)所需熱面積進(jìn)行計算：

根據(jù)計算，需要的太陽能集熱器總面積為18.02 m2，選用 20支2.10 m的集熱器單臺面積為3.62 m2，需要安裝5臺，根據(jù)實(shí)際情況，最終安裝5臺集熱器板，太陽能總面積為18.10 m2。

根據(jù)計算（表3），每天在標(biāo)準(zhǔn)輻照量的情況下，熱量滿足設(shè)計要求。

該研究所設(shè)計的太陽能集熱器是以全玻璃真空管為核心集熱元件，其內(nèi)部以空氣作為介質(zhì)。該集熱器具有啟動快、無防凍、不易炸管、系統(tǒng)要求低等特點(diǎn)（圖2）。

由于空氣熱容很小，相對于液體更容易被加熱，啟動速度比較快。該集熱系統(tǒng)中無液體存在，所以無防凍要求。因?yàn)檎婵展懿粫艿綇?qiáng)烈的冷熱沖擊，所以此種真空管相對安全，一般不會炸管。同時，此種真空管維護(hù)要求低，稍有泄漏時不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3 相變蓄熱系統(tǒng)

蓄熱介質(zhì)相變材料的選擇需要根據(jù)其化學(xué)物理性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行綜合考慮。選用的相變材料必須滿足一些條件，包括合適的相變溫度、較大的潛熱[4]；其次在相變過程中不應(yīng)發(fā)生熔析現(xiàn)象，以免導(dǎo)致蓄熱介質(zhì)化學(xué)成分的變化[5]；另外，必須在恒定的溫度下熔融及固化，即必須可逆相變，不發(fā)生過冷現(xiàn)象；最后，相變材料不能發(fā)生滲漏，且性能穩(wěn)定，和容器不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；還應(yīng)安全、無毒、不易燃，具有較大密度。

目前研究較多的低溫相變物質(zhì)主要有石蠟、脂肪酸以及無機(jī)水合鹽等，其研究成果為相變儲能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用提供了理論及技術(shù)支撐[6]。表4中列舉了多種常見的低溫相變材料。

該項(xiàng)目所選用的低溫相變材料為無機(jī)鹽水合物，相變溫度為57～59 ℃，密度1 290 kg/m3，有效工作溫度范圍在55～60 ℃，外觀為灰白色。此相變材料熔融性均一且不易燃燒，潛熱值可達(dá)250 kJ/kg。使用的蓄能罐是專為太陽能研發(fā)的新品（圖3），蓄能罐內(nèi)部為三腔結(jié)構(gòu)，外腔：優(yōu)質(zhì)聚氨酯發(fā)泡保溫，加厚保溫墻，防止熱量流失，外殼為鍍鋅板噴塑；中間腔：又叫做熱氣循環(huán)腔，其內(nèi)部循環(huán)的是太陽能加熱的空氣，熱空氣經(jīng)熱氣腔將熱量傳遞至貯熱腔內(nèi)的熱水，內(nèi)置高效換熱裝置；內(nèi)腔：內(nèi)腔為蓄能材料和水，水被熱氣腔或者谷電加熱成熱水，并存儲起來。

采用相變蓄能技術(shù)，夜間蓄能，供全天采暖和熱水使用。通過蓄能材料的固-液轉(zhuǎn)換技術(shù)，將能量存儲，單位體積的存儲量大于510 kJ/L（是相同體積水蓄能量的3～7倍），所有蓄能材料具有高蓄能密度、高耐熱性、高傳熱性、低膨脹性、無腐蝕性、無毒無害環(huán)保等特點(diǎn)。

3 展望

在過去的100多年里，發(fā)達(dá)國家先后完成了工業(yè)化，消耗了地球上大量的自然資源，特別是能源資源。當(dāng)前，一些發(fā)展中國家正在步入工業(yè)化階段，能源消耗的增加是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的必然趨勢[7]。我國作為世界上第二大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，雖然能源資源總量豐富，但人均占有量低，煤炭和水資源人均占有量不到世界平均水平的1/2，石油、天然氣人均占有量僅為世界平均水平的1/15左右[8]。此外，我國能源資源分布不平均，煤炭資源主要分布在西北、華北地區(qū)，水力資源以西南地區(qū)為主，石油、天然氣主要集中在東部、中部、西部的沿海區(qū)域。大規(guī)模、長距離的北煤南送、北油南運(yùn)、西氣東輸、西電東送的現(xiàn)象，是我國能源流向的顯著特征，因?yàn)槲覈饕哪茉聪M(fèi)地區(qū)主要集中在東南沿海發(fā)達(dá)區(qū)，這就構(gòu)成了能源運(yùn)輸?shù)幕靖窬諿9]。

鑒于以上背景，采取相關(guān)措施改變目前的這種能源利用形式，尋求一種清潔、可再生的替代能源已刻不容緩，而太陽能正是可再生的清潔能源，因此受到人們的廣泛關(guān)注。在我國，建筑能耗在社會總能耗中占有較大的比重，已達(dá)到25%以上，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗所占比重也在逐年增加[10]。因此，在建筑中利用太陽能代替常規(guī)能源進(jìn)行供暖，不僅能減少常規(guī)能源的消耗，對優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)也具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對太陽能相變蓄能領(lǐng)域的研究主要集中在3個方面：①相變蓄能材料，目前的研究主要集中于研究和開發(fā)相變潛熱大、熱性能穩(wěn)定，無毒無害，實(shí)用性強(qiáng)的相變儲能材料。②相變蓄熱裝置，主要圍繞相變單元形式、蓄放熱特性等方面進(jìn)行研究。③相變蓄能裝置的強(qiáng)化傳熱，目前的研究主要集中于在相變裝置中添加翅片、助條等強(qiáng)化傳熱的裝置或在相變材料中添加金屬粉末、多孔介質(zhì)、石墨粉、膨脹石墨等[10]。

該研究針對北方冬季寒冷的自然條件，將相變蓄熱型太陽能供暖系統(tǒng)應(yīng)用到溫室中進(jìn)行研究，在北京地區(qū)搭建試驗(yàn)平臺，完成相變蓄熱型太陽能供暖系統(tǒng)運(yùn)行性能、系統(tǒng)性等方面的測試，兼?zhèn)浣?jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性以及實(shí)用性于一身，具有非常好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁小永.用于太陽能熱水系統(tǒng)的無機(jī)水合鹽相變蓄熱裝置研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 張飛飛.太陽能潛熱蓄熱裝置參數(shù)優(yōu)化及熱泵系統(tǒng)TRNSYS模擬[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

[3] 李志永，陳超，張葉，等.太陽能-相變蓄熱-新風(fēng)供暖系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計研究[J].太陽能學(xué)報，2012，33（5）：852-859.

[4] 李棟，孫國梁，況慧蕓，等.相變儲能材料的研究進(jìn)展及其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].佛山陶瓷，2008，18（4）：37-40.

[5] 劉倩妮，陳寧.與建筑一體化石蠟類相變材料研究與應(yīng)用[J].能源研究與信息，2008，24（2）：91-96.

[6] 孫小琴.相變材料蓄放熱機(jī)理及其基站冷卻的能效研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[7] 李洪欣，寧永勝.我國的能源形勢與和平發(fā)展戰(zhàn)略[J].改革與戰(zhàn)略，2009，25（7）：43-46.

[8] 蘇凱.相變材料聯(lián)合太陽能供暖的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[9] 康旭博.中國能源貿(mào)易安全問題及對策研究[J].北方經(jīng)貿(mào)，2014（11）：19-20.

[10] 劉程.太陽能-相變水箱蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)行特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.