新型復(fù)合相變材料蓄熱電暖器熱性能實(shí)驗(yàn)研究

宋穎蕓，楊兆晟，張群力，張文婧，張世紅

（北京建筑大學(xué)供熱、供燃?xì)馔L(fēng)與空調(diào)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

為緩解高峰期用電壓力，北京市對(duì)電價(jià)進(jìn)行分時(shí)計(jì)價(jià)，鼓勵(lì)居民利用低谷電進(jìn)行電供暖[1]。目前，電供暖方式包括低溫空氣源熱泵[2]、蓄熱電暖器[3]和直接電供暖。其中，相變蓄熱電暖器可以在夜間低谷電時(shí)利用相變材料將熱量儲(chǔ)存，用于日間放熱供暖。相變材料的近似恒溫蓄/放熱效果可以緩解間歇式蓄/放熱模式導(dǎo)致的室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高房間熱環(huán)境的熱舒適性。

國內(nèi)關(guān)于相變蓄熱電暖器的研究主要有：馬貴陽等[4]選用相變溫度區(qū)間為79~80 ℃、相變潛熱為288 kJ/kg 的混合相變材料,設(shè)計(jì)研制了帶有翅片的相變蓄熱電暖器，該電暖器能夠充分利用夜間廉價(jià)電，降低用戶運(yùn)行費(fèi)用；劉靖等[5]選用相變溫度為576 ℃、相變潛熱為560 kJ/kg 的合金相變材料TH576，設(shè)計(jì)了高溫相變蓄熱電暖器的樣機(jī)，與顯熱蓄熱電暖器相比，該樣機(jī)的熱性能優(yōu)勢明顯；馬美秀等[6]選用相變溫度為710 ℃、相變潛熱為1 070 kJ/kg的相變磚，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該材料具有較好的應(yīng)用前景。

目前，相變蓄熱電暖器中的相變材料主要是中低溫有機(jī)相變材料或高溫合金材料，成本偏高。為降低初投資，可以選用中低相變溫度的無機(jī)相變材料。六水合氯化鎂（MgCl2·6H2O）相變溫度為117 ℃，相變潛熱為121 kJ/kg[7]，是我國青海湖中氯鎂石[8]的主要成分，在我國儲(chǔ)備豐富、容易獲取、價(jià)格低廉[9]，本文選用其作為無機(jī)相變材料。但是，該材料存在相分離、過冷等問題[10]。為此，本文通過添加多孔材料膨脹石墨（EG）消除相分離現(xiàn)象[11]，添加成核劑氫氧化鈣（Ca(OH)2）降低相變材料的過冷度[12]，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試尋找3 種材料的最優(yōu)配比，研制出一種新型復(fù)合型相變材料。將該新型材料用于蓄熱電暖器，并搭建反映其蓄/放熱性能的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考察其蓄/放熱性能，為相變蓄能電暖器的推廣應(yīng)用提供參考。

1 復(fù)合相變材料的制備與性能表征

1.1 添加膨脹石墨消除相分離現(xiàn)象

向MgCl2·6H2O 中分別添加5 組不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%）的膨脹石墨（EG），記為樣本A、B、C、D、E。將樣本在135 ℃恒溫油浴鍋中加熱30 min，待材料完全融化后取出試管靜置24 h，觀察復(fù)合材料的相分離情況（圖1）。由圖1 可以觀察到，樣本B、C 試管的底部仍存有白色晶體，表明MgCl2·6H2O 和EG 沒有充分融合，仍存在相分離現(xiàn)象，也說明EG 的添加量不足，導(dǎo)致其未能與無機(jī)鹽相變材料充分融合。

分別對(duì)樣本A、C、D、E 進(jìn)行差示掃描量熱法（DSC 型號(hào)STA 449 F3）性能測試，溫度設(shè)定范圍為30~150 ℃，升溫速率設(shè)定為10 ℃/min。測試結(jié)果見表1。

表1 MgCl2·6H2O 與EG 復(fù)合相變材料物性測試結(jié)果Tab.1 The physical property test results of MgCl2·6H2O-EG composite phase change materials

由表1 可以看出：EG 添加量對(duì)于相變溫度的影響較?。浑S著EG 添加量的增加，復(fù)合材料的相變潛熱逐漸降低，當(dāng)EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，復(fù)合相變材料的相變潛熱減少了20.7 kJ/kg，與純無機(jī)鹽的樣本A 相比，降低了17.1%。

考慮到EG 添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5%、5.0%的相變材料存在相分離現(xiàn)象，添加10.0%EG 的相變材料的相變潛熱降低較多，本文推薦添加7.5%EG 的相變材料。該材料既可以減輕相分離現(xiàn)象，又可以保持較少的相變潛熱衰減。但是，添加7.5%EG 的相變材料仍然存在過冷度現(xiàn)象，需要加入成核劑來緩解。

1.2 添加成核劑降低過冷度

氫氧化鈣（Ca(OH)2）可用作MgCl2·6H2O-EG復(fù)合相變材料的成核劑，其添加量應(yīng)小于3%[13]。本試驗(yàn)Ca(OH)2的添加量為0%、1%、2%，添加后材料的過冷曲線如圖2 所示。

由圖2 可以看出：當(dāng)Ca(OH)2的添加量分別為0%、1%、2%時(shí)，MgCl2·6H2O-EG 復(fù)合相變材料的過冷度分別為6.44、0、1.63 ℃，即添加1% Ca(OH)2時(shí)復(fù)合相變材料的過冷度最低。因此，遴選出MgCl2·6H2O/EG/Ca(OH)2的最優(yōu)質(zhì)量配比為91.5%/7.5%/1%，相應(yīng)復(fù)合相變材料的熱物性如圖3 所示。

由圖3 可見，該復(fù)合相變材料的相變溫度為117.9 ℃，相變潛熱為106.6 kJ/kg，表明其可用于相變蓄熱電暖器。

2 相變蓄熱電暖器實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案

2.1 相變蓄熱電暖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相變蓄熱電暖器的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。每個(gè)圓柱形蓄熱單元內(nèi)部都填充相變材料。為實(shí)現(xiàn)均勻地加熱復(fù)合相變材料，在圓筒中心設(shè)置功率為200 W 的加熱棒，同時(shí)圓柱外表面包裹一層功率為200 W 的加熱膜。

表2 相變蓄熱電暖器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 The structural parameters of the phase change heat storage electric heater

2.2 相變蓄熱電暖器測試方案

搭建了相變蓄熱電暖器蓄/放熱性能實(shí)驗(yàn)房間（長3 m、寬3.3 m、高3 m 且外墻有保溫層），對(duì)不同運(yùn)行模式下相變蓄熱電暖器的性能進(jìn)行了測試。在控制相變蓄熱電暖器運(yùn)行時(shí)間的條件下，測試其蓄/放熱過程中蓄熱單元內(nèi)部及其表面的溫度，電暖器進(jìn)、出風(fēng)口溫度，室內(nèi)、外溫度，電暖器的功率及其耗電量。

2.2.1 測試儀器布置方案

相變蓄熱電暖器及其房間熱環(huán)境的測點(diǎn)位置如圖5 所示。其中室外溫度記為T0，蓄熱式電暖器的進(jìn)、出風(fēng)口測點(diǎn)溫度分別記為T1、T2，在距離蓄熱單元底部200、400、600 mm 處設(shè)置測點(diǎn)并將溫度分別記為T4、T5、T6。房間內(nèi)設(shè)置4 個(gè)測試位置，每個(gè)測試位置離地面0.5、1.0、1.5 m 高處分別布置測點(diǎn)，溫度記為T7~T18。

實(shí)驗(yàn)過程中所需儀器設(shè)備及型號(hào)規(guī)格見表3。

2.2.2 運(yùn)行模式設(shè)置

表3 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及其型號(hào)規(guī)格Tab.3 The devices and their model specifications for the test

該相變蓄熱電暖器在夜間低谷電階段（23:00 至次日7:00）進(jìn)行蓄熱，在日間進(jìn)行放熱。運(yùn)行試驗(yàn)設(shè)置2 種工況：工況1，夜間蓄熱8 h，日間持續(xù)放熱運(yùn)行；工況2，夜間蓄熱8 h，日間15:00—18:00進(jìn)行補(bǔ)充蓄熱。每種工況需要持續(xù)運(yùn)行3 天達(dá)到穩(wěn)定后再進(jìn)行測試。

3 相變蓄熱電暖器蓄/放熱性能分析

3.1 蓄熱能力

利用蓄熱比衡量相變蓄熱電暖器的蓄熱能力。蓄熱比是相變蓄熱電暖器在1 個(gè)循環(huán)周期內(nèi)非蓄熱期間釋放的熱量與同一周期內(nèi)釋放的總熱量之比，理想最大蓄熱比的計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示[14]。

式中：QSR為相變蓄熱電暖器在1 個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的日間放熱量；Δh為相變材料潛熱，kJ/kg；m為相變材料總質(zhì)量，kg；cl為相變材料在液態(tài)時(shí)的定壓比熱容，取2.82 kJ/(kg·℃)；ΔTl為蓄熱結(jié)束后裝置內(nèi)復(fù)合相變材料溫度與相變溫度的差；cs為相變材料在固態(tài)時(shí)的定壓比熱容，取1.72 kJ/(kg·℃)；ΔTs為放熱結(jié)束后裝置內(nèi)復(fù)合相變材料溫度與相變溫度的差。

經(jīng)計(jì)算，該設(shè)備的理想蓄熱比最大值為0.85。較大的蓄熱比意味著較多的相變材料得到有效利用，更多的熱量從夜間轉(zhuǎn)移到日間。在實(shí)行峰谷價(jià)格政策的地區(qū)，可以有效降低運(yùn)行成本。

3.2 不同運(yùn)行模式下的供熱性能

2 種運(yùn)行模式下，相變蓄熱電暖器蓄熱單元內(nèi)部軸線溫度變化如圖6 所示。將距離蓄熱單元底部400、600 mm 處的材料加熱至118 ℃需要70 min，之后蓄熱單元的溫度維持在125 ℃，說明該部分相變材料能夠發(fā)生相變蓄熱。距離蓄熱單元底部200 mm 處的溫度在循環(huán)周期內(nèi)均未超過112.5 ℃，表明在該處及以下部分的材料并未發(fā)生相變?？梢娫撔顭釂卧Y(jié)構(gòu)參數(shù)仍有優(yōu)化改進(jìn)的空間。

為進(jìn)一步研究不同運(yùn)行工況下相變蓄熱電暖器的供熱性能，計(jì)算了相變蓄熱電暖器在運(yùn)行周期內(nèi)蓄、放熱過程的放熱功率，其變化曲線如圖7 所示。

由圖7 可以看出，在工況1 中，蓄熱單元日間未進(jìn)行蓄熱；蓄熱停止5 h 之后，放熱階段放熱功率下降較快，在15：00 趨近于0。工況1 下相變蓄熱電暖器的平均放熱功率為191 W，其中放熱階段的平均放熱功率為65.9 W。表明相變蓄熱電暖器在日間向室內(nèi)供熱的能力不足。在工況2 中，該蓄熱單元在日間15:00—18:00 進(jìn)行補(bǔ)熱3 h，日間補(bǔ)熱停止后的18：00—23：00 期間放熱速率較大。工況2 下，相變蓄熱電暖器的平均放熱功率為300 W，其中放熱階段的平均放熱功率為164 W，表明進(jìn)行日間補(bǔ)熱的運(yùn)行模式可以提高該蓄熱電暖器對(duì)室內(nèi)環(huán)境的供暖保障能力。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

按照北京市分時(shí)電價(jià)計(jì)算該相變蓄熱電暖器的運(yùn)行成本。在1 個(gè)典型的蓄放熱周期內(nèi)，該相變蓄熱電暖器設(shè)計(jì)耗電量為11.2 kW·h，設(shè)計(jì)蓄熱量為6 kW·h。通過電力檢測儀測試發(fā)現(xiàn)該相變蓄熱電暖器的實(shí)際用電量為9.4 kW·h，實(shí)際蓄熱效率為63.8%，該相變蓄熱電暖器可以充分利用低谷電。

根據(jù)北京低谷電價(jià)補(bǔ)貼可知，冬季采暖季低谷電價(jià)為0.3 元/(kW·h)，政府將對(duì)居民進(jìn)行電費(fèi)補(bǔ)貼0.2 元/(kW·h)，最終居民在冬季采暖期低谷電價(jià)時(shí)實(shí)際需要支付的電費(fèi)為0.1 元/(kW·h)，高峰期電價(jià)為0.488 3 元/(kW·h)。北京市低谷電價(jià)時(shí)間段為20:00—8:00，采暖季為125 天。按照北京現(xiàn)行的采暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，熱力集團(tuán)城市熱網(wǎng)價(jià)格為24 元/m2，天然氣、電熱價(jià)格為30 元/m2[15]。經(jīng)計(jì)算得出，該相變蓄熱電暖器在工況1、工況2 的采暖季費(fèi)用分別為11.8 元/m2、22.9 元/m2，相較于其他供暖方式，其運(yùn)行費(fèi)用較低。

3.4 實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度及舒適性

測試1 個(gè)循環(huán)周期內(nèi)相變蓄熱電暖器在2 種運(yùn)行工況下的室內(nèi)溫度，結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可以看出：2 種工況下的室內(nèi)溫度相差較小，且溫度波動(dòng)較小；工況1、工況2 的室內(nèi)平均溫度分別為17、18 ℃。表明在室外溫度為0~5 ℃時(shí)，該相變蓄熱電暖器仍能使室內(nèi)溫度保持在18 ℃，具有較好的熱舒適性。

4 結(jié) 論

1）添加7.5%膨脹石墨可消除六水合氯化鎂材料的相分離現(xiàn)象，添加1%氫氧化鈣時(shí)可降低材料的過冷度。

2）使用添加7.5%膨脹石墨和1%氫氧化鈣的六水合氯化鎂作為相變材料的相變蓄熱電暖器的最大理想蓄能比約為0.85，平均放熱功率可達(dá)300 W，可實(shí)現(xiàn)有效蓄熱與供熱。在夜間蓄熱8 h、日間蓄熱3 h 的運(yùn)行模式下，室內(nèi)溫度可達(dá)18 ℃，滿足冬季供暖要求。

3）本設(shè)備的實(shí)際蓄熱效率為63.8%，可充分利用低谷電；運(yùn)行資費(fèi)最低可達(dá)11.8 元/m2，相比于熱力管網(wǎng)及天然氣供熱，費(fèi)用減少50%以上，可實(shí)現(xiàn)削峰填谷的效果，緩解高峰時(shí)段的電力緊張，同時(shí)節(jié)約運(yùn)行資費(fèi)。