相變蓄熱裝置熱性能測試方法比對研究

王碧玲 劉宗江 鄒立成 李愛松

1 建科環(huán)能科技有限公司

2 中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1 研究背景

由于大部分能源本質(zhì)上是間歇性的，因此儲能在節(jié)約可用能源和提高能源利用率方面發(fā)揮著重要作用。在儲能的實(shí)際應(yīng)用中，短期存儲能源通常比較常見，但也可能在某些情況下需要長期儲存能源[1]。與顯熱儲熱方式相比，相變儲熱方式由于其更高的儲熱密度得到了廣泛的研究。相變蓄熱裝置因其體積小、蓄熱量大、放熱溫度均勻等特點(diǎn)在熱能儲存方面有很廣闊的應(yīng)用前景[2]。

2017 年 9 月 22 日，國家發(fā)展改革委，財(cái)政部，科學(xué)技術(shù)部，工業(yè)和信息化部，國家能源局五部委聯(lián)合發(fā)布 《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，在重點(diǎn)任務(wù)中指出：集中攻關(guān)一批具有關(guān)鍵核心意義的儲能技術(shù)和材料。重點(diǎn)包括變速抽水蓄能技術(shù)，大規(guī)模新型壓縮空氣儲能技術(shù)，化學(xué)儲電的各種新材料制備技術(shù)，高溫超導(dǎo)磁儲能技術(shù)，相變儲熱材料與高溫儲熱技術(shù)，儲能系統(tǒng)集成技術(shù)，能量管理技術(shù)等。

2017 年5 月開始，2017 年和2018 年連續(xù)兩年，國家四部委面向 2+26 大氣污染傳輸通道城市和汾渭平原城市開展清潔供暖試點(diǎn)城市建設(shè)。電供暖作為清潔供暖的重要組成部分得到廣泛應(yīng)用。在這種背景下，相變蓄熱裝置作為低谷電蓄熱的重要技術(shù)手段得到了大面積的應(yīng)用。

中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于 2017 年 5 月 11 日發(fā)出了《關(guān)于印發(fā) <中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會 2017年第一批產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃 >的通知》（建標(biāo)協(xié)字[2017]015 號），團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《無內(nèi)置熱源相變蓄熱裝置》列入制定計(jì)劃，T/CECS 10023-2019《無內(nèi)置熱源相變蓄熱裝置》（下文簡稱相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)）[3]于2019年8 月28 日正式發(fā)布，并于 2020 年 2 月1 日開始正式實(shí)施。本標(biāo)準(zhǔn)對相變蓄熱裝置的熱性能測試給出了明確的方法，約定了測試條件，規(guī)定了測試方法和流程以及相應(yīng)的測試指標(biāo)，為規(guī)范國內(nèi)產(chǎn)品性能提供了依據(jù)。

2 國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)尚無專門針對建筑用相變蓄熱裝置的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。與相變蓄熱裝置相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如 GB/T 21435-2008《相變加熱爐》[4]主要針對石油工業(yè)用間接加熱爐，即真空相變加熱爐，微壓相變加熱爐和壓力相變加熱爐。重點(diǎn)是相變加熱爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝維護(hù)、使用性能。JG/T299-2010《供冷供熱用蓄能設(shè)備技術(shù)條件》[5]涵蓋面太廣且主要針對水蓄熱方式，對相變蓄熱方式針對性不強(qiáng)，且編制時(shí)間較早，與目前的產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展已不相適應(yīng)，僅可作為參考。GB/T 31299-2014/IEC60531:1999《家用儲熱式室內(nèi)加熱器性能測試方法》[6]規(guī)定了家用儲熱式室內(nèi)加熱器的測試項(xiàng)目和測試方法，未規(guī)定性能特性要求值。

針對相變蓄熱的標(biāo)準(zhǔn)還包括 JC/T 2111-2012《建筑材料相變調(diào)溫性能測試方法》[7]、JC/T 2339-2015《地暖用相變儲能材料及構(gòu)件》[8]和 JC/T 2338-2015《建筑儲能調(diào)溫砂漿》[9]三項(xiàng)建筑材料方面的標(biāo)準(zhǔn)，為相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)的編制提供了參考。

國外針對相變蓄熱裝置的標(biāo)準(zhǔn)主要為ANSI/ASHRAE Standard 94.1-2010 --Method of Testing Active Latent-Heat Storage Devices Based on Thermal Performance（簡稱 ASHRAE 94.1-2010）[10]，該標(biāo)準(zhǔn)對相變蓄熱裝置（以水或空氣為傳熱介質(zhì)）的蓄熱量，蓄熱時(shí)間，放熱量，放熱時(shí)間，漏熱率以及蓄熱效率等關(guān)鍵參數(shù)均給出了測試裝置和試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)對于相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)的編制的編制提供了重要的參考價(jià)值。

3 相變蓄熱裝置熱性能測試方法對比研究

相變蓄熱裝置為蓄能裝備，在熱泵、太陽能利用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[11]。蓄熱和放熱特性是相變蓄熱裝置最關(guān)鍵的參數(shù)。國際上對蓄能裝備的測試主要包括兩種方法：一是定蓄熱放熱功率，二是定蓄熱放熱溫度。國內(nèi)相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，參考了 ASHRAE 94.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)，本文將該標(biāo)準(zhǔn)與我國已發(fā)布的《無內(nèi)置熱源相變蓄熱裝置》T/CECS 10023-2019 在熱性能測試上的異同進(jìn)行闡述和對比。

3.1 對象范圍

ASHRAE 94.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)適用于潛熱蓄熱裝置，換熱介質(zhì)從單一進(jìn)口進(jìn)入，從單一出口流出，不適用于同時(shí)有好幾路傳熱介質(zhì)流進(jìn)出或者流出的蓄熱設(shè)備，傳熱介質(zhì)可以是水或者不凝結(jié)氣體。標(biāo)準(zhǔn)適用于自帶熱源（攪拌泵或者插入式電加熱裝置）供熱量需要小于等于裝置蓄熱量的10%的蓄熱裝置，且蓄熱量小于等于100 GJ。

相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定適用范圍為：熱水供水溫度滿足建筑供熱需求的無內(nèi)置熱源相變蓄熱裝置。本標(biāo)準(zhǔn)基于對現(xiàn)在市場的調(diào)查，國內(nèi)基本上不生產(chǎn)以氣體作為傳熱介質(zhì)的相變蓄熱裝置，同時(shí)為了與已經(jīng)編制的國家標(biāo)準(zhǔn)《蓄熱型電加熱裝置》相區(qū)分，將約束的產(chǎn)品進(jìn)一步具體化，更具有針對性。

3.2 實(shí)驗(yàn)室測試條件的差異

ASHRAE 94.1-2010 規(guī)定在使用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試之前需要完全成5 次完整的相變蓄熱放熱過程。這種循環(huán)是為了確保裝置處于待運(yùn)行狀態(tài)，而不是處于剛開始狀態(tài)。相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正式試驗(yàn)前應(yīng)至少進(jìn)行2 次預(yù)備試驗(yàn)，以保證裝置達(dá)到正常工作的運(yùn)行狀態(tài)。預(yù)備試驗(yàn)應(yīng)包含從蓄熱到放熱的一個(gè)完整運(yùn)行周期，在每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需要完成完整的相變過程。ASHRAE 94.1-2010 規(guī)定在蓄熱裝置特定的初始溫度，特定的流量前提下，以特定的功率輸入，達(dá)到特定的出口換熱介質(zhì)溫度時(shí)，能夠向蓄熱裝置中蓄存入的總熱量為裝置的輸入熱量。同樣，放熱量的測試也是規(guī)定保證放熱速率為定值，達(dá)到產(chǎn)品的額定出水溫度時(shí)，能夠向外釋放的總熱量。

相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品測試時(shí)，蓄熱和放熱都是采用定裝置進(jìn)出口溫度的方法，蓄熱時(shí)定進(jìn)口溫度，放熱時(shí)定出口溫度。這種測試方法與ASHRAE 94.1 的方法存在本質(zhì)的差別，在數(shù)據(jù)處理，蓄熱放熱特性分析上都會存在差異。

ASHRAE 94.1-2010 與相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)對測試環(huán)境的溫度規(guī)范定方法一致：環(huán)境溫度采用溫度測點(diǎn)的平均溫度，4 個(gè)溫度測點(diǎn)均勻布置于蓄熱裝置的中間平面上，離裝置的水平距離為 0.6 m，實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境溫度宜為20 ℃± 2 ℃。

3.3 實(shí)驗(yàn)室測試裝置與流程差異

對于以水（或者其他已知比熱的液體）作為傳熱介質(zhì)的相變蓄熱裝置的檢測設(shè)備，ASHRAE 94.1-2010規(guī)定設(shè)備應(yīng)對循環(huán)水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足測試工況。主要的裝置包括流量測量裝置，溫度測量，壓力測量和混流裝置。其中，對于流經(jīng)蓄熱設(shè)備的水壓差規(guī)定可以通過靜壓取壓孔進(jìn)行測量。取壓孔在管道內(nèi)表面不形成毛刺，取壓孔直徑不超過 1.6 mm，且取壓孔的直徑不超過管道壁面厚度的0.4 倍。兩個(gè)取壓點(diǎn)處管道的橫截面積不一致時(shí)，需要對動壓進(jìn)行修正。裝置的主要構(gòu)成如圖1：

圖1 ASHRAE 94.1-2010 溫度流量法測量裝置

一個(gè)完整的測試流程需要包含以下步驟：

A、測試設(shè)備達(dá)到測試前的穩(wěn)定狀態(tài)。該狀態(tài)下的換熱介質(zhì)溫度t i達(dá)到設(shè)備設(shè)定值。

B、對設(shè)備進(jìn)行一次 0.5 倍率短期循環(huán)測試，期間的輸入熱功率=0.5 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=0.5 倍額定輸出熱功率；本次測試的目的是將設(shè)備在測試之前初始化，測試數(shù)據(jù)記錄但不顯示在報(bào)告中。

C、Test#1，0.5 倍率短期循環(huán)測試：輸入熱功率=0.5 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=0.5 倍額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄并顯示在報(bào)告里。

D、Test#2，0.5 倍率長期循環(huán)測試：輸入熱功率=0.5 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=0.5 倍額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄并顯示在報(bào)告里。

E、第一次1 倍率短期循環(huán)測試：輸入熱功率=額定輸入熱功率；輸出熱功率=額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄，本次測試數(shù)據(jù)不體現(xiàn)在報(bào)告里。

F、Test#3，1 倍率長期循環(huán)測試：輸入熱功率=額定輸入熱功率；輸出熱功率=額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄并顯示在報(bào)告里。

G、2 倍率短期循環(huán)測試：輸入熱功率=2 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=2 倍額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄，本次測試數(shù)據(jù)不體現(xiàn)在報(bào)告里。

H、T est#4，2 倍率長期循環(huán)測試：輸入熱功率=2倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=2 倍額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄并顯示在報(bào)告里。

I、4 倍率短期循環(huán)測試：輸入熱功率=4 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=4 倍額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄，本次測試數(shù)據(jù)不體現(xiàn)在報(bào)告里。

J、T est#5，4 倍率長期循環(huán)測試：輸入熱功率=4倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=4 倍額定輸出熱功率，測試后數(shù)據(jù)記錄并顯示在報(bào)告里。

對于裝置的短期循環(huán)測試，要求蓄熱放熱之間的調(diào)整時(shí)間小于 10 min，以盡可能減少設(shè)備的熱損失。長期測試期間的調(diào)整時(shí)間隨設(shè)備而異，以產(chǎn)生明顯的熱損失，并用以測量設(shè)備的熱損失率（保溫性能指標(biāo)）。測試流程中的數(shù)據(jù)圖示如圖2：

圖2 長期測試與短期測試進(jìn)出口溫度示意圖

相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定液體流量溫度法測試原理如圖3 所示。測試裝置由于需要保證進(jìn)口、出口的溫度恒定，需要配置專有的制冷系統(tǒng)和精加熱系統(tǒng)。被測設(shè)備裝置放置在溫度可控的環(huán)境間，水系統(tǒng)溫度控制由專門的制冷制熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖3 相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)推薦的測試裝置流程圖

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定蓄熱裝置有效蓄熱量不應(yīng)低于額定蓄熱量的95%，熱效率不應(yīng)小于90%。蓄熱裝置的熱工性能測試采用間接測試方法，測試裝置采用流量溫度法原理搭建。

蓄熱裝置的蓄熱量測試應(yīng)在完成預(yù)備試驗(yàn)后，按照以下流程進(jìn)行蓄熱量測試：

A、完成預(yù)備試驗(yàn)后，流經(jīng)蓄熱裝置的傳熱介質(zhì)溫度控制在裝置的放熱工作溫度下限值±0 .5 ℃，進(jìn)出口溫差小于0.5 ℃，準(zhǔn)備對裝置進(jìn)行正式試驗(yàn)。

B、關(guān)閉裝置的進(jìn)口閥門，打開旁通閥門。

C、維持系統(tǒng)流量為蓄熱裝置的額定流量，調(diào)節(jié)加熱裝置使得供熱介質(zhì)溫度維持在蓄熱裝置蓄熱工況工作溫度上限溫度±0 .5 ℃范圍內(nèi)，關(guān)閉旁通閥，打開蓄熱裝置的進(jìn)口閥門；對裝置進(jìn)行蓄熱量測試。

D、當(dāng)流經(jīng)蓄熱裝置的傳熱介質(zhì)出口溫度達(dá)到蓄熱工作溫度上限溫度時(shí)，蓄熱工況結(jié)束。

E、蓄熱工況結(jié)束后繼續(xù)加熱 5 min，并繼續(xù)測量和記錄數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉裝置進(jìn)口閥門，打開旁通閥，停止蓄熱。

F、記錄和存儲的試驗(yàn)參數(shù)包括介質(zhì)進(jìn)出口溫度、蓄熱運(yùn)行時(shí)間、介質(zhì)流量，計(jì)算得出蓄熱過程中的蓄熱量。

蓄熱裝置的供熱量測試應(yīng)在完成蓄熱量試驗(yàn)后，應(yīng)按照以下流程進(jìn)行供熱量測試：

A、應(yīng)在完成蓄熱量測試后 30 min 內(nèi)，將蓄熱裝置調(diào)整為放熱狀態(tài)。

B、根據(jù)測試需要調(diào)整測試系統(tǒng)閥門，開啟冷卻裝置，使系統(tǒng)傳熱介質(zhì)溫度控制在裝置的放熱工作溫度下限值±0 .5 ℃，調(diào)整系統(tǒng)流量為額定流量，打開裝置進(jìn)口閥門，關(guān)閉旁通閥，裝置開始進(jìn)入供熱測試過程。

C、當(dāng)流經(jīng)蓄熱裝置的傳熱介質(zhì)進(jìn)出口溫差持續(xù)小于0.5 ℃時(shí)，放熱過程結(jié)束（對于有些相變材料中間某一小段時(shí)間出現(xiàn)溫度溫差小于0.5 ℃隨后溫差又持續(xù)增大的現(xiàn)象需要記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里面）。

D、放熱工況的結(jié)束后繼續(xù)冷卻 5 min，并繼續(xù)測量和記錄數(shù)據(jù)。

E、記錄并存儲試驗(yàn)參數(shù)包括介質(zhì)進(jìn)出口溫度，放熱運(yùn)行時(shí)間以及介質(zhì)流量，計(jì)算得出放熱過程中的供熱量。

測試流程中的數(shù)據(jù)示意圖如圖4：

圖4 按照定供水溫度測試蓄熱、放熱階段溫度示意圖

由以上對比可以看出，在針對蓄熱設(shè)備的測試上，ASHRAE 94.1-2010 要求更為嚴(yán)格，測試的過程比國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜。但是，這種定輸入功率的測試狀態(tài)與國內(nèi)普遍使用的定供水溫度的設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)差別很大，測試過程中需要不斷改變供水溫度以維持測試工況，給實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測試，及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)帶來較大的不便。

我國目前的蓄熱都是使用鍋爐作為供熱設(shè)備，在實(shí)際使用時(shí)，鍋爐的供水溫度是恒定的，以維持鍋爐高的運(yùn)行效率。因此，定供水溫度的測試方法更適應(yīng)我國現(xiàn)狀，具有實(shí)際的可操作性。

3.4 檢測結(jié)果數(shù)據(jù)指標(biāo)差異

對于相變蓄熱裝置，衡量蓄熱性能的核心指標(biāo)為蓄熱效率，A SHRAE 94.1-2010 要求記錄在 0.5 倍、1倍，2 倍、4 倍蓄熱功率下長期測試得到的輸入熱量和輸出熱量，并計(jì)算以上這四種狀態(tài)下的蓄熱效率，繪制在同一張坐標(biāo)紙上，作為體現(xiàn)設(shè)備蓄熱效率的指標(biāo)。蓄熱效率計(jì)算為每次的放熱量與蓄熱量的商。

相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定蓄熱裝置的蓄熱效率為有效供熱量與有效蓄熱量的比值，有效蓄熱量和有效供熱量為蓄熱裝置連續(xù)進(jìn)行三次試驗(yàn)的平均值。

4 結(jié)論

在國內(nèi)尚缺針對相變蓄熱裝置熱性能測試的前提下，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會及時(shí)立項(xiàng)，組織專家編制 《無內(nèi)置熱源相變蓄熱裝置》，標(biāo)準(zhǔn)借鑒了 ASHRAE 94.1-2010 的體系和部分成果，在蓄熱性能測試上，充分考慮了國內(nèi)實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造性的建立了溫度流量法的實(shí)驗(yàn)室測試思想。本文客觀比較了ASHRAE 94.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)與我國目前已經(jīng)完成編制的相變蓄熱裝置標(biāo)準(zhǔn)在測試對象范圍，實(shí)驗(yàn)室條件約束，實(shí)驗(yàn)裝置，測試方法流程以及測試指標(biāo)體現(xiàn)幾個(gè)重要方面的差異，為相關(guān)從業(yè)者充分理解產(chǎn)品熱性能測試方法提供了參考，也為 《相關(guān)從業(yè)者使用該標(biāo)準(zhǔn)，理解測試過程提供了技術(shù)依據(jù)。