相變蓄能在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

周 易 張時(shí)華 徐笑鋒

1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

2.上海海立電器有限公司

0 前言

國(guó)際能源署在會(huì)議報(bào)告中指出，全球化石能源危機(jī)加快了能源轉(zhuǎn)型，需要縮小能源生產(chǎn)和消費(fèi)之間的差距。風(fēng)能和太陽能等可再生能源的使用量持續(xù)增長(zhǎng)，但是其能源占比不足15%（如圖1 所示）。熱泵技術(shù)是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有效技術(shù)手段［1］。目前，我國(guó)已將熱泵技術(shù)劃入可再生能源范疇，并在“十三五”計(jì)劃中有所體現(xiàn)，但熱泵受環(huán)境溫度影響，在系統(tǒng)效率波動(dòng)，冷熱源利用等方面存在一定問題。

圖1 我國(guó)能源消耗的構(gòu)成占比（%）

相變儲(chǔ)能技術(shù)是以潛熱儲(chǔ)能為主要載體，提供較高的能量?jī)?chǔ)存密度，與傳統(tǒng)的顯熱儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)需要更小的重量和在給定能量下的物質(zhì)體積。另外，潛熱儲(chǔ)能有能力在一個(gè)常數(shù)或接近恒定的溫度下釋放能量［2］，同時(shí)熱泵作為節(jié)能、高效、低碳的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)供暖和熱水供應(yīng)領(lǐng)域，但本身的技術(shù)短板限制了應(yīng)用場(chǎng)景，如低溫環(huán)境工況下能耗比低，換熱器表面結(jié)霜，熱水箱占地大。為解決熱泵技術(shù)短板，多數(shù)學(xué)者開發(fā)了蓄熱型熱泵系統(tǒng)，提高了熱泵能耗性能，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。

本文根據(jù)相變儲(chǔ)能技術(shù)和熱泵技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，分析相變儲(chǔ)能應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的可行性。從相變儲(chǔ)能應(yīng)用于熱泵供冷系統(tǒng)、相變材料應(yīng)用于熱泵供熱系統(tǒng)以及熱泵除霜等方面對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行歸納，梳理了相變材料應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的重要影響因素與系統(tǒng)流程，并重點(diǎn)針對(duì)相變材料的熱物性進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，論證相變儲(chǔ)能技術(shù)在熱泵供熱系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性。

1 相變材料的分類

相變材料可分為有機(jī)物、無機(jī)鹽和共晶金屬三種，其材料特性如表1 所示。相變溫度必須與應(yīng)用溫度操作范圍相匹配。相變儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)相變材料篩選要求其具有相變潛熱高、體積變化小、導(dǎo)熱系數(shù)高、化學(xué)穩(wěn)定性高、無腐蝕、無毒、難燃、可重復(fù)成核而無相分析、過冷度低、價(jià)格低、供應(yīng)充足等優(yōu)良性能［3］。

表1 相變材料潛熱蓄熱特性研究

相變儲(chǔ)能技術(shù)的高效性與相變材料換熱性能是密不可分的。目前，大多數(shù)研究圍繞著復(fù)合相變材料的強(qiáng)化相變傳熱，優(yōu)化單一材料的短板，用于提升相變蓄熱裝置傳熱效果。其主要有五種方法（如圖2所示）：

1）加翅片或者肋片，增大換熱面積［4］。

2）加入高導(dǎo)熱系數(shù)材料，如納米金屬，形成符合相變材料，增大導(dǎo)熱系數(shù)［5］。

3）加入多孔介質(zhì)，如金屬泡沫網(wǎng)，制備復(fù)合相變材料，強(qiáng)化導(dǎo)熱路徑，增大換熱系數(shù)［6］。

4）用聚合物包裹材料形成相變微膠囊，增大換熱面積的同時(shí)，防止材料泄漏或中斷與周邊反應(yīng)［7］。

5）多溫區(qū)相變材料組合構(gòu)造，改善蓄熱裝置內(nèi)不同換熱單元相變速率的均勻性，提高了換熱效率［8］。

為進(jìn)一步探求相變材料的熔融特性和傳熱分析，相關(guān)學(xué)者從宏觀尺度和微觀層面分別展開試驗(yàn)。Zheng 等［9］利用定向加熱和可視化試驗(yàn)，探求加熱布局對(duì)泡沫銅-石蠟復(fù)合相變材料換熱性能的線性關(guān)系。Jin等［10］使用不同孔徑泡沫銅和飽和石蠟配置復(fù)合材料。觀測(cè)相變過程中溫度場(chǎng)典型時(shí)間刻度瞬態(tài)變化，從宏觀尺度進(jìn)行可視化試驗(yàn)，可以直觀地觀測(cè)相變過程，優(yōu)化復(fù)合相變材料的配置，利用電子顯微鏡研究相變材料的微觀層面，推演相變過程。Wang 等［11］制備一種碳結(jié)構(gòu)相變微膠囊，得到了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨脹石墨與復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。通過晶體分析，Sari 等［12］得到相變轉(zhuǎn)變過程中形貌特征，預(yù)測(cè)相變進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)，與無相變材料的換熱流體相比，提高了換熱流體的比熱容，由于增加了分散相的面容積比而提高了換熱速率，減少了換熱器和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。綜上所述，在尋求適合熱泵系統(tǒng)的相變材料同時(shí)，提高相變材料的儲(chǔ)熱密度與傳熱特性仍是當(dāng)下面臨的較大問題。

2 相變材料應(yīng)用于熱泵供冷系統(tǒng)

相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)中可提高能源利用效率。夜間通常使用相變蓄冷材料、復(fù)合冰進(jìn)行蓄冷，白天使用可以克服高峰和非高峰時(shí)段的能量需求不匹配問題。復(fù)合冰是指使用低于冰點(diǎn)3～6 ℃的乙二醇或鹽水溶液，通過冰罐或去離子水封裝的塑料球循環(huán)產(chǎn)生的二元混合相變蓄冷材料。由于在充冷循環(huán)中消除了聚變潛熱，從而使水轉(zhuǎn)化為冰時(shí)獲得更高的存儲(chǔ)容量。吳贊俠等［13］利用熱力學(xué)軟件對(duì)符合冰和相變蓄冷材料進(jìn)行了蓄冷和放冷仿真模擬，分析對(duì)比兩種材料在相變過程中蓄冷量和蓄冷時(shí)間的變化規(guī)律。潛熱值的影響使得相變材料蓄冷量更大。在相同體積下，冰蓄冷放冷速率高，放冷更快，相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響使其放冷時(shí)間長(zhǎng)，溫度較穩(wěn)定。

針對(duì)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)換熱系數(shù)較低的情況，李天陽［14］提出耦合相變材料與換熱裝置形成蓄冷器，模擬換熱過程，分析了載冷劑進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)蓄冷速率和出口溫度的影響。在蓄冷過程中，相變材料完成度無法預(yù)知。王聰［15］設(shè)計(jì)了一種管肋狀蓄冷換熱器，探索中心部分材料相變進(jìn)度影響因素。設(shè)計(jì)是由管內(nèi)載熱流體與外壁相變材料換熱，建立相應(yīng)的傳熱數(shù)學(xué)模型，利用熱力學(xué)軟件分析相變材料溫度變化過程和相界面移動(dòng)狀況。

大多數(shù)蓄冷型空調(diào)系統(tǒng)采用球形膠囊填充床儲(chǔ)能，利用每單位體積的儲(chǔ)能單元容量高。Fang等［16］用直徑100 mm、壁厚1 mm 的聚合物球形膠囊填充水作為相變材料填料床蓄熱單元，對(duì)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷循環(huán)回路(1-4-3-2)、充冷循環(huán)回路(4-18,17-9-6-15- 12)、放冷循環(huán)回路(6-15-13-7-9)和供冷循環(huán)回路(7-8-11)組成（如圖3 所示）。結(jié)果表明，在相變材料潛熱蓄冷期間，系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器壓力降低，系統(tǒng)性能系數(shù)在4.1～2.1之間變化。蓄冷箱放冷速率在8.5 ～ 3.4 kW 之間變化，在放冷期間放冷量逐漸增加到45 MJ。實(shí)驗(yàn)表明采用球形膠囊填料床的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有更好的性能，在充放冷期間能夠穩(wěn)定工作。

圖3 蓄冷空調(diào)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)圖

Paramesh 等［17］對(duì)可持續(xù)性熱能儲(chǔ)存(包括建筑應(yīng)用的潛熱能和冷熱能)進(jìn)行了理論研究，得出了不同的建筑結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)設(shè)備相結(jié)合的蓄熱材料性能評(píng)估，微納米封裝的相變材料將提高熱能儲(chǔ)存的整體性能，被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)可達(dá)到約10%～15%的節(jié)能效果，主動(dòng)技術(shù)可達(dá)到45%～55%的節(jié)能效果。

冰蓄冷空調(diào)發(fā)展較為成熟，因其蓄冷材料價(jià)格低廉、儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。大多數(shù)學(xué)者專家將蓄冷材料應(yīng)用于系統(tǒng)蒸發(fā)段進(jìn)行潛熱蓄冷，不僅大大提升了熱泵供冷系統(tǒng)的能效，更提高了制冷量，減小了壓縮機(jī)工作負(fù)荷。目前，用于熱泵供冷系統(tǒng)的蓄冷材料溫度區(qū)間多集中在5 ℃左右，但是其強(qiáng)化傳熱、系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定性仍是研究熱點(diǎn)。

3 相變材料蓄熱供熱

蓄熱型空氣源熱泵是對(duì)傳統(tǒng)熱泵的優(yōu)化改進(jìn)。環(huán)境溫度高時(shí)，熱泵制熱能力高，同時(shí)將多余熱量存儲(chǔ)，環(huán)境溫度過低時(shí)，將這部分儲(chǔ)存的熱量利用到熱泵系統(tǒng)中，緩解供需不匹配的矛盾。

馬素霞等［18］設(shè)計(jì)開發(fā)了相變蓄熱式空氣源熱泵裝置，環(huán)境溫度較低時(shí)，利用相變蓄熱器有效解決除霜和啟動(dòng)延遲問題。相變蓄熱裝置是由蓄熱材料、冷凝盤管和橡塑保溫層組成。系統(tǒng)設(shè)置了供熱—蓄熱—放熱—除霜幾種模式。在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以環(huán)境溫度為控制變量，分析裝置的蓄放熱速率和除霜特性效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，蓄熱式熱泵設(shè)備的蓄放熱能力可以滿足低溫工況下的供熱需求，有效解決傳統(tǒng)熱泵供需矛盾，同時(shí)除霜功能有效地縮短了50%除霜時(shí)間，提高整體裝置的供熱性能。劉夢(mèng)云［19］通過經(jīng)濟(jì)體系模型和實(shí)際工況模擬分析蓄熱型熱泵供暖系統(tǒng)，提出相變蓄熱器承擔(dān)建筑熱負(fù)荷的蓄熱比定義。當(dāng)蓄熱比為60%時(shí)，經(jīng)濟(jì)模型年值最低，經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)谷電費(fèi)用占比近70%，一定程度上可以緩解城市棄電時(shí)間段問題，整體系統(tǒng)具有良好的市場(chǎng)前景。

傳熱熱泵熱水器在設(shè)備安裝和用戶使用方面存在一定的問題。安裝空間需求大，同時(shí)熱水箱占地較大，出水時(shí)需要配合熱水循環(huán)泵，后期維護(hù)成本高。商用大功率熱泵機(jī)組配置開放式水箱，水箱水溫變化幅度較大和箱體腐蝕泄漏問題對(duì)整體系統(tǒng)運(yùn)行存在重大隱患。

LONG 等［20］優(yōu)化傳統(tǒng)熱泵熱水器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了相變蓄熱式熱泵熱水機(jī)組，從系統(tǒng)原理圖4看出，該系統(tǒng)充分利用環(huán)境溫度源作為低溫端，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)吸收低溫段熱量，再用壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣態(tài)，通過冷凝盤管放熱給相變材料，進(jìn)行相變儲(chǔ)能。當(dāng)用戶端盤管用水時(shí)，高溫相變材料進(jìn)行逆過程釋放熱量，達(dá)到加熱冷水的目的。實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)熱泵輸入功率和相變材料釋放熱量總值，得出系統(tǒng)能效比值超過3.08。

圖4 相變儲(chǔ)熱式熱泵熱水器系統(tǒng)

為選擇最合適的蓄熱材料用于蓄熱型熱泵熱水器,巫江虹等［21］對(duì)三水醋酸鈉和石蠟的蓄熱性能進(jìn)行比較。研究采用添加增稠劑和成核劑,復(fù)合相變材料的儲(chǔ)(放)熱時(shí)間比石蠟的大幅度減少。所制備的相變材料應(yīng)用于復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器［22］，分析耦合系統(tǒng)的蓄熱和放熱過程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓄熱階段系統(tǒng)電功率快速上升，機(jī)組瞬時(shí)能效比緩慢減低。水箱中測(cè)量點(diǎn)的溫度變化速率不一致，水箱內(nèi)呈現(xiàn)出分層加熱現(xiàn)象。放熱階段，相變材料的溫度變化比同高度的水溫波動(dòng)較慢，相變材料固液相變時(shí)內(nèi)部熱阻高，換熱有延遲（見圖5）。

圖5 復(fù)疊式儲(chǔ)熱型空氣源熱泵熱水器原理圖

熱泵供熱系統(tǒng)中，相變儲(chǔ)能技術(shù)多用于冷凝段與壓縮機(jī)端的熱量回收利用。壓縮機(jī)出口溫度最高可達(dá)90 ℃以上，該部分熱能的利用不僅可提高系統(tǒng)能效，還可以提高整體系統(tǒng)的?效率。大多數(shù)學(xué)者針對(duì)熱泵供熱制備了55～80 ℃的相變材料，其潛熱值較蓄冷材料較低，且循環(huán)穩(wěn)定性未知。蓄熱式熱泵供熱系統(tǒng)多利用無機(jī)相變材料，其腐蝕性與毒性也是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

4 相變材料蓄熱除霜

空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵是除霜和抑制結(jié)霜。蒸發(fā)器表面結(jié)霜主要的影響因素是空氣露點(diǎn)溫度和蒸發(fā)器管壁溫度。蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)、取熱量和空氣溫度等因素決定了蒸發(fā)溫度，理論設(shè)計(jì)中結(jié)霜的進(jìn)程是根據(jù)空氣的干球溫度和相對(duì)濕度判定。空氣源熱泵在低溫高濕地區(qū)供熱，室外蒸發(fā)器會(huì)結(jié)霜，霜層堵塞翅片間隙，減小了空氣的流速，增加了換熱熱阻，影響了機(jī)組的制熱性能。抑制結(jié)霜首先可以改變蒸發(fā)端周邊空氣參數(shù)，其次改變熱泵系統(tǒng)內(nèi)熱流體的流程，再者直接從霜的結(jié)構(gòu)入手，添加外在驅(qū)動(dòng)力干涉成形。

電除霜的電耗能占比過大，經(jīng)濟(jì)性較低。逆循環(huán)除霜對(duì)用戶體驗(yàn)影響較大。熱氣旁通法可以有效解決除霜且不會(huì)降低室內(nèi)用戶舒適性，但由于其除霜時(shí)間過長(zhǎng)，所損失的能耗較大，節(jié)能效果不佳。蓄熱除霜可以分為水蓄熱和相變蓄熱。水蓄熱利用顯熱蓄熱，經(jīng)濟(jì)性好，比熱較小，蓄熱占用體積過大。相變蓄熱除霜利用相變材料高潛熱值，蓄熱器體積可控，結(jié)合熱泵系統(tǒng)布局，有較好的除霜效果。與其他除霜技術(shù)對(duì)比，蓄熱除霜同時(shí)提高了壓縮機(jī)的吸排氣壓力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

丁艷等［23］搭建了相變除霜系統(tǒng)，利用熱力學(xué)軟件對(duì)系統(tǒng)傳熱模型進(jìn)行分析，探討蓄熱器換熱管數(shù)量、換熱溫度差對(duì)除霜效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，換熱管數(shù)量的增加對(duì)換熱性能的提升有著顯著效果，提高管內(nèi)制冷劑溫度與相變材料的溫度差，能耗對(duì)比除霜效果成正比關(guān)系。董建鍇等［24］針對(duì)多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相變蓄能除霜系統(tǒng)，對(duì)換熱結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化換熱方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比了翅片管型和盤管型蓄能器的性能特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱泵機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，相變蓄能裝置蓄熱，盤管型換熱結(jié)構(gòu)有效降低了換熱時(shí)間，制冷劑流程較長(zhǎng)。從蓄放熱整體供熱周期對(duì)比發(fā)現(xiàn)，翅片式換熱結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)供熱影響更小。除霜過程中,翅片管型系統(tǒng)的吸氣溫度最低位-6.2 ℃,接近于正常供熱的吸氣溫度，而螺旋盤管型相變蓄能器系統(tǒng)的最低吸氣溫度降低至-19.9 ℃,并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間（見圖6）。

研究表明，相變儲(chǔ)能技術(shù)可有效地解決熱泵系統(tǒng)的結(jié)霜問題。多數(shù)學(xué)者設(shè)計(jì)的蓄熱除霜系統(tǒng)較為穩(wěn)定可靠，較傳統(tǒng)的熱氣旁通除霜與電除霜系統(tǒng)COP可升高5%與35%左右。但是因?yàn)橄嘧儾牧系膬?chǔ)熱密度有限，干燥劑的再生存在一定問題。

5 結(jié)論

本文從相變材料分類、熱泵供冷、熱泵供熱及熱泵除霜等方面總結(jié)了相關(guān)研究，對(duì)相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析闡述，探索了相關(guān)系統(tǒng)當(dāng)下的發(fā)展現(xiàn)狀與問題，主要得出以下結(jié)論：

1）相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱率、過冷度和相分離問題存在著一定的性能優(yōu)化空間。

2）相變材料用于熱泵供冷需要進(jìn)一步可行性研究，材料放冷速率和系統(tǒng)匹配性需要大量實(shí)驗(yàn)論證。

3）熱泵供熱系統(tǒng)利用儲(chǔ)能技術(shù)，使得熱水供熱更加穩(wěn)定，對(duì)原有儲(chǔ)罐式水箱進(jìn)行了極大的體積優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)提高相變材料熱轉(zhuǎn)換率，提高相變材料的循環(huán)穩(wěn)定性，解決腐蝕性等問題有待進(jìn)一步研究。

4）使用相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效地緩解熱泵除霜問題，提高了整體系統(tǒng)的能效比。干燥劑再生問題是未來研究的重點(diǎn)方向。