太陽能相變蓄熱+電鍋爐供暖系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

朱 林，李 妍，韋新東，丑雪松，張逸超

（1.吉林建筑科技學院 吉林長春 130114；2.吉林建筑大學 吉林長春 130118）

0 引 言

能源是人類生存發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟繁榮發(fā)展的驅(qū)動力，在大規(guī)模利用能源的同時必不可少地會帶來碳污染排放量增長。在不久的將來，建筑能耗將超過交通能耗、工業(yè)能耗成為我國三大能源消耗的“耗能大戶”［1］。尋求可再生清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源供暖是現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而太陽能作為開發(fā)利用較早的清潔可再生能源［2］，不僅能量取之不盡、用之不竭，而且無需開采及運輸，既不會污染環(huán)境，也不會破壞生態(tài)平衡。因此，以太陽能為冬季供暖熱源對改變我國能源結(jié)構(gòu)、建筑領(lǐng)域節(jié)能降碳具有重要意義。

1 太陽能供暖系統(tǒng)中相變集熱器的研究

太陽能集熱器是一種將零散的太陽光收集、聚攏起來并轉(zhuǎn)換為熱能的集熱裝置，是太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部分。因此，提高太陽能集熱器儲熱效率及太陽能有效利用率引起了學者的廣泛關(guān)注。

以真空管集熱器為例，真空管太陽能集熱器與相變材料結(jié)合有2種方式：一種是將相變材料集成于熱管內(nèi)部，一種是將熱管浸泡在相變材料中。華維三等［3］設(shè)計了一種新型無水箱式太陽能復合相變儲能集熱器，通過將復合三水醋酸鈉封裝在相變蓄熱球里并填充于太陽能真空集熱管中，形成了集熱、儲熱、釋熱及無水箱的一體化結(jié)構(gòu)，通過蓄、放熱對比實驗可得，與純水集熱器相比，相變蓄熱式集熱器蓄熱量增加了43.8%，放熱量多出1.98 MJ，且單位小時溫降相對較低。Alexios Papadimitratos等［4］提出一種將相變材料集成于太陽能真空管集熱器的新方法，即將熱管浸泡在相變材料內(nèi)，其在大型商用太陽能熱水器中的應(yīng)用表明，該太陽能熱水器正常運行效率比普通無相變材料的太陽能熱水器高26%，停滯工況下效率提高66%，證明該技術(shù)應(yīng)用于太陽能熱水器真空管集熱器具有可行性。

漿料（MPCM）作為具有高熱容量、可實現(xiàn)更高的傳熱效率的相變材料，在傳熱速率相同的情況下所需的質(zhì)量流量小，其常常作為太陽能集熱器的傳熱介質(zhì)［5］。Serale G等［6］將以漿態(tài)PCM為帶熱體的太陽能集熱器與以水為帶熱體的太陽能集熱器進行數(shù)值模擬對比研究，結(jié)果表明，采用漿態(tài)PCM作為載熱液可以使系統(tǒng)的換熱量提高20%～40%。Fei Ma等［7］將相變漿料（PCS）作為載熱流體和儲熱介質(zhì)填充于直接吸收式太陽能集熱器（DASC）中，他們的研究表明，與水或油等純導熱液相比，PCS的傳熱性能更好。相比基于PCS的傳統(tǒng)間接吸收太陽能集熱器（IASC）和無相變材料的DASC，基于PCS的DASC能提高光熱轉(zhuǎn)換效率。

從現(xiàn)有的文獻來看，國內(nèi)太陽能供暖系統(tǒng)中高效相變蓄熱集熱器的研究主要集中在相變集熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、可行性分析、相變材料的選擇等問題上，體現(xiàn)在開發(fā)新型高效相變蓄熱式集熱器和太陽能集熱器面積、最佳安裝傾角、最佳安裝方位的優(yōu)化研究等方面。

2 太陽能供暖系統(tǒng)中相變蓄熱裝置研究

近年來，對太陽能供暖系統(tǒng)中蓄熱部分的研究多集中于蓄熱裝置的蓄放熱性能，即如何增加相變蓄熱裝置的蓄熱量、提高蓄放熱效率等。相變蓄熱裝置蓄熱性能的主要強化手段有改變蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)和提高相變材料熱導率，此外，還可采用添加不同形狀的肋片（如翅片）、采用相變微膠囊、改變熱流密度、添加多相變材料等方法。孟娟等［8］研究發(fā)現(xiàn)：肋片的高度、厚度、數(shù)量、長度、微膠囊材料孔隙率、厚度和直徑等因素對蓄熱裝置熱性能都有一定的影響；改變換熱流體的入口溫度對相變蓄熱裝置的換熱特性較改變換熱流體的質(zhì)量流量對相變蓄熱裝置的換熱影響較大；添加多相變材料時需注意排列順序。

2.1 改變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)

李建強等［9］通過增加殼管式蓄熱單元傳熱面積來增強傳熱，但隨著時間的推移，其換熱量減小，為解決無效面積問題，設(shè)計了一種可更換多級相變板儲熱裝置，以實現(xiàn)更穩(wěn)定、更舒適的供暖溫度。宗弘盛等［10］為提高蓄熱裝置熱效率，提出了套管式梯級相變蓄熱裝置，在內(nèi)外管之間按照傳熱流體流入方向依次布置3種蓄熱材料，通過建立蓄、放熱過程數(shù)學模型，比較單極與梯級蓄熱裝置在相同工況下的熱性能。結(jié)果表明，梯級相變蓄熱裝置的蓄熱量、有效能利用率更高，蓄、放熱時間所需時間更短，此種方法可有效提高蓄熱裝置傳熱性能，但對于蓄熱裝置內(nèi)傳熱流體溫度變化范圍比較小的場合，沒有必要使用溫度不同的相變材料了。胡志培等［11］通過引入橢圓因素對水平殼管式相變蓄熱裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究結(jié)果表明，與常規(guī)圓形殼管蓄熱裝置相比，具有橢圓元素的殼管蓄熱裝置蓄熱時間更短。方桂花等［12］對蓄熱裝置內(nèi)恒定螺距的螺旋管進行了結(jié)構(gòu)改進，提出了漸變螺距螺旋管蓄熱裝置，并研究了螺旋管內(nèi)傳熱流體在5種不同迪恩數(shù)（De）和入口溫度工況下PCM的放熱性能。實驗表明，在入口溫度一定、De數(shù)增大的情況下，恒定螺距、漸變螺距蓄熱裝置都會縮短放熱時間，但漸變螺距螺旋管蓄熱裝置放熱效率更勝一籌。

2.2 改變相變材料

目前增強相變材料導熱系數(shù)和穩(wěn)定性的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，較常用方法有添加高導熱、相容性好的材料（如添加納米顆粒、碳基材料）、利用多孔結(jié)構(gòu)吸附（如金屬泡沫、膨脹石墨材料）、微膠囊封裝法、添加成核劑法等。

綜上，對太陽能供暖系統(tǒng)中相變蓄熱部分的研究主要集中在增強蓄熱裝置的蓄放熱性能上，體現(xiàn)為變換相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)和選擇高熱導率的蓄熱材料，通過對蓄熱裝置、相變材料導熱性能進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了相變蓄熱裝置的蓄熱量，提高了蓄放熱速率。

3 太陽能供暖系統(tǒng)中輔助熱源（電鍋爐）的研究

3.1 輔助熱源

太陽能供暖系統(tǒng)中常見的輔助熱源（煤炭、石油、天然氣）有鍋爐、電鍋爐、熱泵（空氣源、水源、土壤源）、生物質(zhì)能和城市熱力管網(wǎng)等。燃煤、燃油鍋爐作為我國傳統(tǒng)的供暖模式，發(fā)展時間長，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但其燃燒后產(chǎn)生的煙氣污染嚴重。天然氣鍋爐雖然產(chǎn)生的污染氣體相對較少，但運行費用高達燃煤鍋爐的4倍［13］。生物質(zhì)鍋爐供暖方式熱效率高于傳統(tǒng)鍋爐，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，但其利用受地域、政策限制，體積較大，且存在燃燒不充分有殘渣等問題，還需進一步解決。

3.2 電鍋爐的應(yīng)用

電鍋爐是以電能為加熱源，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過鍋爐的換熱部位（電阻發(fā)熱或電磁感應(yīng)發(fā)熱）將熱媒加熱到一定溫度，并向外輸送蒸汽、高溫水或有機載熱體的設(shè)備。電鍋爐與普通的傳統(tǒng)鍋爐不同，沒有爐膛、煙道和煙囪,也不用儲存燃料，即初投資較低，運行成本視電鍋爐的電力來源而定，可以為市電、光伏電等。王剛［14］搭建了電磁能耦合相變蓄熱水箱輔助太陽能供暖系統(tǒng)，基于transys模擬仿真平臺建立模型，通過正交試驗將系統(tǒng)仿真部件的主要參數(shù)進行組合，以太陽能集熱器面積、水箱體積和電磁能加熱功率為優(yōu)化參數(shù)，并以費用年值為優(yōu)化目標，對滿足室內(nèi)供暖負荷的方案進行對比分析，選出費用年值最小的系統(tǒng)參數(shù)配置方案。優(yōu)化結(jié)果顯示，相比于優(yōu)化前，集熱器面積減少了37.5%，水箱體積減少了33.33%，初投資可減少24.36%。相比于單獨的電磁能供暖方式，太陽能耦合相變儲能供暖方式在系統(tǒng)最優(yōu)配置下整個供暖季可節(jié)約電能2 344 kW·h。張威等［15］采用槽式聚光集熱器，電鍋爐作為輔助熱源，通過軟件模擬太陽能供熱系統(tǒng)，供暖期輔助熱源電鍋爐總補熱量為總耗熱量的8%左右，實際太陽能保證率可達92%左右，總體運行費用較低，證明該太陽能供熱方案合理可行。

以電鍋爐作為太陽能供暖系統(tǒng)中較常見的輔助熱源和復合熱源的研究很多，主要集中于不同供暖模式下節(jié)能性、經(jīng)濟性對比研究和系統(tǒng)優(yōu)化等。

4 未來發(fā)展前景

4.1 技術(shù)方面

當前加強太陽能供暖系統(tǒng)中太陽能集熱器的換熱技術(shù)手段已達到一定水平，主要是將相變材料集成于太陽能集熱器內(nèi)部和改變太陽能集熱器結(jié)構(gòu)，為進一步優(yōu)化集熱器的熱性能，可以從太陽能集熱器材料和流體工質(zhì)等角度出發(fā)，也可以將2種及以上強化方法結(jié)合使用來提升太陽能集熱器性能和效率。因為太陽能集熱器除了集熱效率低外，有些還存在高溫過熱、低溫凍裂、工質(zhì)泄露等問題，需要進一步深入研究。

相變蓄熱裝置的傳熱強化一般是通過增大換熱面積和提高相變材料傳熱系數(shù)實現(xiàn)的，單一的強化手段現(xiàn)已基本成熟，將至少2種強化技術(shù)結(jié)合的復合強化技術(shù)是蓄熱系統(tǒng)強化傳熱的未來發(fā)展方向。

目前對相變蓄熱式太陽能供暖系統(tǒng)的研究主要集中于系統(tǒng)某一部分的研究，未來應(yīng)著重于研究相變蓄熱技術(shù)如何與太陽能供暖系統(tǒng)更好的耦合，以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的有效能源利用率。

4.2 經(jīng)濟效益方面

太陽能相變儲能+電鍋爐供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的初投資和運行費用上。電鍋爐初投資較低，運行費用取決于電力來源。雖然太陽能與電鍋爐聯(lián)合供暖初始投資較高，但在有效使用年限內(nèi)，太陽能與電鍋爐聯(lián)合運行供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性比單獨電鍋爐供暖系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性好。之后需要考慮的是電鍋爐的電能來源，可以充分利用清潔可再生能源發(fā)電，如風力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏電等，從而降低系統(tǒng)的運行成本；對于相變蓄熱的供熱系統(tǒng)來說，還需考慮相變材料市場工程造價問題。

4.3 節(jié)能環(huán)境效益方面

供暖系統(tǒng)節(jié)能效益是由系統(tǒng)運行過程中的總耗電量決定的，太陽能相變蓄熱+電鍋爐供暖系統(tǒng)在供暖期耗電量小于電鍋爐單獨運行的供暖模式，節(jié)能效益顯著。環(huán)境效益主要體現(xiàn)在系統(tǒng)減少化石能源的消耗上，即減排各種污染物總量。太陽能耦合相變蓄熱+電鍋爐供暖系統(tǒng)以可再生清潔能源為熱源，系統(tǒng)電力來源可由清潔能源發(fā)電滿足，運行過程中不排放任何污染物，較常規(guī)的燃煤（油）鍋爐等方式在減少環(huán)境污染、開發(fā)利用清潔可再生能源方面具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，有明顯的環(huán)境效益。

鑒于我國太陽能資源總量豐富，開發(fā)太陽能供暖工程具有成熟的技術(shù)支撐、優(yōu)越的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，積極推廣太陽能與多能源互補供暖系統(tǒng)工程具有可靠性和實際推廣應(yīng)用的價值，符合我國建筑領(lǐng)域的綠色低碳發(fā)展方向。