相变储热技术在太阳能热泵中的应用.docx

相变储热技术在太阳能热泵中的应用孙志林屈宗长(西安交通大学)摘 要 在阐述相变储热的应用研究状况和分析其应用于太阳能热泵的必要性的基础上 ,重点介绍常用于太阳能热泵的常低温相变材料特点及相变储热装置 ,给出带储热器的太阳能热泵的运行模式 ,最后指出 相变储热技术在太阳能热泵的应用领域应重点研究的内容 。关键词 相变材料 太阳能热泵 储热appl icat ion of pha se change heat storage technol ogy to solar heat pumpsun zhilinq u zo ngchang( xian j iaoto ng u niversit y)abstract elabo rates applicatio n st udy sit uatio n of p hase change heat sto rage and analyzest he necessit y of applicatio n of p hase change heat sto rage to solar heat p ump , int ro duces no r mal and low temperat ure p hase change materialscharacteristic and heat sto rage equip ment s , and operatio n mo des of using heat sto rage equip ment in sa hp , point s o ut t he co ntent abo ut st udy2 ing p hase change heat sto rage technology in solar heat p ump applicatio n areas.key wo rds p hase change material ( pcm) ; solar heat pump ; heat storage太阳能是一种可再生清洁能源 ,长期以来一直受到科研人员的研究和重视 。在太阳能的利用中 , 太阳能热泵把太阳能作为热泵的低位热源 ,是利用 太阳能的一种有益尝试 。但是太阳能作为一种间歇式能源 ,其辐射受到昼夜 、季节以及雨雪天气等 因素的影响 ,表现为间断性和不稳定性 。解决这一 问题的关键所在是采用可靠的 、性能优良的储热材变储能系统设计等方面做了大量工作 ,并在马萨诸塞州建起了世界上第一座 pcm 太阳能暖房 。上 世纪 60 年代 ,随着载人空间技术的迅速发展 ,美国 na sa 大力发展了相变材料热控技术 。阿波罗 15号将相变材料应用于信号处理单元 ,驱动控制电子 器件和月球通讯中继单元 。70 年代早期 , 日本三 菱电子公司和东京电力公司联合进行了用于采暖 和制冷系统的相变材料的研究 。德国也进行了大 量相变储能的机制和应用的研究 , krichel 绘制了大量 pcm 的物性图表 。他认为石蜡 、水 、盐和水 合盐是 100 以下储能用相变材料的最佳候选材料1。它可以在获得太阳能期间进行储热 , 又 可以在间断期将所储热量释放供热泵蒸发器使用 。由此可见 ,储热在太阳能热泵供热系统中所起的作 用 ,不论从供热还是从经济的角度来看 ,都比一般系统大得多 。因此 ,对于太阳能供热系统而言 ,储热是必要的条件 。1相变储热应用现状在相变储热的理论和应用研究方面 ,美国一直 处于领先地位 。dr . maria telkes 和他的同行们先后在相变材料的配制和性能研究 、相平衡 、结晶 、相 变传热 、相变材料性能改善 、相变材料封装方式 、相料2。近年来 , 相变储热的应用研究主要集 中 在太空太阳能动态发电系统储热 ,地面太阳能的直接热利用 ,建筑物围护结构储热和转移电力峰值负 荷 ,平衡电力应用的空调储热 ,其次是工业余热 、废热回收系统储热 。相变储热在太阳能热泵的应用研究领域 ,土耳其 k. kaygusuz 等学者研究较为深 入 。他们对相变储热材料 cacl2 6 h2 o 在太阳能 收稿日期 :2005208222通讯作者 :孙志林 , email :zhilin0428 163 . co m第 6 期孙志林等 :相变储热技术在太阳能热泵中的应用45 有机和有机 pcm 的混合物8 。目前 ,在太阳能热泵相变储能中研究和应用最 多的是无机材料中的 na2 so4 10 h2 o ,cacl2 6 h2 o 和有机材料中的石蜡 。na2 so4 10 h2 o 和 cacl2 6 h2 o 具有成本低 、相变潜热大和适用于各种应用的相变温度等优点 ,但过冷较严重 ,易发生相分层 , 导致储热性能恶化 ,而且容器价格高 。为防止过冷 现象 ,常选用过冷倾向小的相变材料或加入结晶催 化剂 。相变过程中水合盐的盐2水分离问题 , 现在 常用的方法是添加增稠剂 ,如羧甲基纤维素 、甲基 纤维素等9 。对于要提高此类相变材料的热导性 和化学稳定性 ,目前尚无好的方法 。石蜡的优点是 融解热大 ,一般不过冷 ,不析出 ,性能稳定 ,无腐蚀 性且在有机相变材料中价格最低 。它的缺陷是导 热系数和密度小 ,单位元体积储热能力差 ,而且在 相变过程中由固态到液态体积变化较大 。为了提 高石蜡导热性能 ,一些学者提出接触式储热 ,通过 石蜡与传热液体直接接触 ,但物理 、化学性质不发 生变化 (如石蜡和水) 2 。无论是无机材料还是有 机材料 ,人们在使用时一般选择价格低廉 、导热系 数大 、化学稳定性好的相变材料 。固2固相变储热材料主要是通过晶体有序2无 序结构转变进行可逆地吸 、放热 。具有应用潜力的 固2固相变材料目前有三类 ,即多元醇 、高密度聚乙 烯和层状钙钛矿 。虽然固2固相变材料具有不生成 液态 、体积变化小 、过冷度小 、无腐蚀 、热效率高和寿 命长等优点 ,但是绝大部分固2固相变材料由于相变 温度和价格高等原因 ,不太适合应用于太阳能储热 供暖 。虽然多元醇之间混合可得到相变温度适合太 阳能热泵储热的混合固2固相变材料 ,但价格原因一 直是它在应用上的障碍 。另外多元醇在固2固相变 温度以上时转变为塑性晶体 ,易挥发损失 。在复合相变材料中 ,无机/ 无机相变材料应用 最简单 ,通过几种相变储热材料的混合得到新的储 热材料 。例如水合硫酸钠与水合碳酸钠以不同摩 尔分数混合得到的储热材料 ,具有在 2432 间 可调节的相变点 。以水合硫酸钠为相变主体储热 材料时 ,可用不同量的氧化钠在 1927 范围内 调节相变点 。混合相变材料的研制 , 使人们能较 灵活地配制出适合应用于太阳能热泵储热的相变材料 。但相变材料的这种混合 ,往往导致相变潜热 的下降 ,以及在长期的相变过程中 ,相变材料的变 性致使储热能力恶化 。热泵的应用进行了一系列研究 , 指出使用储热技术 , 太 阳 能 热 泵 特 别 在 晚 上 有 很 好 的 供 热 性能3 24。我国相变储热材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱 ,虽然有专利问世 ,但从应用范 围来看 ,国内的蓄热材料目前只是应用在太阳暖房 、农用日光温室等领域 。在太阳能热泵中的应用研究还处于初始阶段 。实验中一般用水作为储热 介质 ,或者为了简化系统整个太阳能热泵系统不采 用储热设备 (太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一的直膨式太阳能热泵系统) 5 27 。虽然水具有传热 及流动特性好 、热膨胀系数及粘滞性较小 、价格低 廉 、来源丰富的特点 ,但水储热为显热储热 ,其单位 质量 、单位体积的储热量远远比不上潜热储热 。以 冰水相变的过程为例 ,对相变材料在相变时所吸收的潜热以及普通加热条件下所吸收的热量做以下 比较 :当冰溶解时 ,吸收 335 j / g 的潜热 ; 当水进一 步加热 ,温度每升高 1 ,它只吸收大约 4 j / g 的 能量 。可见 ,由冰到水的相变过程中所吸收的潜热 几乎比相变温度范围外加热过程的热吸收高 100倍 。因此要储存相同的热量 ,以水为储热介质的储 热设备相对以相变材料为储热介质的储热设备体 积大很多 ,给系统安置带来很大不便 。没有储热设 备的太阳能热泵系统虽然可以节省集热循环与热 泵循环之间的换热设备 ,使系统更紧凑 。但是太阳能的低密度 、间歇性和随机性等缺点 ,直接影响到 直膨式太阳能热泵的供热性能和稳定运行 。相变 储热技术在太阳能热泵中的应用 ,既可大大减少储 热设备体积 ,又可以弥补太阳能受气候和地理位置 影响的缺陷 ,使系统结构更紧凑 ,布置灵活 ,运行费用降低 。在太阳能热泵系统中使用相变储热技术 , 储热设备的热效率高低直接影响到太阳能热泵系 统的供热性能 。因此热存储材料和换热系统的选 择是关键 。2 相变储热在太阳能热泵中的应用2 . 1 相变材料的种类相变储能材料的种类很多 ,从化学组成来看 , 可分为无机材料和有机材料以及混合相变材料 3 大类 。储能过程中 ,按材料相态的变化 ,又可分为 固2液相变储能和固2固相变储能两大类 。无机类pcm 包括结晶水合盐 、熔融盐 、金属合金和其他无 机物 。有机类 pcm 包括石蜡 、脂肪酸和其他有机 物 。混合 pcm 主要含无机和无机 、无机和有机 、制 冷与 空 调第 6 卷46 定形相变材料是近年刚刚发展起来的一类新型复合相变材料 。这种相变材料以高密度聚乙烯 为支撑材料 ,石蜡为相变材料 ,使相变材料分散其 中 ,在高于它们熔点温度混熔后冷却成型 ,其具有 良好的稳定性 ,易于加工 ,成本较低 。选用不同相变温度的石蜡可制备一系列不同熔点的相变材料 ,而且具有与传统相变材料相当的相变潜热10 。2 . 2 储热装置相变储热装置的特点之一是 ,储热器和热交换 器结成一体 ,因此在储热或取热的同时也进行着热交换 。当储热装置中的相变材料发生熔解或凝固 时 ,相变材料与工作介质之间的传热速率将随着凝 固或熔解过程的进展而变化 。在相变材料储热装 置设计所要考虑的主要因素有 : 装置工作的温 度范围 ; 相变材料的溶解2凝固温度 ; 相变材料的潜热 ; 储热装置的热负荷 ; 贮能装置的 配置 ,即相变材料的封装 、管束的安排 。另外 ,工作 介质的类型与装置几何形状有关的空隙率的实验 参数以及传热面与相变材料体积之比也必须确定 。 应保证储热装置在充分融化情况下能有最佳的热性能2 。在储热装置的设计中 ,若选取有较大密度和潜 热的相变材料 ,储热装置的体积可以减少 ,但减少 的过多 ,压降和泵功将会增加到难以承受的程度 , 需要权衡利弊 。一般来讲 ,储热装置中流速的增加将会增加工作介质和相变材料的传热速率 ,但也增 加了压降和所要求的泵功 。同时装置中的压降过 小将会造成流动的分布不均和装置效率的降低 。 储热装置的形状一般有矩形和筒形两种 。矩 形装置易于加工且成本较低 ,但散热面积大 ,需要较多保温材料 ,承重承压能力也较差 ; 圆筒形装置 具有较大的耐压能力 ,保温性能也较好 ,但制造成 本较高 。在太阳能供热系统中 ,常见的相变储热装置有 平 行 圆 管 式 储 热 器11 ( sensible heat sto rage system having parallel circular t ubes) 和组合式相变储热器12 。2 . 2 . 1 平行圆管式储热器图 1 表示平行管相变储热器的结构 ,它由筒形 容器 、高密度聚乙烯圆管组成 。桶形容器外部包有 隔热材料 , 内部垂直方向有几十根高密度聚乙烯管 ,相变储热材料被封装在管内 ,每根管内必须留 有一定的空余空间 ,用来防止储热材料在相变过程 中的热膨胀将管胀裂 。载热介质从储热器一头流入 ,从另一头流出 ,通过聚乙烯圆管管壁传递热量给储热材料 。平行圆管式相变储热器作为储热装 置直接供热 ,效率不高 。但其结构简单 ,成本较低 , 在太阳能热泵储热中得到越来越多的应用 。图 1 平行圆管式相变储热器结构简图2 . 2 . 2组合式相变储热器图 2 表示了组合式相变储热器的结构简图 ,它 主要由钢板 、折流板 、高密度聚乙烯管组成 。内部 结构由 a ,b ,c 3 个区构成 ,每个区内都有几十根高 密度聚乙烯管 ,相变储热材料封装在管内 ,每根管 内都留有 5 %10 %的空余空间 ,用来避免储热材 料受热膨胀将管胀裂 。a ,b ,c 3 个区内的相变材料相变点温度值是不相同的 ,沿高温水流动方向依次 降低 ,根据实际需要 ,各区之间相差 2. 55. 5 。 每个区内各有 2 块折流板 ,用以增加流体的扰动 ,提 高换热效果 。整个换热器外部设有隔热保温材料 。图 2 组合式相变储热器结构简图2 . 3 太阳能热泵供暖工作流程根据储热器在太阳能热泵供热系统中的位置 , 可以分为低温储热器和高温储热器 ,如图 3 所示 。 由图可见 ,与集热器直接相连的为低温储热器 。因储热温度较低 ,热损失较小 ,故对于隔热措施的要 求不高 ,结构也比较简单 。与房间供热设备直接相 连的为高温储热器 ,为了使所储存的热量在整个储 热时间内能保持所需的热级 ,就必须采用良好的隔第 6 期孙志林等 :相变储热技术在太阳能热泵中的应用47 热措施 ,造价也相应提高13 。冬季晴朗白天 ,载热介质在集热器中获取太阳辐射能后 ,流入储热器 ,通过箱内的换热盘管将部 分热量传递给储热介质 ,然后进入蒸发器与制冷剂 换热 ,并通过热泵循环系统进行供热 ,降温后的集 热介质在管道泵的作用下又流回太阳能集热器 ,由此完成一次循环 。 夜间 ( 或阴雨天) ,从蒸发器流出的载热介 质不流经太阳能集热器 ,而是通过三通阀直接流入 储热器 ,从储热介质中吸取热量后流回蒸发器 ,再 通过热泵循环进行供热 。当无太阳能可利用 ,且储热器中的储热量 不充足 ,不能使热泵满足供热需要时 ,使系统按储 热器及电加热模式供热 ,即从冷凝器出来的热水经 电加热至供热温度后供给热用户 。图 3 太阳能热泵供暖工作流程在太阳能热泵中 ,由于成本问题 ,很少使用高 温储热器 ,一般通过变频技术和电子膨胀阀控制压 缩机的制冷剂的循环量和进入室内换热器制冷剂 的流量来调节热泵对房间的供热量 。在热泵供热 不能满足房间负荷要求时 ,使用电加热补充 。所以 这里重点介绍只有低温储热器的太阳能热泵储热 工作流程 ,如图 4 所示 。为了保证供暖系统运行的 稳定性和连续性 ,综合考虑各种气候条件 、太阳辐 射情况电网电价等情况 ,有以下三种工作模式 。图 4 相变储热系统的太阳能热泵供暖流程3 结束语在能源供给渐趋紧张的今天 ,相变材料以其独 特性越来越受到人们广泛的重视 。但目前相变储热应用于太阳能热泵储热仍存在一些问题 。投资费用较高 。除了在太阳能热泵中安装 储热器需要增加初投资外 ,为了保证储热器长期有 稳定的工作性能 ,定期的维护也是必须的 ,这样则增加热泵系统的运行费用 。尽管水合盐材料本身 费用较低 ,但为了防止其中水分减少引起相变潜热 降低 ,容器必须密封 ,而且许多水合盐对容器有腐 蚀性 ,务必对容器增加防腐措施 ,这些就大大增加 了投资14 。 有机相变材料的导热系数较低 。为了达到 较高的换热效率需要对换热器进行特殊设计 ,从而增加了系统设计难度 。复合相变材料经过几种相变材料混合 , 往 往导致相变潜热的下降 , 以及在长期的相变过程中 , 相变材料的变性 , 致使蓄热能力恶化 。 多元醇价格较高限制了它作为贮热材料的 大规模使用 ;另外过冷问题 ,升华因素 ,热传导能力 欠佳 ,稳定性 、潜在的可燃性也是它应用的瓶颈 。笔者认为解决以上问题 ,使相变储热作为一项 新技术在太阳能热泵中发挥更好的作用 ,应从以下 几方面做起 : 针对太阳能中低温范围内可供选择的相变 材料较少 ,开发出更多具有合适的相变温度与相变焓 ,在长期使用过程中物理化学性能稳定的 、符合 环保的 、低价的相变材料 。制 冷与 空调第 6 卷48 研究改善相变材料的导热性能 , 提高其相变速率的方法 。例如 ,为了提高石蜡等有机 pcm 的导热能力 ,可以在其中添加金属粉末 、石墨粉 、金 属网等 。根据相变换热的特点 ,研究相变储热换热器的强化换热措施 ,包括选取合适的封装材料 ,改 进换热器的结构 ,沿传热流体流动方向布置相变温 度不同的相变材料等各项措施 。5赵军 ,马一太 ,郑宗和 ,等 . 太阳能热泵供热水系统的实验研究 . 太阳能学报 ,1993 , (4) :3062310 .y h kuang , r z wang , l q yu. experimental st udy o n solar assisted heat p ump system for heat supply. en2 ergy co nversio n & management ,2003 ,44 :108921098 .旷玉辉 ,王如竹 ,许煜雄. 供热水系统的性能研究. 工程热物理学报 ,2004 ,25 (5) :7372740 .葛新石 . 太阳能工程原理和应用. 北京 :学术期刊出版 社 , 1988 .6789戴, 唐 黎 明 . 相 变 储 热 材 料 研 究 进 展. 化 学 世 界 ,参 考 文 献2001 , (12) :6622665 .李玉红 ,焦庆影 ,夏定国 , 等 . 常低温相变储热材料的 研究和应用 . 化学教育 ,2004 ,12 :9213 .王剑锋 . 相变储热研究进展 . 新能源 ,2000 ,22 ( 3) : 31235 .张寅平 ,胡汉平 ,孔祥冬 ,等 . 相变贮能 - 理论和应用 .合肥 :中国科学技术大学出版社 ,1996 :9222 .k kaygusuz , t ayhan. experimental and t heoretical investigatio n of co mbined solar heat p ump system for residential heating. energy co nversio n & manage2 ment ,1999 ,40 :137721396 .kamil kaygusuz. experimental and t heoretical investi2gatio n of latent heat storage for water based solar heat211011 mehmet esen. teoman ayhan. development of a model2compatible wit h solar assisted cylindrical energy storage tankand variati