相變材料在太陽能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了相變材料在太陽能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，開發(fā)適用于太陽能熱泵系統(tǒng)的脂肪酸類相變材料。以某太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)為研究對象，在蓄熱水箱中安裝相變蓄熱裝置，滿足夜間
摘要：介紹了相變材料在太陽能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，開發(fā)適用于太陽能熱泵系統(tǒng)的脂
肪酸類相變材料。以某太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)為研究對象，在蓄熱水箱中安裝相變蓄熱裝置，滿足夜間值班供暖熱負荷。與安裝相變蓄熱裝置前比較，系統(tǒng)的動態(tài)費用年值下降，經(jīng)濟性提高。
關(guān)鍵詞：相變材料；相變潛熱；太陽能；熱泵系統(tǒng)；經(jīng)濟性
Application of Phase-change Materials to Solar Heat Pump System
GUO Chunmei，ZHANG Zhigang，LV Jian，GUO Shiwei
Abstract：The application status of phase-change materials in solar heat pump system is introduced to develop fatty acids-like phase-change materials suitable for solar heat pump system.Taking a solar air-source heat pump system as research object.a phase-change heat storage device is installed in the heat storage water tank to meet heating heat load during night watch.Compared with before installing the phase-change heat storage device，the dynamic annual cost of system is reduced，and the economic efficiency is improved.
Key words：phase-change material；phase-change latent heat；solar energy；heat pump system；economic efficiency
    相變過程是一種伴隨有較大熱量吸收或釋放的等溫或近似等溫過程，相變潛熱一般較大，因此相變材料的蓄放熱特性在建筑供暖中有著較高的應(yīng)用價值[1～6]。太陽能熱泵是太陽能熱利用技術(shù)與熱泵技術(shù)的有機結(jié)合，可提高太陽能集熱器的效率和熱泵系統(tǒng)的性能[7～9]。太陽能是可再生能源，但存在能流密度低、不均勻性、間歇性，因此利用相變材料的蓄熱能力將熱量儲存在相變蓄熱水箱中，可使太陽能熱泵系統(tǒng)保持穩(wěn)定、高效的運行狀態(tài)。本文對相變材料在太陽能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進行探討。
1 相變材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
    國內(nèi)外對相變材料在太陽能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了廣泛研究。K.Kaygusuz等人[10～11]對相變材料CaCl2·6H2O在太陽能熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究，研究表明太陽能熱泵系統(tǒng)使用相變蓄熱技術(shù)后具有較好的供熱性能，特別是在夜間。王芳等人[12～13]針對太陽能地源熱泵的供熱量波動性問題，在系統(tǒng)中設(shè)置相變蓄熱裝置，利用CaCl2·6H2O的蓄放熱特性，通過對帶有相變蓄熱裝置的太陽能地源熱泵系統(tǒng)的運行模式及轉(zhuǎn)換條件的研究，使系統(tǒng)處于最佳運行工況，提高了系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)。姜益強等人[14]研究了太陽能季節(jié)性相變蓄熱熱泵系統(tǒng)的原理、組成及運行模式，并建立了數(shù)學(xué)模型。將CaCl2·6H20作為相變材料，以該系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)某別墅的應(yīng)用為例，對不同太陽能集熱器面積和相變蓄熱體體積下的集熱量、蓄熱裝置進出口流體溫度、相變材料平均溫度及相變蓄熱裝置散熱損失進行了模擬與分析。韓宗偉等人[15]以CaCl2·6H20為相變材料，研究了由太陽能集熱器、相變蓄熱水箱、熱泵機組、地埋管換熱器、末端裝置5部分組成的太陽能土壤源熱泵相變蓄熱供熱系統(tǒng)。相變蓄熱水箱協(xié)調(diào)了集熱器集熱量和建筑物負荷在時間上的相位差，提高了集熱器的集熱效率，使系統(tǒng)的運行更加靈活。
    由以上的研究可知，在太陽能熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用相變材料可以實現(xiàn)穩(wěn)定的供熱工況，提高系統(tǒng)性能。在這些研究中所使用的相變材料為CaCl2·6H20，該相變材料具有價格低廉、相變潛熱較高的優(yōu)點，相變溫度范圍為29～34℃，但相對于太陽能熱泵系統(tǒng)的運行溫度范圍偏高，對太陽能集熱器集熱效率有一定影響，也不利于系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
2 相變材料的開發(fā)與性能測試
    根據(jù)太陽能熱泵系統(tǒng)在我國寒冷地區(qū)的運行特點，相變材料應(yīng)該具有如下特征：
    ① 相變溫度適宜。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，相變狀態(tài)點應(yīng)該在太陽能集熱器運行溫度范圍內(nèi)階段性變化。由于太陽能集熱器受氣象因素的影響，具有出水溫度不穩(wěn)定的特性，因此定相變溫度相變材料很難適應(yīng)太陽能熱泵機組的要求，而非定相變溫度(具有一定相變溫度區(qū)間)相變材料能很好地滿足要求。這個溫度區(qū)間既能滿足熱泵高效工作的要求，也能使集熱器工作在高效的狀態(tài)。相變材料的相變溫度范圍宜為20～35℃。
    ② 相變潛熱大。相變材料的相變潛熱越大，蓄放熱能力就越強。
    ③ 相變過程緩慢完全。由于相變材料的蓄放熱周期是一個晝夜，因此應(yīng)在此時段內(nèi)能夠完成一個完整的蓄放熱過程。
    ④ 相變材料可多次重復(fù)使用，性能穩(wěn)定。
    ⑤ 無毒無害無腐蝕性。相變材料對封裝材料無腐蝕性，無毒無害，一旦滲漏對人體無害。
    脂肪酸類低共融混合物具有相變溫度低、相變潛熱大、性能穩(wěn)定、無過冷度(過冷度低)和價格適中的優(yōu)點，適用于太陽能熱泵系統(tǒng)。將不同脂肪酸類物質(zhì)按一定比例混合后，放到不銹鋼容器中邊加熱邊攪拌，待其完全熔融后，冷凝成低共融混合物。取試樣5mg，利用差式掃描熱量計對混合物的相變溫度和相變潛熱進行測定。特定混合比例下相變材料的相變溫度范圍為22～34℃，相變潛熱為181kJ/kg，相變溫度適宜，相對于CaCl2·6H20的相變溫度范圍更寬泛，有助于提高太陽能熱泵系統(tǒng)高效運行的穩(wěn)定性。
3 工程實例經(jīng)濟性分析
3.1 工程概況
    供熱對象為建筑面積為4000m2的天津市區(qū)某公共建筑。原太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)流程見圖1，夜間設(shè)置值班供暖，供暖熱負荷主要由空氣源熱泵承擔(dān)，當(dāng)室外溫度很低時，啟動電加熱器來輔助空氣源熱泵供熱。在此基礎(chǔ)上進行改造，在蓄熱水箱中加入裝有相變材料的蓄熱裝置，從而使集熱器的集熱效率大幅提高。原系統(tǒng)造價為165.1×104元，改造后新增設(shè)備造價為7.8×104元。夜間室內(nèi)供暖計算溫度為5℃，不同室外溫度持續(xù)時間及對應(yīng)的供暖熱負荷見表1，經(jīng)計算可得，供暖期總供熱量為254.74GJ。
 

表1 不同室外溫度持續(xù)時間及對應(yīng)的供暖熱負荷
室外溫度/℃
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
時間/h
9
37
111
189
304
580
385
225
183
供暖熱負荷/(W·m-2)
26.8
23.4
20.1
16.7
13.4
10.0
6.7
3.3
0.0
3.2 經(jīng)濟性分析
    采用動態(tài)費用年值法對改造前后的太陽能空氣源熱泵進行經(jīng)濟性分析，動態(tài)費用年值F的計算式為[16]：
 
式中F——動態(tài)費用年值，元/a
    i——年利率
    m——使用年限，a
    F0——系統(tǒng)造價，元
    F′——運行費用，元/a
    天津地區(qū)低谷電價為0.3778元/ (kW·h)。原系統(tǒng)為維持冬季夜間室內(nèi)供暖計算溫度，耗電量為37962 kW·h/a，則電費為14342元/a，由于用水量很小，水費可不計入運行費用中。改造后的系統(tǒng)耗電量為13103kW·h/a，同樣不計入水費，則運行費用為4950元/a，每年可節(jié)約9392元/a，約8.3年可收回新增設(shè)備造價。設(shè)定太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)的使用年限為15年，由式(1)計算得到，改造后的系統(tǒng)動態(tài)費用年值比改造前低1149元/a，因此改造后的系統(tǒng)經(jīng)濟性較優(yōu)。
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(本文作者：郭春梅 張志剛 呂建 郭式偉 天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機械工程系 天津300384)