相变材料在太阳能热泵系统的应用

摘 要

摘要：介绍了相变材料在太阳能热泵系统中的应用现状，开发适用于太阳能热泵系统的脂肪酸类相变材料。以某太阳能空气源热泵系统为研究对象，在蓄热水箱中安装相变蓄热装置，满足夜间
摘要：介绍了相变材料在太阳能热泵系统中的应用现状，开发适用于太阳能热泵系统的脂
肪酸类相变材料。以某太阳能空气源热泵系统为研究对象，在蓄热水箱中安装相变蓄热装置，满足夜间值班供暖热负荷。与安装相变蓄热装置前比较，系统的动态费用年值下降，经济性提高。
关键词：相变材料；相变潜热；太阳能；热泵系统；经济性
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
    相变过程是一种伴随有较大热量吸收或释放的等温或近似等温过程，相变潜热一般较大，因此相变材料的蓄放热特性在建筑供暖中有着较高的应用价值[1～6]。太阳能热泵是太阳能热利用技术与热泵技术的有机结合，可提高太阳能集热器的效率和热泵系统的性能[7～9]。太阳能是可再生能源，但存在能流密度低、不均匀性、间歇性，因此利用相变材料的蓄热能力将热量储存在相变蓄热水箱中，可使太阳能热泵系统保持稳定、高效的运行状态。本文对相变材料在太阳能热泵系统中的应用进行探讨。
1 相变材料的应用现状
    国内外对相变材料在太阳能热泵系统中的应用进行了广泛研究。K.Kaygusuz等人[10～11]对相变材料CaCl2·6H2O在太阳能热泵系统中的应用进行了研究，研究表明太阳能热泵系统使用相变蓄热技术后具有较好的供热性能，特别是在夜间。王芳等人[12～13]针对太阳能地源热泵的供热量波动性问题，在系统中设置相变蓄热装置，利用CaCl2·6H2O的蓄放热特性，通过对带有相变蓄热装置的太阳能地源热泵系统的运行模式及转换条件的研究，使系统处于最佳运行工况，提高了系统的制热性能系数。姜益强等人[14]研究了太阳能季节性相变蓄热热泵系统的原理、组成及运行模式，并建立了数学模型。将CaCl2·6H20作为相变材料，以该系统在哈尔滨地区某别墅的应用为例，对不同太阳能集热器面积和相变蓄热体体积下的集热量、蓄热装置进出口流体温度、相变材料平均温度及相变蓄热装置散热损失进行了模拟与分析。韩宗伟等人[15]以CaCl2·6H20为相变材料，研究了由太阳能集热器、相变蓄热水箱、热泵机组、地埋管换热器、末端装置5部分组成的太阳能土壤源热泵相变蓄热供热系统。相变蓄热水箱协调了集热器集热量和建筑物负荷在时间上的相位差，提高了集热器的集热效率，使系统的运行更加灵活。
    由以上的研究可知，在太阳能热泵系统中应用相变材料可以实现稳定的供热工况，提高系统性能。在这些研究中所使用的相变材料为CaCl2·6H20，该相变材料具有价格低廉、相变潜热较高的优点，相变温度范围为29～34℃，但相对于太阳能热泵系统的运行温度范围偏高，对太阳能集热器集热效率有一定影响，也不利于系统运行的稳定性。
2 相变材料的开发与性能测试
    根据太阳能热泵系统在我国寒冷地区的运行特点，相变材料应该具有如下特征：
    ① 相变温度适宜。为了使系统稳定运行，相变状态点应该在太阳能集热器运行温度范围内阶段性变化。由于太阳能集热器受气象因素的影响，具有出水温度不稳定的特性，因此定相变温度相变材料很难适应太阳能热泵机组的要求，而非定相变温度(具有一定相变温度区间)相变材料能很好地满足要求。这个温度区间既能满足热泵高效工作的要求，也能使集热器工作在高效的状态。相变材料的相变温度范围宜为20～35℃。
    ② 相变潜热大。相变材料的相变潜热越大，蓄放热能力就越强。
    ③ 相变过程缓慢完全。由于相变材料的蓄放热周期是一个昼夜，因此应在此时段内能够完成一个完整的蓄放热过程。
    ④ 相变材料可多次重复使用，性能稳定。
    ⑤ 无毒无害无腐蚀性。相变材料对封装材料无腐蚀性，无毒无害，一旦渗漏对人体无害。
    脂肪酸类低共融混合物具有相变温度低、相变潜热大、性能稳定、无过冷度(过冷度低)和价格适中的优点，适用于太阳能热泵系统。将不同脂肪酸类物质按一定比例混合后，放到不锈钢容器中边加热边搅拌，待其完全熔融后，冷凝成低共融混合物。取试样5mg，利用差式扫描热量计对混合物的相变温度和相变潜热进行测定。特定混合比例下相变材料的相变温度范围为22～34℃，相变潜热为181kJ/kg，相变温度适宜，相对于CaCl2·6H20的相变温度范围更宽泛，有助于提高太阳能热泵系统高效运行的稳定性。
3 工程实例经济性分析
3.1 工程概况
    供热对象为建筑面积为4000m2的天津市区某公共建筑。原太阳能空气源热泵系统流程见图1，夜间设置值班供暖，供暖热负荷主要由空气源热泵承担，当室外温度很低时，启动电加热器来辅助空气源热泵供热。在此基础上进行改造，在蓄热水箱中加入装有相变材料的蓄热装置，从而使集热器的集热效率大幅提高。原系统造价为165.1×104元，改造后新增设备造价为7.8×104元。夜间室内供暖计算温度为5℃，不同室外温度持续时间及对应的供暖热负荷见表1，经计算可得，供暖期总供热量为254.74GJ。
 

表1 不同室外温度持续时间及对应的供暖热负荷
室外温度/℃
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
时间/h
9
37
111
189
304
580
385
225
183
供暖热负荷/(W·m-2)
26.8
23.4
20.1
16.7
13.4
10.0
6.7
3.3
0.0
3.2 经济性分析
    采用动态费用年值法对改造前后的太阳能空气源热泵进行经济性分析，动态费用年值F的计算式为[16]：
 
式中F——动态费用年值，元/a
    i——年利率
    m——使用年限，a
    F0——系统造价，元
    F′——运行费用，元/a
    天津地区低谷电价为0.3778元/ (kW·h)。原系统为维持冬季夜间室内供暖计算温度，耗电量为37962 kW·h/a，则电费为14342元/a，由于用水量很小，水费可不计入运行费用中。改造后的系统耗电量为13103kW·h/a，同样不计入水费，则运行费用为4950元/a，每年可节约9392元/a，约8.3年可收回新增设备造价。设定太阳能空气源热泵系统的使用年限为15年，由式(1)计算得到，改造后的系统动态费用年值比改造前低1149元/a，因此改造后的系统经济性较优。
参考文献：
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[16] 盛晓文.供热技术经济学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.
 
(本文作者：郭春梅 张志刚 吕建 郭式伟 天津城市建设学院 能源与机械工程系 天津300384)