低品位热能驱动的热化学吸附变温器冷热复合储能研究

马良，王如竹，李廷贤

（上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240）

低品位热能驱动的热化学吸附变温器冷热复合储能研究

马良*，王如竹**，李廷贤

（上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240）

本文介绍了一种基于热化学吸附变温器原理的冷热复合储能技术，在此基础上采用热化学吸附工质对NaBr-NH3搭建了低品位热能驱动的热化学吸附储能实验测试系统，对其变温吸附储热和吸附储冷性能进行了理论及实验研究。研究结果表明：变温吸附储热模式时，在变温 15℃的工况下储热密度为258kJ/kg；吸附储冷模式时，在制冷温度7℃的工况下储冷密度可达525kJ/kg，COP为0.3，SCP可达175W/kg，实验数据分析表明热化学吸附变温器在低品位热能高效回收利用和能量储存方面具有很好的发展潜力，可同时实现热量和冷量的复合储存。

热化学吸附 储能 能量提升 变温器

0 前言

能源和环境问题是目前的热点话题，随着人们对节能和环保的日益重视，低品位热能利用技术受到了广泛的关注，但是低品位热能作为替代能源的发展仍旧面临着诸多阻碍，例如实际使用中低品位热能因温度较低通常较难被直接利用，且能量供给与能量需求有时会出现时间上不匹配的矛盾，而储能技术则是解决这种不匹配问题的重要途径。现有储能技术可分为显热储能，相变潜热储能和化学储能三种方式[1]。显热储能技术装置简单，成本较低，但能量储存密度较低，而且输出温度波动过大；潜热储能能量储存密度较高，储热、释热过程近似等温，但过冷和析出问题一直未能良好的解决；化学储能能量储存密度大，工质数量众多，可根据不同的工况进行选择，具有良好的发展前景。

目前，对于吸附式系统，吸附式制冷已经得到了广泛的认识和应用，但是对于吸附系统的储能和热泵应用研究较少。应用吸附式系统进行储能的原理是采用低品位热能为驱动力，利用固－气可逆化学反应过程中热能与吸附势能相互转化实现能量储存的技术，拥有储存过程无热能损失的优点[2]。在此基础之上，可利用化学吸附盐的温度与压力变化的反应特性构建一种热化学变温吸附技术，在实现热量储存的同时，可实现制冷工况或者将热量释放时的输出温度提升的比原储存时输入温度更高的热泵工况，将储能与低品位热能高效利用结合在一起，为低品位热源的能量的利用提供了一种新的思路。

1 系统介绍与搭建

1.1 系统工作原理

根据能量应用的方式不同可将系统分为变温吸附储热工况和吸附储冷工况，利用吸附系统间歇运作的特性，当热能供应充足时让吸附反应器解吸实现储能，当需要使用热量或者冷量的时候再使循环继续，达到了储能的目的。

图1 热化学变温吸附储能系统组成示意图

系统组成如图1所示，高温热源提供使吸附反应器解吸的储热热量，而低温热源提供变温吸附储热循环（热泵工况）下使储液器内液态制冷剂温度升高的变温热量。冷却塔带走储能时气态制冷剂液化的放热量，最终释放的吸附热提供给热用户。

变温吸附储热循环原理如图2所示，

A-B：高温热源加热吸附反应器，吸附反应器内吸附盐解吸出气态制冷剂，制冷剂被冷却后液化进入储液器被储存；

B-C：液态制冷剂在储液器被低温热源加热到C点，实现变温；

C-D：当需要热量时连接储液器与反应器，高压气态制冷剂进入反应器，被吸附盐所吸附产生吸附热，通过循环介质释放出能量；

D-A：回收或者向环境放出显热热量，完成变温循环。

图2 热化学变温吸附储热循环示意图

图3 热化学吸附储冷循环示意图

吸附储冷工况循环原理如图3所示，

A-B：热源对反应器输入热量，吸附反应器内压力升高达到冷凝压力。

B-C：到冷凝压力后，连接反应器与储液器，吸附反应器内吸附盐解吸出气态制冷剂，经冷却液化进入储液器被储存；

C-D：反应器在冷却水作用下降温，同时压力下降到蒸发压力；

D-A：当需要冷量时连接储液器与反应器，储液器内液态制冷剂蒸发相变进行制冷，气态制冷剂进入反应器被吸附盐所吸附，吸附热被冷却水带走。

图4 试验台结构及实物图

1.2热化学吸附储能实验系统

试验台搭建中，为了取得更好的冷却和制冷效果，在储液器之上设置一个冷凝器，冷凝器采用板翅式换热器，主要用于储能过程中循环工质的冷却液化；储液器内部设有换热盘管，可用外界低温热源通过水环路进行加热，主要用于加热液态制冷剂实现变温过程以及蒸发相变制冷。实验系统主要由反应器，冷凝器，储液器几部分构成，通过氨路管道相连，系统与外界热源，冷却塔和冷热用户使用水路进行换热循环。实验系统使用Pt100铂电阻测量温度,精度约为±0.2℃。

吸附工质对是吸附系统的关键因素[3]，本文以热化学吸附储能工质对 NaBr-NH3为例[4]对储能技术进行分析，故对于本系统而言，反应方程式为：

反应器填装的复合吸附盐由NaBr吸附盐和膨胀石墨采用浸渍法[5]混合、烘干后制得, 填装在碳钢翅片管翅片的缝隙之间，使用细孔铁丝网包裹固定。反应器两端使用碳钢堵头焊接密封使并联翅片管的油路并联成为一个整体。膨胀石墨在 700℃环境中烘制12～15min，吸附盐与膨胀石墨以3:1的质量比例进行混合，以改善吸附盐的传热性能。

图5 翅片管实物

图6 反应器结构及实物图

2 实验结果及分析

2.1 变温吸附储热性能研究

2.1.1 储热工况热力循环分析

本文对储能循环主要从储能能力和升温能力两个方面进行分析。

储能量计算[6]方式：

储能效率：储存的理论效率为输出热量和输入热量的比值。循环中，输出热量就是吸附反应热，而输入热量包括高温热源加热反应器所提供的反应热和低温热源加热储液器的变温加热量两部分。因此热泵工况储能效率计算公式为：

图7 热化学变温吸附储热Clapeyron图

热泵工况的理论变温性能可通过Clapeyron图[7]计算得到，设定环境温度 Tc=20℃，储液器变温到Te=40℃，可根据NH3的温度-压力曲线得到对应温度下的压力，然后根据吸附盐反应平衡线得到反应器对应压力下的温度Toutput=58℃，Tinput= 43℃，反应器输入温度与输出温度的升温幅度为15℃。系统循环流程为：反应器中的复合吸附剂被加热到43℃向储液器解吸出气态氨，气态氨被冷却水冷却成为20℃的液态氨后储存在储液器内；储液器内液态氨被低温热源加热到40℃后，连接储液器与反应器，储液器内的液氨蒸发成为气态氨进入反应器内被吸附，产生反应热提供给热用户。

2.1.2 储热特性实验研究

当储存能量时，设计反应器内部温度为43℃，按照反应器传热温差6℃计算，使用流量为0.33kg/s的循环水加热反应器，环境温度23℃，此时反应器内的氨向储液器解吸储存，得到数据如图8。

可看到，储热过程中，反应器平均进出口温差1.7℃，反应器解吸耗热量为1357kJ。

释放能量时，储液器内部设计温度为 58℃,传热温差6℃计算，使用52℃循环水冷却反应器，气态氨进入反应器被吸附释放出反应热,得到数据如图9。

可看到，当连接储液器和反应器时，由于制冷剂的蒸发相变，储液器进出口温差达到 2.5℃，此时从反应器输出的温度明显高于向反应器输入的温度，二者平均温差为 1.7℃，从而实现了低品位热能的能量品位提升，释能功率可达到1.2kW，变温释放热量为 1242kJ，填充复合吸附剂质量为5.26kg，计算得到储热密度为 258kJ/kg，低温热源输入的变温加热量为1693kJ，故储能效率为40.7%，这是由于试验系统显热过大所致，热容对于吸附系统的影响非常明显[8]，经过优化设计后储能效率将会有明显的提高。

2.2 吸附储冷性能研究

2.2.1 储冷工况热力循环分析

现在对于吸附式制冷的研究较多，评价方式主要来源于COP和SCP，吸附式制冷循环COP的计算方式为：

图8 储能试验过程进变化曲线

SCP的计算方式为：

2.2.2 储冷特性实验研究

当冷凝温度为23 ℃, 解吸温度为70℃，蒸发温度为7℃时，实验结果如图10。

储冷过程中，反应器平均进出口温差 5.4℃，反应器解吸耗热量为9199kJ。

当释放冷量时，设计制冷温度为7℃,反应器解吸温度为自然环境温度22℃，使用冷却水冷却反应器，储液器内部储存的液态氨相变蒸发进入反应器被吸附释放出反应热,得到数据如图11。

图9 释能试验过程变化曲线

图10 储冷过程变化曲线

图11 释冷过程变化曲线

可以看到，释放冷量时储液器进出口平均温差0.8℃，制冷量为2758kJ，根据实验结果可计算出制冷循环下COP为0.3，SCP为175W/kg，填充复合吸附剂质量为5.26kg，所以储冷密度为525kJ/kg。

3 结论

本文介绍了一种基于热化学吸附变温器原理的冷热复合储能技术，并以工质对 NaBr-NH3为例搭建了热化学吸附储能实验测试系统，对其变温吸附储热和吸附储冷性能进行了实验研究。结果表明：采用热化学吸附变温器可有效实现低品位热能的高效储存和能量品位提升，在变温吸附储热模式下，在升温15℃的工况时的储热密度为258kJ/kg；吸附储冷模式时，在制冷温度 7℃的工况时储冷密度可达525kJ/kg，COP为0.3, SCP为175W/kg。实验数据分析表明热化学吸附变温器在低品位热能高效回收利用和能量储存方面具有很好的发展潜力，可同时实现热量和冷量的复合储存。对于吸附系统来说，金属热容对效率有较大影响，经过合理的优化之后，储能效率将会得到进一步提升。

[1]余晓福, 张正国, 王世平. 复合蓄热材料研究进展[J].新能源,1999.21 (9) :35-38

[2]Wu Huijun, Wang Shengwei, Zhu Dongsheng. Effects of impregnating variables on dynamic sorption characteristics and storage properties of composite sorbent for solar heat storage[J].Solar Energy,2007,81(7):864-871

[3]纪秀玲, 王保国, 于勇. 太阳能化学热泵工质对的研究[J]. 沿海企业与科技,2005,7:110-111

[4]Li Tingxian,Wang Ruzhu, Jeremy Kiplagat, et al.Performance analysis of a multimode thermo-chemical sorption refrigeration Cycle for solar-powered cooling systems[C].SET2010-9th International Conference on Sustainable Energy Technologies; Shanghai, China. 2010

[5]王如竹, 王丽伟, 吴静怡. 吸附式制冷理论与应用[M].北京:科学出版社,2007.

[6]林贵平, 袁修干. 化学热泵系统在太阳能热利用中的应用[J]. 太阳能学报,1996,17(1):94-97

[7]Wang Liwei , Wang Ruzhu, Wu Jingyi, et al. Design,Simulation and Performance of A Waste Heat Driven Adsorption Ice Maker for Fishing Boat [J].Energy,2006,31:244-259

[8]李廷贤.新型多效双重热化学吸附制冷循环研究[J]上海交通大学博士论文2009:81-82

Study on the Combined Cold and Heat Energy Storage of Thermochemical Sorption Heat Transformer Powered By Low-Grade Thermal Energy

Ma Liang*, Wang Ruzhu**, Li Tingxian
(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

A combined cold and heat energy storage of thermochemical sorption heat transformer technology was introduced. And based on that, an experimental facility was organized based on NaBr-NH3working pair. The performance of the system was studied to confirm the effect of the technology. The experiment result is: In the heat pump condition, when temperature was lifted 15℃, the heat storage capacity is 258kJ/kg. In refrigeration condition, the refrigeration storage capacity can arrive 525kJ/kg, the COP can arrive 0.3 and SCP can reach 175W/kg. The research results showed that: Thermochemical sorption heat transformer has great potential in high efficient utilization and storage of low-grade energy. While at the same time, the technology can also realize the of cold and heat energy storage.

thermochemical sorption; energy storage; energy upgrade; heat transformer

*第一作者：马良（1987年-），男，上海交通大学制冷与低温工程研究所，硕士研究生，主要从事太阳能储能方面研究。E-mail: maliang830@gmail.com，Tel: +86-18801947681。

**导师：王如竹，男，上海交通大学制冷与低温工程研究所，教授，主要从事太阳能热利用以及吸附式制冷等方面的研究。E-mail: rzwang@sjtu.edu.cn

国家自然科学基金（No.50906053 ）