相变储热在太阳能采暖中的应用研究

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(1.甘肃省建材科研设计院，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省低能耗建筑技术重点实验室，甘肃 兰州 730020)

0 引言

太阳能资源是重要的清洁可再生能源之一，其中，太阳能光热利用相关技术一直是国内外研究的热点，尤其是在建筑供能领域。近几年，为进一步发展建筑采暖低碳化，主动式太阳能光热利用已经逐步面向建筑采暖领域开展。在政策扶持方面，国家制定了一系列诸如《节能中长期专项规划》、《可再生能源发展“十二五”规划》等，明确指出农村太阳房及太阳能采暖是未来重要发展方向之一[1-2]。

由于太阳能具有不连续及辐照量不稳定的特点，因此若要实现较高的太阳能保证率，需要在太阳能供热系统中增加足够容量的储热单元[3]。储热系统根据储热材料的不同可分为显热储热、潜热储热和化学反应储热[4]。其中，水体显热储热具有成本低、操作简单、传热效率高等优点，是目前最常用的储热方式，但其储热密度小且放热时温度不恒定，尤其是短周期水体储热存在热损系数大的缺点。相变材料储热具有体积膨胀率小、储热效率高、储能密度大、储热温度区间可调等优点，但其换热特性差，常见的相变储热系统普遍存在“储不进去、放不出来”的问题[5]；毛前军等[6]采用数值模拟方法研究了中低温环境下太阳能相变蓄热系统的传热特性，获得了不同蓄热截面的温度变化趋势；李晓燕等[7]对球壳模型下相变材料的蓄能过程进行了动态研究。显热—潜热联合储热系统能够综合两者的优点，通过储热温度的耦合，最大限度实现储热的连续化、均匀化，因而在太阳能建筑供暖等领域有着广阔的应用前景。

1 采暖建筑概况

1.1 地理位置

该采暖建筑位于甘肃省兰州市永登县，属寒冷A区，年平均气温为5.9 ℃，采暖季为11月1日～3月31日共5个月，采暖季平均室外气温为-5.9 ℃。

1.2 建筑概况

该单体建筑为绿色建筑示范工程，地下一层，地上二层。总建筑面积216.81 m2，地上建筑面积184.92 m2(采暖面积)，地下建筑面积31.89 m2，建筑高度6.9 m。

图1为降低示范工程的能耗，提高太阳能采暖保证率，对建筑本体应用了各项节能技术。

1.2.1 建筑本体节能技术

建筑物的围护结构保温构造：

(1)外墙采用微孔轻质多功能复合保温砌块，外贴50 mm厚XPS，传热系数小于0.28 W/(m·℃)；

(2)屋面采用100 mm厚XPS，传热系数小于0.26 W/(m·℃)；

(3)地面采用500 mm厚陶粒混凝土保温层，传热系数小于0.43 W/(m·℃)；

(4)外窗采用断热桥中空双层玻璃铝合金窗。

图1 采暖建筑

1.2.2 被动式技术

图2在建筑物向阳面设置了15.26 m2阳光间，选用高透过低辐射的Low-E玻璃制作成78.21 m2的太阳能暖廊，让太阳光中短波全部透过而阻挡室内长波向外辐射，提高直接受益式太阳能的利用率[8]；地面铺设卵石蓄热层，提高接收外界辐射热量和减少向外辐射热量。

1.3 采暖系统概况

供暖热源采用太阳能与地源热泵互补的方式，末端采用低温热水地板辐射。太阳能系统采用热管式真空管集热器，总面积25.36 m2，总轮廓采光面积20.48 m2，工作介质为防冻液，系统为间接式系统，防冻液经板式换热器换热，换热后的热水经储热箱储热，由循环泵供给采暖；地源热泵机组的制热功率为30.5 kW，换热孔深度100 m，换热孔数量为10眼[9]。

2 组合式储热系统设计

2.1 相变材料选取

由于本项目建筑采用地板辐射采暖，所需的温度储存区间为40～60 ℃，综合考虑储热密度、物理化学性质、成本增量等因素，选取石蜡作为储热材料。石蜡的密度约为0.9 g/mL。

考虑到储热应用对材料的纯度要求不高以及后续的工程化推广，本项目采用市售工业用石蜡。对购买得到的样品进行了DSC分析，测试条件为起始温度30 ℃，Δt=2 ℃/min，氦气氛围。测试结果如图2所示。

图2 石蜡样品的DSC分析曲线

从图中看到，该样品升温过程的熔化起始点为54.1 ℃，终止点为56.1 ℃。但是降温过程的熔点温度出现了6.6 ℃的偏差。这可能是由于在此测试条件下，处于氦气氛围中，导热系数低造成的。为此，进行了在石蜡中添加质量分数3%的石墨粉的导热增强实验，并在同等条件下测试了DSC曲线，如图3所示。从图中可以看出，添加石墨粉的样品相变焓为158.5 J/g，相变温度为49.1～59.0 ℃，降温过程与升温过程的熔点温度差为4 ℃，比不添加石墨的纯样品减小了2.6 ℃。

由实验得出，石蜡储热材料在实际应用中必须采用增强导热的措施，一般采用添加高热导率材料如铜粉、铝粉或石墨粉等作为填充物以提高热导率，来提高传热性能。

2.2 储热体设计

2.2.1 储热系统组成

储热系统由两部分组成：储热水箱和相变储热体，二者串联连接，如图3所示。

2.2.2 相变储热体

相变储热体外形呈长方体，设计储热量为35 MJ，尺寸为L*W*H=2 000×1 000×800 mm，体积1.6 m3，固定安装在室内的混凝土底座上。箱体内部按65%的体积比放置储热球体，共有3 041个储热球体，共使用了220 kg石蜡。储热体的一侧下端为流体入口，另一侧上端为流体出口，相变储热体采用聚氨酯绝热材料保温。储热体内部结构如图4所示。

储热球外壳为PC材质，球体直径为65.5 mm。每个球体中按70%的体积比封装石蜡72.35 g，储热材料中均匀混合了质量分数为3%的石墨粉，采用热封装的方式。由于球体呈规则多面体，所以摆放时能够在实现尽可能密堆积的同时，留出换热流体通过的空隙，有利于相变材料的充放热。储热球体如图5所示。

图3 组合式储系统

图4 相变储热箱结构

图5 封装了储热材料的储热球体

2.2.3 储热水箱

储热水箱的容积为1 m3，水箱外壳用聚氨酯绝热材料保温，最大限度地降低热损。

2.3 控制系统

本系统在太阳能热水系统中央控制器的基础上，增加了地源热泵和储热系统控制模块，实现水温水位显示、温差循环、自动补水、定温循环等功能，实现自动连续稳定供暖。通过在用户侧设定房间控制温度以及水箱供水温度，实现对系统的运行控制，同时能够记录组合式储热体出口温度、室内空气温度等温度数据。运行控制策略如下。

2.3.1 温差强制循环

集热器出口与水箱温差ΔT1≥5 ℃(可调)时，集热循环泵启动，防冻液进入水箱中的板式换热器换热，使水箱中的水升温；ΔT2<3 ℃(可调)时，泵停止。

2.3.2 采暖循环

当末端室内温度低于设定值时，启动采暖循环泵，由储热箱热水向采暖末端供暖。

2.3.3 辅助热源循环

当水箱中的水温低于40 ℃(可调)时，开启地源热泵侧阀门，由地源热泵机组提供采暖热源。

2.3.4 储热体充热循环

从水箱中出来的高温水进入储热体，储热体吸收热量后温度升高。从储热体出来的低温水回到水箱中，再次由太阳能和热泵提供的热量加热，如此循环。

2.3.5 储热体取热循环

夜间或太阳光照不足时，进行取热。从水箱中出来的低温水首先进入储热体，吸收热量后温度升高。从储热体出来的高温水进入采暖系统放热，温度降低。放热后的水再进入水箱中，如此循环。

3 系统性能测试

3.1 测试方案(见表1)

表1测试方案

测试项目测试时间测试方法测试依据太阳能系统集热量;地源热泵系统供热量;采暖耗热量。通过计算末端供热量与热源端得热量的比值,即可得到水—相变材料储热系统的储热效率。2016年11月～2017年2月采用长期测试方法,能量流测试在采暖期开始供暖、并且系统达到热稳定后进行。测试方案及测试点布置如图6所示(不代表实际连接方式)。GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》[10];系统设计图纸与设计方案文件及相关设备技术资料等文件。

图6 系统测试方案

3.2 仪器设备

3.3 数据分析方法

依据热平衡原理，储热系统热平衡方程为

Qhs=Qs+Qp-Qt-Ql

(1)

式中Qhs——储热系统内能变化/kJ；

Qs——太阳能系统的有效供热量/kJ；

Qp——地源热泵机组的有效供热量/kJ；

Qt——向末端的供热量/kJ；

Ql——储热系统的热损失，包括热水通过壁面的热损、水体蒸发热损、补水造成的混合热损，以及相变材料在充放热过程中由于放热不完全导致的热损失/kJ。

表2主要检测设备

序号测量物理量设备名称图片 设备性能参数备注1热量超声波组合式热量表仪表量程:温度10～130 ℃;温差限0.1～180 ℃;供热计量起始温差>0.05 ℃仪表分辨率:温度0.1 ℃,流量0.1%流量值存储温度:0～60 ℃测量周期:每30 s(外接电源每4 s)存储:实时输出根据直管段距离要求安装,分别安装在太阳能集热系统回水管、热泵供水管以及供热末端回水管上。2室内外环境温度温湿度自计议仪表分辨率:温度0.1 ℃;湿度0.1%RH仪表量程:温度-40～100 ℃;湿度0～100%RH仪表不确定度:温度0.5 ℃;湿度3%仪表工作环境温度:0～50 ℃仪表工作环境湿度:10%～90%RH存储容量:15 000组数据。室外空气温度测点放置于建筑北侧,无太阳直射处。室内温度测点放置于远离墙壁、门窗、内热源位置,测点高度距地1.3～1.5 m。

太阳能集热侧向水箱的有效供热量由下式计算得到：

(2)

式中cr——工质(防冻液)的比热/kJ·(kg·℃)-1，取3.56 kJ/(kg·℃)；

ρr——工质(防冻液)的密度/kg·m-1，取1.06×103kg/m3；

Vsi——第i次记录的太阳能集热侧的流量/m3·s-1；

tsii——第i次记录的太阳能集热侧的水箱进口温度/℃；

tsoi——第i次记录的太阳能集热侧的水箱出口温度/℃；

Δτsi——数据采集步长/s。

地源热泵侧向水箱的有效供热量由式(3)计算得到

(3)

式中cw——工质(水)的比热/kJ·kg·℃-1，取4.2 kJ/(kg·℃)；

ρw——工质(水)的密度/kg·m-3，取1×103kg/m3；

Vpi——第i次记录的地源热泵侧的流量/m3·s-1；

tpii——第i次记录的地源热泵侧的水箱进口温度/℃；

tpoi——第i次记录的地源热泵侧的水箱出口温度/℃；

Δτpi——数据采集步长/s。

向末端的供热量由下式计算得到

(4)

式中Vti——第i次记录的末端侧水的流量/m3·s-1；

ttoi——第i次记录的末端侧水箱出口温度/℃；

ttii——第i次记录的末端侧水箱进口温度/℃；

Δτti——数据采集步长/s。

3.4 测试结果

3.4.1 典型日测试数据

选取11月24日、12月13日和1月5日作为典型日，分别代表供暖初期、较冷月、最冷月的情况。太阳能集热系统进出口温度及流量变化、地源热泵系统进出口温度及流量变化、末端供回水温度及流量变化分别如图7～图9所示。

图7 典型日太阳能集热系统进出口水温及流量

3.4.2 能量流分析

根据累计热量分析计算，得到各月份统计数据如表3所示。

表3各月份累计能量流统计表

注：1太阳能集热器供热量=太阳能集热器供入水箱的累计热量；2地源热泵机组供热量=地源热泵机组供入水箱的累计热量；3末端供热量=通过散热器供入室内的累计热量；4系统总供热量=太阳能集热器供热量+地源热泵机组供热量；5储热系统热损失=系统总供热量-末端供热量；6储热效率=末端供热量/系统总供热量。

3.4.3 室内外温度

11月～2月房间平均室温见表4。根据相关数据分析，房间室内温度变化幅度较小，热舒适度较好。

表4室内环境温度

11月～2月的室内外温度变化如图10所示。

图8 典型日地源热泵系统进出口水温及流量

图9 典型日末端供回水温度及流量

图10 室内外环境温度变化

4 结论

(1)水—相变材料储热系统的储热效率达到51.65%。

(2)通过合理匹配储热系统，可再生能源系统能够满足寒冷地区单体建筑采暖的全部需求。

(3)当地最冷月(1月份)室内平均温度可达到14 ℃，11月～2月平均室内温度达到16.54 ℃，并且室内温度维持恒定。表明带有短周期储热系统的可再生能源系统供暖效果较好。

研究证明，在建筑本体节能的基础上，采用带有水—相变材料储热的可再生能源系统为寒冷地区单体建筑供暖具有可行性。