太阳能供暖系统的应用研究

(天津市特种设备监督检查技术研究院，天津 300192)

在建筑能耗中，冬季的供暖能耗约在建筑总能耗中的比例达到40%。这意味着，降低冬季供暖能耗就意味着可以实现建筑节能。当前冬季供暖方式主要有两大类，即集中供暖与分布式供暖。集中供暖主要是通过锅炉供暖，分别有燃煤、燃气、燃油三种方式，同时因为环保要求越来越高，导致锅炉供暖的成本也在不断上升[1]。而分布式供暖，主要存在于不具备集中供暖条件的偏远地区，这些地区供暖方式有传统煤炉、空调供暖两种，同样传统煤炉由于空气污染严重的原因正迅速减少。当室外环境温度极低时，一般的空气源式的空调供暖效果则是很不理想，室内温度基本在16℃左右[2]。同时人们对于太阳能利用的兴趣则是越来越大[3]，与太阳能结合的地源热泵、空气源热泵等研究越来越多[4-5]。

相变蓄热技术因其热能储存密度高、相变温度恒定、易控制等技术优点，在太阳能利用、热能储存方面研究的越来越多[6-7]。

但是，相变材料大多采用的是石蜡、醇类有机物、熔盐等等[8-10]，存在着成本和相变温度较高的问题，而且在冬季供暖应用时效果并不理想。因此，本文提出了一套以水为相变介质的太阳能供暖系统，并在极端条件下进行试验，发现完全能满足供暖需求。

1 实验系统

在该太阳能供暖系统中，通过调节阀门实现：在日间，通过集热板将太阳能的热量收集，其中一部分热量储存在相变蓄热池中，另一部分热量提供给热泵，用于室内供暖；在夜间，准确说来是太阳能集热板无法集热时，供暖系统将以相变蓄热池为热源，通过热泵将热量提取出来用于室内供暖。

在该实验系统中，选择水作为相变介质。首先，水相比其它相变介质，在大自然中是普遍存在的，意味着成本低。当然，更为重要的是其相变潜热巨大，而且液固转变温度在0℃附近，而这恰恰适合于冬季供暖，只要日间有太阳辐射，太阳能就能以潜热的形式储存在水中，热能储存率高。

太阳能供暖系统，如图1所示，包括太阳能集热板、热泵、室外机、相变蓄热池、阀门、系统管路等等。其中，热泵可以通过室外机以空气作为热源，亦可以将相变蓄热池作为热源。太阳能集热板，是将太阳能进行光热转换的装置，在冬季和夏季都可以使用。相变蓄热池内是以水为相变介质，其比热容要比空气大得多，即在显热释放阶段水就能比空气提供更多的热量，而且当环境气候条件极端恶劣，水温降低到0℃附近时，将进行相变潜热释放，能够为室内供暖提供足够的热量。室外机，是对太阳能供暖系统起一个短时间辅助的作用，当相变蓄热池所能提供的热量很少时启动。相变蓄热池，放置方式为卧式的，埋在地面以下是为了减少热能损失。

2 实验流程

此次研究的目的，主要是测试该太阳能供暖系统是否能在极端恶劣环境下满足室内供暖需求。整个实验分两部分，即放热实验与蓄热实验，需要说明的是放热实验开始前，相变蓄热池内相变介质，即水的温度在9℃左右。在放热实验中，先将太阳能集热板用遮阳布遮住，以相变蓄热池为热源，通过热泵为室内供暖提供热量。之后进行蓄热实验，再将太阳能集热板的遮阳布去掉，以太阳能集热板为热源，在为室内供暖的同时，将一部分热量储存在相变蓄热池中。

在本实验中，采用的是热电阻进行测温，分别安置在太阳能集热板、相变蓄热池、热泵的进出口，相变蓄热池内、室内以及室外。热电阻的精度达到0.1℃，且都经过校正。同时，相变蓄热池内相变介质体积变化是依靠液位测量的。

系统管路内的传热介质是乙二醇水溶液，比例为2∶1，凝固温度为-20℃，基本可以适用于当地的气候条件。传热介质的流量是通过手持式超声波测量仪进行测量，精度达到0.01 m3/h。在实验中，传热介质的流量在3 m3/h左右。

放热阶段，是从2月25日20点开始，至2月29日10点截止，持续时间87 h，有效实验时间50 h，相变蓄热池内部测温点温度从9℃下降到-2℃，实际液位上升83 mm，即体积膨胀率为5.09%。其中有效时间，是指热泵正常运行且相变蓄热池热量输出时的实验时间段。

在蓄热阶段，是从2月29日11点开始，至3月4日15点截止，持续时间100 h，实际有效时间30 h，相变蓄热池内部测温点温度从-2℃上升到3.6℃，实际液位下降48 mm，即相变蓄热池内部的冰并未完全融化为水。有效时间，是指太阳能集热板能将吸收的太阳能热量储存在相变蓄热池内的实验时间。

3 性能分析

供暖系统的性能指标有能耗、成本、室内温度等等，而室内温度应该是用户最关心的。当然，也可以通过对在实验过程中，瞬时换热量的描述来表征相变蓄热池的性能。

在图2(a)中，显示的是相变蓄热池内相变介质、室内环境和室外环境中的温度变化趋势。室外环境的温度变化趋势是有四个上升阶段和四个下降阶段，这就表明该放热实验持续了4天4夜。

相变蓄热池内相变介质的温度趋势如图2(a)所示，从9℃下降到-2℃，从该温度变化趋势中可以看到相变介质经历了液相显热释放阶段和潜热释放阶段，潜热释放时间长达2 000 min以上，但并未出现固相显热释放阶段，即并未实现完全放热。而通过温度变化趋势，可以看出室内环境温度一直处于20～25℃之间。这说明，在热泵运行期间，以相变蓄热池为热源时，可以达到室内供暖要求。

图2(b)显示的是在以相变蓄热池为热源的放热实验中，根据相变蓄热池、集热板、热泵进出口测得的温度所计算的换热量变化趋势。可以看到，相变蓄热池的放热量与集热板的吸热量变化趋势是成反比关系的。在日间，随着太阳能辐射的增强、峰值、下降，图2(a)中的室外空气的温度也在同步正向变化，使得传热介质流经集热板时的吸热量变化趋势也是增强、峰值、下降，对应的传热介质在相变蓄热池进口处的温度与相变介质的温度差变化趋势是降低、谷底、上升。

热泵制热量在不同的有效实验时间段，基本上是阶段性上升的趋势，这是因为在开始实验时管路系统内部就存在空气，在实验期间也在一直进行着排气与增加传热介质，这样换热量就在不断上升。同时在每个实验阶段内，制热量呈现的是阶段性的异常突起后逐渐下降趋势，这是因为热泵停止运行时，热泵进出口处的传热介质基本没有温度差，一旦热泵重启运行后，就会产生很大的制热量，即温度差急剧上升，开始正常运行后，传热介质温度差减小。

图3(a)显示的是在相变蓄热池蓄热阶段的温度变化趋势。要说明的是，有效的蓄热时间是指相变蓄热池能够储存热量的实验时间，而这个热量是来自于集热板吸收的太阳能，但每天太阳能辐射时间是有限的，所以该蓄热实验需要持续多天。

可以明显看出，相变蓄热池内的相变介质温度变化趋势有两个阶段，即相变潜热储存阶段和液相显热储存阶段，且潜热储存时间长达1 500 min。可以注意到，相变介质温度在t=1 750 min时，温度突然从5℃下降到2℃，之后再开始上升。同时，室内环境的温度变化在20～25℃区间内，满足供暖需求。

图3(b)显示的是在蓄热实验中，相变蓄热池蓄热量、辐射板吸热量、热泵制热量的变化趋势。首先观察热泵制热量的变化趋势，可以看出在大部分蓄热时间段内热泵制热量维持在1 500～2 000 kW·h之间。同时，观察蓄热池换热量和集热板吸热量的变化趋势，可以发现这两个变量趋势所形成的图型是近似对称的。可以注意到，相变蓄热池换热量是负值，这是因为换热量是以进出口温度差计算的，其值为负正表明相变蓄热池是在蓄热，其值越低表明蓄热量越多。集热板吸收的太阳能热量越多，相变蓄热池所储存的热量也就越多。同时也能看出，在大多数时间段内，集热板吸热量为热泵制热量和相变蓄热池蓄热量之和。

4 结论

(1)在整个实验过程中，即使室外环境温度最低在-10℃以下时，该太阳能供暖系统运行中室内环境温度能一直保持在20℃以上，完全可以满足室内供暖的需求。

(2)以相变蓄热池为热源进行供热，在供暖50 h之后，相变介质体积仅膨胀5.09%，意味着还有相当大量的潜热并未释放，同时也意味着该系统还能持续供热至少10 h以上。

(3)该太阳能供暖系统完全可以应用于不适用锅炉集中供暖的地区，即使是严寒地区。