相变蓄热装置热性能测试方法比对研究

王碧玲 刘宗江 邹立成 李爱松

1 建科环能科技有限公司

2 中国航空规划设计研究总院有限公司

1 研究背景

由于大部分能源本质上是间歇性的，因此储能在节约可用能源和提高能源利用率方面发挥着重要作用。在储能的实际应用中，短期存储能源通常比较常见，但也可能在某些情况下需要长期储存能源[1]。与显热储热方式相比，相变储热方式由于其更高的储热密度得到了广泛的研究。相变蓄热装置因其体积小、蓄热量大、放热温度均匀等特点在热能储存方面有很广阔的应用前景[2]。

2017 年 9 月 22 日，国家发展改革委，财政部，科学技术部，工业和信息化部，国家能源局五部委联合发布 《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》，在重点任务中指出：集中攻关一批具有关键核心意义的储能技术和材料。重点包括变速抽水蓄能技术，大规模新型压缩空气储能技术，化学储电的各种新材料制备技术，高温超导磁储能技术，相变储热材料与高温储热技术，储能系统集成技术，能量管理技术等。

2017 年5 月开始，2017 年和2018 年连续两年，国家四部委面向 2+26 大气污染传输通道城市和汾渭平原城市开展清洁供暖试点城市建设。电供暖作为清洁供暖的重要组成部分得到广泛应用。在这种背景下，相变蓄热装置作为低谷电蓄热的重要技术手段得到了大面积的应用。

中国工程建设标准化协会于 2017 年 5 月 11 日发出了《关于印发 <中国工程建设标准化协会 2017年第一批产品标准试点项目计划 >的通知》（建标协字[2017]015 号），团体标准《无内置热源相变蓄热装置》列入制定计划，T/CECS 10023-2019《无内置热源相变蓄热装置》（下文简称相变蓄热装置标准）[3]于2019年8 月28 日正式发布，并于 2020 年 2 月1 日开始正式实施。本标准对相变蓄热装置的热性能测试给出了明确的方法，约定了测试条件，规定了测试方法和流程以及相应的测试指标，为规范国内产品性能提供了依据。

2 国内外测试标准现状

目前，国内尚无专门针对建筑用相变蓄热装置的产品标准。与相变蓄热装置相关的标准如 GB/T 21435-2008《相变加热炉》[4]主要针对石油工业用间接加热炉，即真空相变加热炉，微压相变加热炉和压力相变加热炉。重点是相变加热炉的设计、制造、安装维护、使用性能。JG/T299-2010《供冷供热用蓄能设备技术条件》[5]涵盖面太广且主要针对水蓄热方式，对相变蓄热方式针对性不强，且编制时间较早，与目前的产品技术发展已不相适应，仅可作为参考。GB/T 31299-2014/IEC60531:1999《家用储热式室内加热器性能测试方法》[6]规定了家用储热式室内加热器的测试项目和测试方法，未规定性能特性要求值。

针对相变蓄热的标准还包括 JC/T 2111-2012《建筑材料相变调温性能测试方法》[7]、JC/T 2339-2015《地暖用相变储能材料及构件》[8]和 JC/T 2338-2015《建筑储能调温砂浆》[9]三项建筑材料方面的标准，为相变蓄热装置标准的编制提供了参考。

国外针对相变蓄热装置的标准主要为ANSI/ASHRAE Standard 94.1-2010 --Method of Testing Active Latent-Heat Storage Devices Based on Thermal Performance（简称 ASHRAE 94.1-2010）[10]，该标准对相变蓄热装置（以水或空气为传热介质）的蓄热量，蓄热时间，放热量，放热时间，漏热率以及蓄热效率等关键参数均给出了测试装置和试验方法。该标准对于相变蓄热装置标准的编制的编制提供了重要的参考价值。

3 相变蓄热装置热性能测试方法对比研究

相变蓄热装置为蓄能装备，在热泵、太阳能利用系统中得到了广泛应用[11]。蓄热和放热特性是相变蓄热装置最关键的参数。国际上对蓄能装备的测试主要包括两种方法：一是定蓄热放热功率，二是定蓄热放热温度。国内相变蓄热装置标准制定时，参考了 ASHRAE 94.1-2010 标准，本文将该标准与我国已发布的《无内置热源相变蓄热装置》T/CECS 10023-2019 在热性能测试上的异同进行阐述和对比。

3.1 对象范围

ASHRAE 94.1-2010 标准适用于潜热蓄热装置，换热介质从单一进口进入，从单一出口流出，不适用于同时有好几路传热介质流进出或者流出的蓄热设备，传热介质可以是水或者不凝结气体。标准适用于自带热源（搅拌泵或者插入式电加热装置）供热量需要小于等于装置蓄热量的10%的蓄热装置，且蓄热量小于等于100 GJ。

相变蓄热装置标准规定适用范围为：热水供水温度满足建筑供热需求的无内置热源相变蓄热装置。本标准基于对现在市场的调查，国内基本上不生产以气体作为传热介质的相变蓄热装置，同时为了与已经编制的国家标准《蓄热型电加热装置》相区分，将约束的产品进一步具体化，更具有针对性。

3.2 实验室测试条件的差异

ASHRAE 94.1-2010 规定在使用该标准进行测试之前需要完全成5 次完整的相变蓄热放热过程。这种循环是为了确保装置处于待运行状态，而不是处于刚开始状态。相变蓄热装置标准规定，正式试验前应至少进行2 次预备试验，以保证装置达到正常工作的运行状态。预备试验应包含从蓄热到放热的一个完整运行周期，在每个运行周期内需要完成完整的相变过程。ASHRAE 94.1-2010 规定在蓄热装置特定的初始温度，特定的流量前提下，以特定的功率输入，达到特定的出口换热介质温度时，能够向蓄热装置中蓄存入的总热量为装置的输入热量。同样，放热量的测试也是规定保证放热速率为定值，达到产品的额定出水温度时，能够向外释放的总热量。

相变蓄热装置标准在产品测试时，蓄热和放热都是采用定装置进出口温度的方法，蓄热时定进口温度，放热时定出口温度。这种测试方法与ASHRAE 94.1 的方法存在本质的差别，在数据处理，蓄热放热特性分析上都会存在差异。

ASHRAE 94.1-2010 与相变蓄热装置标准对测试环境的温度规范定方法一致：环境温度采用温度测点的平均温度，4 个温度测点均匀布置于蓄热装置的中间平面上，离装置的水平距离为 0.6 m，实验室测试环境温度宜为20 ℃± 2 ℃。

3.3 实验室测试装置与流程差异

对于以水（或者其他已知比热的液体）作为传热介质的相变蓄热装置的检测设备，ASHRAE 94.1-2010规定设备应对循环水温度进行调节，以满足测试工况。主要的装置包括流量测量装置，温度测量，压力测量和混流装置。其中，对于流经蓄热设备的水压差规定可以通过静压取压孔进行测量。取压孔在管道内表面不形成毛刺，取压孔直径不超过 1.6 mm，且取压孔的直径不超过管道壁面厚度的0.4 倍。两个取压点处管道的横截面积不一致时，需要对动压进行修正。装置的主要构成如图1：

图1 ASHRAE 94.1-2010 温度流量法测量装置

一个完整的测试流程需要包含以下步骤：

A、测试设备达到测试前的稳定状态。该状态下的换热介质温度t i达到设备设定值。

B、对设备进行一次 0.5 倍率短期循环测试，期间的输入热功率=0.5 倍额定输入热功率；输出热功率=0.5 倍额定输出热功率；本次测试的目的是将设备在测试之前初始化，测试数据记录但不显示在报告中。

C、Test#1，0.5 倍率短期循环测试：输入热功率=0.5 倍额定输入热功率；输出热功率=0.5 倍额定输出热功率，测试后数据记录并显示在报告里。

D、Test#2，0.5 倍率长期循环测试：输入热功率=0.5 倍额定输入热功率；输出热功率=0.5 倍额定输出热功率，测试后数据记录并显示在报告里。

E、第一次1 倍率短期循环测试：输入热功率=额定输入热功率；输出热功率=额定输出热功率，测试后数据记录，本次测试数据不体现在报告里。

F、Test#3，1 倍率长期循环测试：输入热功率=额定输入热功率；输出热功率=额定输出热功率，测试后数据记录并显示在报告里。

G、2 倍率短期循环测试：输入热功率=2 倍额定输入热功率；输出热功率=2 倍额定输出热功率，测试后数据记录，本次测试数据不体现在报告里。

H、T est#4，2 倍率长期循环测试：输入热功率=2倍额定输入热功率；输出热功率=2 倍额定输出热功率，测试后数据记录并显示在报告里。

I、4 倍率短期循环测试：输入热功率=4 倍额定输入热功率；输出热功率=4 倍额定输出热功率，测试后数据记录，本次测试数据不体现在报告里。

J、T est#5，4 倍率长期循环测试：输入热功率=4倍额定输入热功率；输出热功率=4 倍额定输出热功率，测试后数据记录并显示在报告里。

对于装置的短期循环测试，要求蓄热放热之间的调整时间小于 10 min，以尽可能减少设备的热损失。长期测试期间的调整时间随设备而异，以产生明显的热损失，并用以测量设备的热损失率（保温性能指标）。测试流程中的数据图示如图2：

图2 长期测试与短期测试进出口温度示意图

相变蓄热装置标准规定液体流量温度法测试原理如图3 所示。测试装置由于需要保证进口、出口的温度恒定，需要配置专有的制冷系统和精加热系统。被测设备装置放置在温度可控的环境间，水系统温度控制由专门的制冷制热系统实现。

图3 相变蓄热装置标准推荐的测试装置流程图

标准规定蓄热装置有效蓄热量不应低于额定蓄热量的95%，热效率不应小于90%。蓄热装置的热工性能测试采用间接测试方法，测试装置采用流量温度法原理搭建。

蓄热装置的蓄热量测试应在完成预备试验后，按照以下流程进行蓄热量测试：

A、完成预备试验后，流经蓄热装置的传热介质温度控制在装置的放热工作温度下限值±0 .5 ℃，进出口温差小于0.5 ℃，准备对装置进行正式试验。

B、关闭装置的进口阀门，打开旁通阀门。

C、维持系统流量为蓄热装置的额定流量，调节加热装置使得供热介质温度维持在蓄热装置蓄热工况工作温度上限温度±0 .5 ℃范围内，关闭旁通阀，打开蓄热装置的进口阀门；对装置进行蓄热量测试。

D、当流经蓄热装置的传热介质出口温度达到蓄热工作温度上限温度时，蓄热工况结束。

E、蓄热工况结束后继续加热 5 min，并继续测量和记录数据，然后关闭装置进口阀门，打开旁通阀，停止蓄热。

F、记录和存储的试验参数包括介质进出口温度、蓄热运行时间、介质流量，计算得出蓄热过程中的蓄热量。

蓄热装置的供热量测试应在完成蓄热量试验后，应按照以下流程进行供热量测试：

A、应在完成蓄热量测试后 30 min 内，将蓄热装置调整为放热状态。

B、根据测试需要调整测试系统阀门，开启冷却装置，使系统传热介质温度控制在装置的放热工作温度下限值±0 .5 ℃，调整系统流量为额定流量，打开装置进口阀门，关闭旁通阀，装置开始进入供热测试过程。

C、当流经蓄热装置的传热介质进出口温差持续小于0.5 ℃时，放热过程结束（对于有些相变材料中间某一小段时间出现温度温差小于0.5 ℃随后温差又持续增大的现象需要记录在实验数据里面）。

D、放热工况的结束后继续冷却 5 min，并继续测量和记录数据。

E、记录并存储试验参数包括介质进出口温度，放热运行时间以及介质流量，计算得出放热过程中的供热量。

测试流程中的数据示意图如图4：

图4 按照定供水温度测试蓄热、放热阶段温度示意图

由以上对比可以看出，在针对蓄热设备的测试上，ASHRAE 94.1-2010 要求更为严格，测试的过程比国内标准复杂。但是，这种定输入功率的测试状态与国内普遍使用的定供水温度的设计现实差别很大，测试过程中需要不断改变供水温度以维持测试工况，给实际实验室测试，及实验室建设带来较大的不便。

我国目前的蓄热都是使用锅炉作为供热设备，在实际使用时，锅炉的供水温度是恒定的，以维持锅炉高的运行效率。因此，定供水温度的测试方法更适应我国现状，具有实际的可操作性。

3.4 检测结果数据指标差异

对于相变蓄热装置，衡量蓄热性能的核心指标为蓄热效率，A SHRAE 94.1-2010 要求记录在 0.5 倍、1倍，2 倍、4 倍蓄热功率下长期测试得到的输入热量和输出热量，并计算以上这四种状态下的蓄热效率，绘制在同一张坐标纸上，作为体现设备蓄热效率的指标。蓄热效率计算为每次的放热量与蓄热量的商。

相变蓄热装置标准规定蓄热装置的蓄热效率为有效供热量与有效蓄热量的比值，有效蓄热量和有效供热量为蓄热装置连续进行三次试验的平均值。

4 结论

在国内尚缺针对相变蓄热装置热性能测试的前提下，中国工程建设标准化协会及时立项，组织专家编制 《无内置热源相变蓄热装置》，标准借鉴了 ASHRAE 94.1-2010 的体系和部分成果，在蓄热性能测试上，充分考虑了国内实际设计和运行经验，创造性的建立了温度流量法的实验室测试思想。本文客观比较了ASHRAE 94.1-2010 标准与我国目前已经完成编制的相变蓄热装置标准在测试对象范围，实验室条件约束，实验装置，测试方法流程以及测试指标体现几个重要方面的差异，为相关从业者充分理解产品热性能测试方法提供了参考，也为 《相关从业者使用该标准，理解测试过程提供了技术依据。