基于化學熱泵的太陽能綜合利用系統

赫明春 席振乾

（山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南250061）

1 研制背景及意義

據測算，使用一平方米太陽能熱水器，相當于每年節約120公斤標準煤。2007年發改委的《可再生能源中長期發展規劃》中明確提出到2020年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到約3億平方米，加上其他太陽能熱利用，年替代能源量達到6000萬噸標準煤。資料顯示，太陽能熱水器銷售量在2007年已經達到1200萬平方米，并以每年20%-30%的速度迅猛發展。太陽能熱水器不但設備簡單易用，而且為國家節約了大量資源，是家用設備從常規能源體系轉向可再生、綠色能源體系的一項成功案例。

與此同時，市場上新興的熱泵熱水器與傳統熱水器相比已有較大的節能效果，但是其制熱效率受到環境條件的制約，效率較低。并且由于光照時間與光照強度的不穩定性，太陽能熱水器往往不能和用戶需求相契合，白白損失了大量的能量。

基于以上背景，我們希望通過太陽能與化學熱泵的巧妙結合來補足目前主流太陽能熱水器的缺點，大幅度提高太陽能的使用效率，實現全方位、多功能的利用，不僅可以加熱生活用水，而且可以制冷制熱。化學熱力循環系統也可以實現不受時間限制的高密度、高轉化率的儲能。沒有污染、造價不高的太陽能化學熱泵系統彌補了傳統供熱空調系統大量消耗常規能源的缺點，響應了國內建設不耗能生態建筑的號召，對解決環境危機和能源短缺有相當的意義。

2 設計方案

2.1 設計思路

本設計充分利用了化學熱泵與太陽能結合的作用，將化學熱泵的作用最大化，這不僅實現了普通熱泵的供暖作用，還能夠用于制冷和蓄熱。

2.2 工作原理

整個循環過程可分為解離期和絡合期。在解離期,處于中溫TM(約40－45℃)的氯化鈣二甲醇絡合物被高溫 TH(約 110－130℃)熱源加熱至接近TH,發生解離反應,吸收熱量QH,釋放出氣體工質甲醇。該氣體被冷卻降溫至中溫TM,冷凝放出熱量QM2,變成液體甲醇,隨后循環進入絡合期。蒸發器中液態甲醇在低溫TL(約10－5℃)下蒸發,從環境中吸收熱量QL,取得制冷效應。汽化的甲醇與解離的產物氯化鈣發生絡合反應放出熱量QM1,同時床層逐漸被冷卻至TM,至此完成一個循環。其結果是系統消耗了高溫熱量QH,除了直接傳熱給中溫熱源TM外,還從低溫熱源TL中吸收熱量QL,產生額外供熱量,達到增熱和制冷的目的。

2.3 工質對選擇

以氯化鈣甲醇絡合物作為工質的熱泵系統有許多優點：

（1）甲醇有較低的冰點（－98℃）,熱泵循環既可用于供熱,又可用于致冷;

（2）甲醇蒸氣有較高的冷凝溫度（64.7℃）,即使夏季氣溫高達40℃,以空氣作冷卻劑也足以將甲醇蒸氣冷凝下來;

（3）室溫下甲醇有較高的飽和蒸氣壓,使氯化鈣吸收甲醇蒸氣時不致產生較大的負壓,不必像水基熱泵那樣需要較粗的管路系統,在稍低于大氣壓下工作也可免除高壓帶來的危險。

2.4 裝置簡介

如圖1所示，此系統由兩個循環系統組成。一個是太陽能熱水循環系統,一個是化學熱力循環系統。

運行過程如下：

1中的甲醇液體溫度約為40-50℃，經過12進入6內，此時甲醇溫度可降至-15℃左右，7通過傳熱介質進入6與甲醇進行熱交換，6中甲醇蒸發吸熱，此時可以起到制冷作用。

圖1 基于化學熱泵的太陽能綜合利用系統圖示

打開11后，甲醇蒸氣通過11進入5中，與5中的無水氯化鈣結合形成氯化鈣二甲醇放出大量的反應熱。此時，3中的冷水進入5，吸收反應放出的熱量后升溫至45℃左右，回到3中供用戶使用。

4在吸收太陽能之后通過傳熱介質進入5中，5中的絡合物吸熱至一定程度后分解，反應產生溫度約為130℃甲醇蒸氣。蒸氣通過10后進入分叉管，由于10只能單向通過，從而保證了蒸發后的甲醇不會冷凝回流至5。關于進入分叉管的甲醇蒸氣，在冬季，室內溫度低，則關閉8打開9，甲醇蒸氣通過2將溫度傳遞給水，可將水加熱至約50-60℃，繼而通過暖氣片給室內供暖。而在夏季，由于不需要供暖，則關閉9打開8使甲醇降溫冷凝后直接進入貯存在1中。從而完成一個循環過程。

3 應用前景

3.1 利用甲醇作為循環工質，充分利用甲醇相變釋放的潛熱

甲醇作為一種良好的相變材料，能夠很好的適應吸熱放熱的需求；第一，甲醇有較低的冰點，在熱泵循環中既可用于供熱又可用于致冷；第二，甲醇蒸氣有較高的冷凝溫度，即使夏季氣溫高達40℃，以空氣作冷卻劑也足以將甲醇蒸氣冷凝下來；第三，室溫下甲醇有較高的飽和蒸氣壓，使氯化鈣吸收甲醇蒸氣時不致產生較大的負壓，不必像水基熱泵那樣需要較粗的管路系統；在稍低于大氣壓下工作也可免除高壓帶來的危險；第四，甲醇的反應溫度廣，與主要工業金屬不發生反應，因此對系統設備不具有腐蝕性；第五，甲醇的含量豐富，造價低，系統一段運行時間后維護成本較低；第六，甲醇是綠色物質，在正常情況下是無色有酒精氣味的液體，使用不會對地球的熱平衡以及周圍環境造成影響。

3.2 利用甲醇貯存箱可以在無太陽能輸入的情況下提供熱量

甲醇貯存箱中的液態甲醇在閥門開啟的情況下，進入蒸發器內與低溫熱源換熱，在低壓條件下吸收低品位熱量蒸發，在反應器中與無水氯化鈣結合放出高品位的化學能，從而完成熱泵的作用。而所有的能量均來自于太陽能對于氯化鈣二甲醇絡合物的分解，由此達到了太陽能的貯存作用。

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