蓄熱過程強化技術的應用研究進展

孟鋒，安青松，郭孝峰，趙軍，鄧帥, ，趙棟（天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 0007；巴黎高等電子工程師學校，法國 巴黎96；天津生態城能源投資建設有限公司，天津 0007）

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綜述與專論

蓄熱過程強化技術的應用研究進展

孟鋒1，安青松1，郭孝峰2，趙軍1，鄧帥1, 3，趙棟1
（1天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072；2巴黎高等電子工程師學校，法國 巴黎93162；3天津生態城能源投資建設有限公司，天津 300072）

摘要：蓄熱技術可以有效克服供能端與用戶端在時間和空間上的不匹配問題，是提高能源利用率的重要手段之一，但是當前的蓄熱技術存在蓄、放熱速率較低等問題。鑒于此，本文綜述了過程強化技術在蓄熱中的應用。首先介紹了各類蓄熱技術，包括顯熱蓄熱、潛熱蓄熱以及熱化學蓄熱，并且從蓄熱密度、蓄放熱速率以及技術可行性上對各類蓄熱技術的優缺點進行了比較；其后，重點回顧了代表性過程強化技術在蓄熱系統中的應用，包括結構優化、材料改性以及梯級蓄熱；通過分析可以看出，過程強化技術可以對蓄熱過程中的傳熱傳質進行強化，極大地提高蓄熱系統的蓄放熱效率。最后，本文就蓄熱技術發展趨勢進行了展望，蓄熱系統將朝著緊湊、高效的方向發展；在未來的發展中，蓄熱技術與能源互聯網的結合是應用研究的重點之一。

關鍵詞：相變；蓄熱；傳熱；傳質

第一作者：孟鋒（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為蓄熱技術。聯系人：鄧帥，講師，主要研究方向為先進熱力系統。E-mail SDeng@tju.edu.cn。

余熱回收以及可再生能源的應用，大大減少了建筑對于一次能源的依賴，同時也減輕了化石燃料燃燒對環境的影響。然而，對于余熱資源以及可再生能源的應用，一直以來存在兩方面的問題:熱源距離熱用戶距離較遠；熱源具有很強的時間波動性。

蓄熱技術可以有效地解決以上問題，尤其是在分布式能源系統中，合適的蓄熱系統能夠大大提高整個系統的能源利用率。在產出大于需求時，蓄熱系統可以將多余的熱量蓄存起來，在需要的時候放出。若蓄熱系統設計恰當，新型可再生能源可以完全滿足用戶全年的能源消耗。

根據蓄熱裝置的用途不同，尺寸上也會有很大的區別，如圖1所示，一般分為:集中式蓄熱器、緩沖蓄熱器、用戶側蓄熱器以及移動式蓄熱器。集中式蓄熱器一般較大，其作用在于對整個系統提供能量輸出；緩沖蓄熱器體積稍小，距離末端熱用戶較近，可以對負荷的波動起到緩沖作用；用戶側蓄熱器體積最小，主要用于為末端熱用戶供熱。除此之外，移動式蓄熱器也是利用余熱資源的有效手段。不同蓄熱系統的應用以及其在熱網中的位置如圖 1所示。

蓄熱技術一般分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱以及熱化學蓄熱。蓄熱技術幾乎覆蓋了從低溫到高溫的所有溫度區間，在制冷、供熱、生活熱水以及熱源等眾多領域有著廣泛的應用。以潛熱蓄熱為例，-20～120℃區間內可以找到合適的蓄熱材料，并涵蓋眾多的應用領域，具體如圖2所示。

溫度范圍為 30～70℃的低溫蓄熱系統在現代的能源網絡中具有很好的應用前景。根據 LUND等［1］的介紹，隨著第四代分布式供暖系統的出現，建筑物所需的供暖負荷將進一步減小，生活熱水也主要是由低溫智能熱網來提供。使用蒸汽以及100℃左右的熱水進行供暖的方式，因為其能量利用率較低，在未來會逐漸被替代。

對于多能源互補系統而言，無論是集中式或者分布式系統，蓄熱技術都有著重要的作用。本文將就幾種具有較好應用前景的蓄熱技術以及過程強化技術在不同蓄熱系統中的應用進行回顧與分析。

圖1 不同蓄熱系統在多能源熱網中的應用

圖2 不同相變材料的應用及蓄能密度［2］

1 蓄熱系統的分類

蓄熱系統具有很多不同的類型，從以小時為蓄放熱周期的短期蓄熱系統到跨季節的長期蓄熱系統，從集中式蓄熱的大尺寸蓄熱系統到應用于用戶端的小型蓄熱罐。在各類蓄熱系統中，最常見的是應用于家庭住宅的蓄熱水箱，水箱的體積一般在100L左右。此外，應用比較多的還有地下含水層蓄熱以及地埋管系統，這些蓄熱系統的規模相對比較大。上述所說的蓄熱系統比較常見，屬于顯熱蓄熱。近些年，一些更為先進的蓄熱技術，即相變蓄熱以及化學反應蓄熱，也得到了廣泛的研究。每一種蓄熱系統都有各自的缺點和優點。

（1）顯熱蓄熱 利用蓄熱材料溫度的變化來實現蓄熱，技術上不存在難題，運行管理也比較簡單，但是顯熱蓄熱的蓄熱密度比較小，蓄熱裝置體積龐大，另外顯熱蓄熱的溫度波動較大，難以提供穩定的熱源。

（2）潛熱蓄熱 利用相變材料的相變來實現蓄熱，蓄熱密度大于潛熱蓄熱，并且在蓄熱與放熱的過程中溫度幾乎保持不變，易于與系統匹配。但是大多數的蓄熱材料導熱系數很低，導致蓄熱系統的蓄放熱速率較慢。

（3）化學反應蓄熱 通過化學能與熱能相互轉化來實現蓄熱，蓄熱密度大，但是因為化學反應蓄熱的操作工藝較為復雜，離大規模實際應用還有一段距離。

對于一個性能優良的蓄熱系統，它應該滿足下面所述的條件。

（1）靈活可靠性 在熱用戶需要熱量時，蓄熱系統能夠提供足夠的熱量，而且始終保持較高的放熱效率。

（2）高效性 蓄熱系統的熱損失很小，能夠將充熱過程蓄存的熱量長期保存下。

（3）緊湊型 在滿足蓄熱總量的前提下，蓄熱設備的體積以及質量要盡可能小。

對于集中式蓄熱，小尺寸、高蓄熱容量的蓄熱系統能夠減少建設費用；對于個人用戶，緊湊式系統能夠減少占地面積。

2 過程強化技術在不同蓄熱技術中的應用

2.1 分層水箱

分層水箱是常見的一種顯熱蓄熱方式，因為其成本較低，操作簡便已經得到了廣泛的應用。在蓄熱水箱的內部，沿著垂直方向液體的溫度不同，由于液體的密度與溫度成反比，在浮升力的作用下，會自然分層。溫度分層能夠在蓄熱和放熱過程中保證能量的可用性。對于分層水箱而言，分層的穩定性決定著水箱蓄放熱性能:優秀的分層水箱可以將能量較高的熱水集中在蓄熱水箱的上部，提高能源的品質，縮短系統啟動時間，相比于不分層的蓄熱水箱，分層水箱可以避免使用輔助熱源［3］。一般影響水箱分層的因素有3個。

（1）相鄰溫度層之間的熱擴散，即導熱。這里的熱擴散包括兩部分:一種發生在液體內部，即溫度層之間，另一種則通過容器側壁進行傳熱。熱擴散對于溫度分層有破壞作用。

（2）強制對流，由于擾動造成不同溫層之間的液體混合。這種混合一般在充放熱過程中出現，會造成液體內部的強制對流，從而破壞溫度分層。

（3）自然對流，由不同溫度層之間密度的差異造成。溫度高的水密度小，溫度低的水密度大，所以溫度較高的水會在浮升力的作用下向上運動，形成自然對流。如果水箱進口的擾動很小，可以近似認為水在水箱中是由上到下一層層分布的［4］。浮升力是蓄熱水箱內溫度分層的主要動力源，因此自然對流有利于保持容器內的溫度分層。

因此，蓄熱水箱的分層現象主要是由自然對流造成的，而熱擴散以及強制對流對于溫度分層都是不利的，所以為了強化蓄熱水箱的分層效果，自然對流應該被強化，而熱擴散以及強制對流都應該被最大限度地抑制。

無論是在小型蓄熱水箱還是大型的蓄熱系統中，抑制擾動是一種被廣泛應用的技術手段。在小型的蓄熱水箱中，一般采用較小的進口流速，以減小擾動。王登甲等［5］建立了蓄熱水箱溫度分層的多結點模型，并利用CFD軟件對5種不同工況下水箱內的溫度分層進行了模擬，分析結果表明:水箱進口流速越小，水箱內部溫度分層越明顯，研究顯示流速在 0.01～0.05m/s之間時可以較好地實現水箱的溫度分層。對于一些進口流速較大的情況，可以采用一些特殊的設備，比如進口布液器、密度感應閥以及溫度二極管來強化溫度分層。對于大型的蓄熱設備，為了充分利用蓄熱系統所蓄存的能量，一般在入口處安裝一組閥門，根據豎直方向溫度的不同調節入口的位置［6］。

2.1.1 入口布液器以及隔板

在蓄熱器入口處設置隔板是強化蓄熱水箱分層的有效手段。ALTUNTOP等［7］研究表明，在使用熱水的時候，圓形以及環形的隔板能夠有效地減小擾動對于溫度分層的影響。他們對一個與太陽能板直接相連的低流速蓄熱罐進行了數值模擬研究，蓄熱罐高1.5m，直徑為1m。熱水以1m/s的流速在30min之內充滿蓄熱罐。由于隔板的存在，蓄熱罐上部水溫為50℃，蓄熱器下部溫度為30℃，在20℃的溫差情況下依然可以保持良好的分層效果。對于另一個完全相同的蓄熱罐，在不設置隔板的情況下，水箱內部的水基本完全混合，整個水箱內的最大溫差為1℃，溫度分層基本被破壞。

ZURIGAT等［8］研究了穿孔布液器對于斜溫層的影響。根據ZURIGAT等的研究，當理查德數低于5時，布液器對于溫度分層的作用開始顯現。另外，與全穿孔布液器或者全封閉布液器相比，半穿孔布液器對于溫度分層的促進作用更加明顯。

韓延民等［9］提出一種新型的太陽能溫度分層臥式水箱，水箱長寬高分別為1m、0.5m、0.75m，并且通過改善水箱結構、增加倒流隔板，能夠在不增加水箱高度的條件下實現水箱內部的熱分區，在同等外界環境下，隨著水箱溫度分層梯度從10℃增加到20℃，溫度分層水箱蓄存的可用能比普通水箱增加15%～20%。

2.1.2 密度感應閥

根據進口溫度控制熱水進口流量，可以防止冷熱水之間的混合，從而有利于保持斜溫層。SMITH等［10］設計了一種密度感應閥，在這種密度感應閥上裝有一個浮標，浮標的密度與理想水溫下水的密度相同。當水的溫度低于預期值時，浮標將會上升，閥門將保持一個關閉狀態；反之，當水的溫度等于或者高于設定溫度時，浮標將會下沉，閥門將會保持開啟狀態。使用該閥門能避免充熱過程中冷熱流體的混合。

2.1.3 溫度二極管

溫度二極管與密度感應閥的原理相似，也是一種強化自然對流的裝置。它的原理是，通過促進浮升力作用，驅動熱水向上運動、冷水向下運動，使自然對流得到強化。DEVORE等［11］在一個分區蓄熱水箱上安裝了溫度二極管，蓄熱水箱應用于一個太陽能光熱系統中。通過模擬以及實驗研究發現，對于蓄熱水箱，設置兩個分區，每個分區安裝4個溫度二極管的效果是最好的。

2.1.4 幾何結構優化

對蓄熱水箱而言，蓄熱水箱罐體高與直徑的比H/d對蓄熱水箱的溫度分層以及熱損失也具有很大的影響（如圖3）。一方面，從熱損失的角度來看，最佳的H/d是1；另一方面，由于在細高的蓄熱罐內，由于溫度梯度所形成的自然對流更加明顯，所以較大的H/d有利于蓄熱水箱內部的溫度分層。

BOUHDJAR等［12］通過數值模擬的方法研究了H/d對于蓄熱水箱溫度分層的影響。他們通過調整蓄熱水箱的H/d的數值（H/d的數值為1.67～6），對不同H/d下蓄熱水箱的對流擴散以及蓄熱效率進行了研究。在模擬中不考慮熱損失以及放熱效率。結果表明，對于固定溫度的放熱過程，當 H/d較大時，蓄熱水箱內部的斜溫層厚度較薄，溫度分層更明顯。

圖3 蓄熱水箱分層現象以及強化分層的技術手段［7，8，10-11，16］

NORTON等［13］利用實驗以及模擬手段研究了不同結構下低流速蓄熱罐的性能。研究中一個重要的成果是揭示了在相同的充熱條件下，H/d對于溫度分層的影響。本研究中，對比了H/d分別為1/3 和3時兩種圓柱狀蓄熱罐的斜溫層曲線。兩個蓄熱罐的初始條件完全相同，在蓄熱過程中，進口溫度為60℃，蓄熱時間為30min。結果表明，兩個蓄熱罐經過相同的蓄熱過程，H/d為3/1的蓄熱罐內部達到59℃的水的體積要多于H/d為1/3的蓄熱水箱。此外，對于蓄熱水箱底部的水溫，前者也要低于后者。這兩個結果都表明H/d較大的蓄熱水箱具有更好的溫度分層效果。

如果將熱損失考慮在內，H/d對蓄熱器的影響需要重新評價。FAN等［14-15］研究了靠近管壁的浮升流對于溫度分層的影響。在蓄熱水箱中，由于溫度不同導致水的密度不同，溫度較高的水向上運動，溫度較低的水向下運動，會形成浮升流。本研究中兩個蓄熱水箱的H/d分別為1/1和5/1，初始溫度為80℃。經過24h，H/d為1/1的蓄熱水箱的頂部與底部溫度分別為73.5℃與69.2℃，H/d為5/1的蓄熱水箱的頂部與底部溫度分別為74.1℃與65.3℃。從實驗結果可以看出，蓄熱水箱的H/d較大，溫度分層越好，從而可以得到更多的可用能。然而，從另一方面來看，H/d為1/1的蓄熱水箱因為熱損失較小，內部水的平均溫度較高，所以蓄熱水箱蓄存的能量總量較多。

2.1.5 分區蓄熱系統

將蓄熱水箱分割成幾個區域是強化溫度分層的有效手段。一般可以通過兩種手段來實現分區蓄熱:將一個水箱分割成幾個區域或者采用多個水箱進行蓄熱。HAN等［17］對水平分區蓄熱水箱進行了研究。蓄熱水箱應用于太陽能熱水系統之中，蓄熱水箱內部由絕熱擋板分割成3個區域。通過研究發現，在理查德數小于10-2的工況下，相鄰兩個蓄熱區域內的水溫可以保持15～20℃的溫差，具有良好的分層效果，蓄熱效果良好。

多個水箱通過并聯或者串聯的方式構成的蓄熱系統也是強化溫度分層的有效手段。DICINSON等［18］對一個多區域蓄熱裝置的蓄放熱策略進行了研究，該裝置應用于太陽能熱水系統之中。蓄熱裝置由3個體積為270L的蓄熱水箱構成，每個蓄熱水箱通過浸入式換熱盤管與熱源相連。通過模擬與實驗，研究了蓄熱裝置兩天的蓄放熱性能。研究發現，水箱串聯的形式不利于放熱過程中的溫度分層，因為當水箱串聯時放熱水流會對蓄熱罐內造成很強烈的流動擾動從而產生不同溫度的流體混合。此外，研究者還發現，當水箱采用并聯形式進行蓄熱時，在蓄熱后期溫度層容易被破壞，因為在蓄熱后期由于太陽輻射強度的減弱，蓄熱水溫會低于水箱內進口區域水溫。從上述結論來看，最佳的運行策略應該是在蓄熱過程中采用串聯，在放熱過程中采用并聯。工程上，采用并聯的模式可以提高蓄放熱過程的可用能而且會提高系統的效率，所以總體來說，并聯模式是最優的運行模式。上述研究作者通過數值模擬印證了這一點。圖4為分區蓄熱水箱的系統圖。

2.2 地埋管蓄熱系統的傳熱強化

另一種常見的顯熱蓄熱系統是地埋管系統。在地埋管蓄熱系統中，土壤或者巖石充當蓄熱介質，所以當系統建設完成之后蓄熱介質的熱物性是難以改變的。在地埋管蓄熱系統中，強化的目的就是通過強化導熱，減小整個傳熱過程的熱阻。

地埋管換熱器的形式多樣，但對傳熱熱阻影響較大的因素主要集中在四部分:載熱流體、管壁、鉆孔回填材料以及土壤。根據DELALEUX等［19］的研究，回填材料的熱阻是影響地埋管蓄熱系統換熱的主要因素。

BORINAGE等［20］在水泥漿中添加各種不同的添加物，將添加填充物的水泥漿作為回填材料，研究了不同添加物對于地埋管換熱器的影響。地埋管換熱器采用的是雙U管，鉆孔直徑為140mm，管子的外徑為32mm，內徑為26mm。試驗中比較了純水泥漿以及添加了SiO2和速凝劑的水泥漿這兩種回填材料的導熱系數。研究發現，后者的導熱系數為 2.1W/（m·K），而前者的導熱系數只有0.8W/（m·K）。導熱系數的顯著增加意味著地埋管換熱器長度的減少或者整體換熱系數的增加，從而提高地埋管蓄熱系統的效率。

圖4 分區梯級蓄熱水箱系統圖［18］

添加導熱系數高的石墨顆粒也可以有效地提高回填材料的導熱系數。DELALEUX等［19］對鱗片狀石墨以及膨脹石墨作為添加劑進行了比較。通過研究發現，添加石墨顆粒以及膨脹石墨都可以使回填材料的導熱系數大幅度提高，當添加10%～15%（質量分數）粒徑為300μm的石墨顆?；蛘咛砑?%，密度為100kg/m3的膨脹石墨時，復合回填材料的導熱系數可以達到5W/（m·K）。通過研究發現，石墨增強型回填材料與常規膨潤土回填材料相比，可以將地埋管系統的延米換熱量由60W/m提高到90W/m，這就意味著在整個系統換熱總量不變的情況下，埋管深度可以減少近33%。圖5為回填材料在無添加以及不同添加材料下的導熱系數變化以及對延米換熱量的影響。

2.3 潛熱蓄熱系統中的傳熱傳質強化

相變蓄熱是利用相變材料的潛熱進行蓄熱，一般使用的相變材料在液固兩相之間轉換。與常規的顯熱蓄熱相比，其具有兩個明顯的優勢:蓄熱密度較大；工作溫度穩定。此外，對于不同蓄熱溫度的使用場合，可以根據需要對相變材料進行選擇。然而，大多數相變材料的導熱系數較低，導致較低的換熱效率以及較長的蓄放熱時間，這限制了相變蓄熱的大規模應用。

在相變蓄熱系統中，強化技術主要著眼于相變材料與載熱流體之間的傳熱強化。影響換熱的因素主要包括:換熱面積、相變材料的導熱系數、換熱溫差以及自然對流。常用的強化換熱手段有以下幾種:①結構優化，包括通過封裝手段增加面積-體積比，通過直接式換熱減少中間熱阻、強化對流換熱；②通過在相變材料中添加高導熱物質來制備復合相變材料。此外，還可以利用梯級蓄熱來增加換熱溫差，提高換熱效率。圖6列出了國內外文獻中幾種強化手段的示意圖。

2.3.1 增加換熱面積

在相變材料側增加肋片是增加換熱面積的有效手段。RATHOD等［21］通過實驗研究了在管殼式相變蓄熱器管外側添加長直肋對蓄放熱性能的影響。對于蓄熱過程，當載熱流體進口溫度為80℃時，熔化時間減少了12.5%；當載熱流體進口溫度為85℃時，熔化時間減少了24.52%；對于放熱過程，凝固時間減少將近43.6%。CASTELL等［22］通過研究發現，肋片不僅可以增加換熱面積，而且可以強化對流換熱的強度，在載熱流體不變的情況下，能夠有效增強載熱流體與相變材料之間的換熱。凌空等［23］采用顯熱容法對環狀翅片蓄熱器進行了數值計算分析，計算結果發現翅片材料導熱系數對蓄熱速度影響不大，翅片間距是主要影響因素。

圖5 回填材料添加高導熱物質對于地埋管延米換熱量的影響［19］

圖6 通過蓄熱器結構改造以及蓄熱材料改性強化換熱［21，26，28-29］

通過改變管路的結構也能夠有效增加換熱面積。LANGURI等［24］設計了一種波紋管，這種波紋管具有很大的面積/體積比。通過實驗發現，利用波紋管可以大幅度加快蓄放熱速率。此外，研究還發現，波紋管可以大幅度加快蓄放熱的響應速度。波紋管的蓄熱熱響應速度是常規光直管的 9.2倍（0.13℃/s，0.014℃/s），放熱過程的熱響應速度是光直管的5.2倍。

為了增大換熱面積，可以在相變材料內部添加薄壁金屬環。VELRAJ等［25］在蓄熱器內部添加直徑為 1cm的薄壁金屬環，薄壁金屬環的體積分數為20%。通過研究蓄熱器的放熱過程發現，添加了薄壁金屬環后放熱時間相當于常規蓄熱器的1/9。

2.3.2 直接式蓄熱

為了消除載熱流體與相變材料之間的熱阻，直接式蓄熱的概念被提出。在直接式蓄熱系統中，載熱流體與相變材料直接接觸。當前關于直接式蓄熱的研究主要集中在蓄熱器的蓄放熱性能特性以及熔化凝固過程中相變材料的對流換熱。WANG和GUO等［26-27］通過實驗研究對比了直接式以及間接式蓄熱的蓄放熱速率。實驗結果表明，在相同的蓄熱工況下，直接式蓄熱系統的蓄熱效率是2278W，間接式蓄熱器的蓄熱效率為 680W，消除了接觸熱阻，直接式蓄熱系統的蓄熱效率是間接式蓄熱效率的3倍。

2.3.3 復合材料

復合相變材料能夠有效增大相變材料的導熱系數，國內外學者對復合相變材料進行了廣泛的研究。常見的添加物有微-納米顆粒、碳纖維以及金屬泡沫等。

OYA等［28-29］以赤藻糖醇作為相變材料，通過添加不同的物質，制備出復合材料。以泡沫金屬鎳作為基體，在真空條件下制備了泡沫金屬-赤藻糖醇復合相變材料，泡沫金屬的孔隙率在90%以上，孔隙尺寸為100～500μm。制備的金屬鎳-赤藻糖醇復合材料能夠達到的最高有效導熱系數為11.6W/（m·K），是純赤藻糖醇導熱系數的16倍。此外，3種更為廉價的顆粒，即球狀石墨、膨脹石墨以及納米鎳顆粒（平均尺寸為5～8μm）也可作為添加劑來制備復合相變材料。結果表明:通過添加體積分數為15%的膨脹石墨，復合材料的有效導熱系數是純赤藻糖醇的6.4倍。從圖7可以看出，通過添加高導熱物質可以有效地提高相變材料的導熱系數。

圖7 不同添加物對于相變材料導熱系數的影響［29］

唐小梅等［30］用脂肪酸二元低共熔混合物相變材料作為蓄熱介質，通過實驗研究了添加泡沫銅金屬材料增強相變材料導熱的方法。實驗數據表明，與純蓄熱材料相比，添加泡沫銅的蓄熱系統換熱性能得到增強，整個蓄熱器內達到相變溫度的時間僅為純蓄熱材料的22.5%。由于相變材料的導熱系數較低，在熔化過程中容易產生熱堆積，使得傳熱惡化。而泡沫銅大大增大了相變材料的導熱系數，緩解了熱堆積的影響。

在研究復合材料的導熱系數時，應該同時考慮固態導熱系數與液態導熱系數。根據 WANG等［31］的研究，復合材料的導熱系數增強效果在熔化前熔化后是不同的，尤其對于高濃度納米顆粒添加物，因為高濃度納米顆粒添加物由于表面作用力，容易發生團聚。此外，對于高濃度的添加材料，相變溫度和比熱容也會相應發生改變。在將來的研究中，應該綜合考慮這些變化。

2.3.4 封裝優化

用固體外殼對相變材料進行微封裝結合了間接式與直接式蓄熱的優點，可以有效提高蓄熱器的性能。在熔化與凝固過程中封裝外殼不僅作為載熱流體與相變材料的換熱面，而且起到保護內部相變材料的作用。當前對于相變材料封裝的研究主要集中在封裝尺寸、形狀以及材料等幾個方面。

OMARI等［32］分析了5種不同封裝形狀的蓄熱器熔化特性。通過模擬的方法研究了自然對流對于熔化過程的影響。根據模擬結果，寬度較窄，豎直放置的蓄熱器熔化速度最快，因為蓄熱器內部液態相變材料向上的自然對流會被大大增強。該作者同時指出，研究的不足之處在于沒有對凝固過程進行分析，后續研究應該就凝固過程的最優結構進行探究。WEI等［33］針對球體、圓柱體、盤狀、管狀4種不同封裝形狀的蓄熱器放熱性能進行了研究。實驗與模擬結果表明，球狀封裝的放熱性能最好，管狀封裝最差。

與直接式蓄熱系統相比，相變材料封裝顆粒由于封裝壁熱阻的存在，蓄放熱效率要低一些。當前對于相變材料封裝的研究除了盡可能減小封裝尺寸，增大面積-體積比，另一個重要的技術是合成層狀導熱薄板用以固定相變微膠囊，從而大幅提高相變材料的導熱系數。DARKWA［34］對一種層狀相變材料板進行了模擬研究。層狀相變材料板以泡沫銅作為基體，將相變材料微膠囊通過黏合劑固定在泡沫銅上。相變材料顆粒的分布是可控的，具體布置有3種類型，即矩形、三角形以及錐形。結果表明，3種布置形式都可以提高相變材料導熱系數 10倍以上，其中矩形布置效果最為顯著。然而，這種技術也存在著一定的缺陷，相變材料板與純相變材料相比，蓄熱密度會大大減小:純相變材料的蓄熱密度為157MJ/m3，封裝材料的蓄熱密度只有81MJ/m3。這是由于封裝材料單位體積內既包含相變材料又包含固定材料。張艷來等［35］用石蠟混合物（以C19H40為主體，相變溫度25～38℃，比熱容極大值出現在31.5℃左右）為芯材，樹脂材料為囊壁，與水混合制備成微納米膠囊流體，將其填充在矩形密閉容器內。通過數值模擬與實驗，對相變材料相變過程的特性進行了分析，得出由于相變材料的相變化促進了相變材料微膠囊流體的自然對流的發生，提前了自然對流的啟動時間，提高了單位蓄熱量的蓄熱速度。

在將來的研究中，蓄熱材料的循環穩定性、導熱系數與蓄熱密度之間的平衡將成為研究重點。

2.3.5 梯級蓄熱

在相變蓄熱系統中，可以利用多種不同熔點的相變材料共同實現蓄放熱過程。在蓄熱過程中，通過在高溫載熱流體流動方向上布置熔點逐漸降低的相變材料，可以提高載熱流體與相變材料之間的傳熱溫差。沿載熱流體流動方向的垂直方向由內而外布置熔點逐漸降低的相變材料也可以實現相同的傳熱效果。

國內外學者就梯級蓄熱的蓄放熱特性進行了廣泛的研究。WANG等［36］通過在銅管周圍布置不同熔點的相變材料實現了梯級蓄熱。在該蓄熱系統中，從內而外相變材料的熔點依次遞增，分別為41.8℃、55.5℃、64.2℃。實驗過程中蓄熱溫度為 70℃，通過實驗發現，梯級蓄熱的蓄熱時間比單級蓄熱減少了21%。FANG等［37］通過延管路徑向布置3種不同熔點的相變材料也可以實現相同的效果。

胡芃等［38］在忽略蓄熱器具體形式的情況下對熱力學有效能進行分析，推導出了不同級數下PCMs的各自最佳相變溫度的計算公式，并利用計算結果分析了不同有效能利用率的變化，結果表明:當級數為4時，有效能利用率理論上達到80%以上。

2.4 吸附式蓄熱系統中傳熱傳質強化

在熱化學蓄熱系統中，蓄熱過程是通過物理或者化學吸附完成的。固汽吸附以及液汽吸附主要適用于低溫蓄熱系統。利用水合鹽進行的化學反應因為具有較高的反應熱，比較適合于中高溫蓄熱。

對于吸附式蓄熱系統有兩個重要的指標，即蓄熱密度以及放熱功率。首先，就蓄熱密度而言，從材料角度而言，一般比水蓄熱高10倍；從系統角度而言，蓄熱密度的增長比例略小，因為反應床、導熱流體管道等附加設備占據了很大的體積。因此為了保證較高的蓄熱密度，必須盡量減小輔助設備的體積。其次，對于放熱過程而言，放熱功率取決于反應速率，而反應速率從本質上來說取決于固-氣之間的傳質以及對于反應條件的良好控制等因素［39］。

由于以上的原因，吸附式蓄熱的過程強化主要分兩個方向:載熱流體與吸著劑之間的傳熱強化以及反應床內部的傳質強化。強化手段包括:①反應床的優化，通過使用高導熱多孔介質材料來獲得更好的填充率；②通過固-氣之間更好地接觸實現傳質的強化；③通過對反應條件精確的控制來實現傳熱的強化［40］。

2.4.1 吸附系統的改進

吸附式系統具有較高的蓄熱密度，在蓄冷或者蓄熱領域具有廣大的應用前景。國內外學者在吸附系統的研究中取得了顯著的進展，包括新型工質對以及三相膨脹循環的技術。

BALES等［41］利用NaOH-H2O作為工質對，實現了吸附式蓄熱，并對熱系統進行了實驗研究。實際試驗中蓄熱系統為單級閉式吸附系統，驅動溫度為59℃。通過實驗結果可以推斷出，如果采用兩級吸附系統，熱源溫度為 150℃，蓄熱密度可以高達250kW·h/m3。

QUINNELL等［42］提出了一種一體式的蓄熱系統。在該系統中，水溶液的吸附與解吸過程發生在同一個容器中。在容器內部設有一個內置換熱器，可以保證在蓄熱以及釋熱的過程中不會對容器內溫度以及濃度梯度造成過大的干擾。研究結果表明這種蓄熱系統具有較為可觀的蓄熱密度:一個4m3的蓄熱罐，結合良好的外部保溫層，最大蓄熱溫度為95℃，穩定蓄存時間可達160天。這個蓄熱周期完全能夠滿足跨季節建筑物供暖的蓄熱需求。

2.4.2 固-氣反應過程的反應床優化

利用多孔反應床可以有效提高蓄放熱速率。首先，在選擇固體顆粒的尺寸以及形狀時，應該盡可能提高蓄熱系統的蓄熱密度以及蓄放熱功率。MICHEL等［43］研究了兩種不同粒徑的SiBr2與水蒸氣發生水合過程的差異。兩種顆粒的尺寸分別為50μm以及80μm，通過濕空氣在反應床內的循環來實現水合過程。通過實驗發現，大尺寸顆粒的反應速率更快，在相同的反應條件下，當大尺寸顆粒完成整個反應86%時，小尺寸顆粒只完成整個反應的26%。這是因為大尺寸的顆粒滲透率更好，更有利于反應的進行。

此外，添加高導熱物質也是有效的強化手段。使用碳纖維可以有效提高顆粒的導熱系數，使反應速率大大提升。根據NAKASON等［44］的研究，在強化換熱的過程中，換熱系數以及顆粒導熱系數應該綜合考慮。沈丹等［45］針對MgH2/Mg系統的放熱過程進行研究，認為反應床的換熱能力比蓄熱材料本身對系統性能影響更大，在反應床中加入合適孔隙率的泡沫金屬時，系統可獲得更快的反應速率和放熱速率。

通過提高氣體在反應床中的分散均勻度可以有效提高傳質。MICHEL等［43］在氣體進口設置了一種特殊的氣體分散器，實驗結果表明，與無分散器的系統相比，釋熱效果提高了12.5%。圖8為反應裝置以及分散器示意圖。

此外，WANG等［46］設計了一種利用吸附式蓄熱裝置回收余熱用于制冰的裝置。通過研究發現，在統的COP。并且就熱管中的工質進行篩選，發現水是最合適的熱管介質。

3 結語與展望

在當前全球能源形勢緊張的情況下，改善傳統能源利用率和提高可再生能源比例，從而實現能源結構的優化是解決能源危機的必由之路，這無疑離不開蓄能技術的有力支持。本文總結了過程強化技術在各類蓄熱系統中的成功應用案例，分析了各類強化技術對蓄熱系統的傳熱傳質強化，對蓄熱技術的發展作出了展望。

圖8 氣體分散器［43］

與可再生能源相結合的蓄熱系統的發展方向是緊湊、高效、模塊式的蓄熱系統。近年來，“能源互聯網”成為未來能源發展的主導戰略，蓄熱技術作為其中的關鍵一環，可以協調產能端與用能端的不匹配性，從而提升可再生能源的有效利用率，特別可以解決高滲透率可再生能源的消納問題。故在未來的研究中，蓄熱技術與能源互聯網以及分布式能源系統的結合將是應用研究的重點之一。當前蓄熱技術的基礎研究仍面臨一系列嚴峻挑戰，但在近期技術和應用層面，過程強化作為可進一步提高蓄熱系統效率的一種技術，可以有效降低系統成本，進一步促進可再生能源發展，實現能源結構改善，促進能源的高效互聯互通。

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A review of process intensification technology in thermal energy storage

MENG Feng1，AN Qingsong1，GUO Xiaofeng2，ZHAO Jun1，DENG Shuai1，3，ZHAO Dong1
（1Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2ESIEE Paris，Université Paris Est，Paris 93162，France；3Tianjin Eco-city Energy Investment and Construction Co.，Ltd.，Tianjin 300072，China）

Abstract:The technology of thermal energy storage can efficiently overcome the mismatch between the sides of energy supply and end-user， which is one of the important means to improve the utilization efficiency of energy. However， the current technologies of thermal energy storage are unsatisfied due to a low storage/charge rate. Considering the limitations of current technological level， an state-of-art of process intensification（PI） technologies， which are applied in the thermal energy storage， is presented in this paper. Firstly， three kinds of thermal storage systems， including sensible heat storage， latent heat storage and thermal-chemical storage， are overviewed and a comparison on various PI technologies is conducted in terms of heat storage density， heat storage/charge rate and technical feasibility for an analysis on advantages and disadvantages. Then， a review on application of typical PI technologies in the field of thermal energy storage is presented with highlighted points on structure optimization， material modification and cascade thermal storage. It is implied that the heat and mass transfer in the heat storage process can be enhanced by PI technology based on literature review and analysis， which would significantly improves the heat storage efficiency of heat storage system. Finally，the development trend of thermal storage technology is discussed. The thermal storage system isdeveloping in a more compact and efficient pathway. In the future， the integration of thermal storage technology into energy internet could be one of the promising directions for PI application of thermal energy storage.

Key words:phase change； thermal energy storage； heat transfer； mass transfer

中圖分類號：TK 02

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1273-10

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.002

收稿日期：2015-09-21；修改稿日期:2016-01-25。

基金項目：國家高科技研究發展計劃（2015AA050403）及國家自然科學基金青年項目（51506149）。