太陽能低溫相變蓄熱裝置的設計與應用

趙靜 周增產 卜云龍 李思 李秀剛 陳立振

摘要 太陽能采暖具有間歇性，易受天氣等影響，是制約其普及的一個重要因素。將太陽能與低溫相變蓄熱裝置相結合，在日光充足時利用太陽能采暖并蓄熱，在夜間或光照不足時釋放熱量供給溫室采暖，有助于提高系統的穩定性和太陽能的利用率，并提高太陽能采暖系統的靈活性，為冬季溫室采暖節省成本。結合試驗溫室基本情況，經過初步計算，設計出適合的太陽能集熱系統及與其聯用的低溫相變蓄熱裝置，以期為冬季溫室采暖提供新思路，降低農戶運行費用，為溫室的管理及植物的生長提供必要的條件，同時減少環境污染，為太陽能集熱系統相變蓄熱裝置的設計優化及應用提供參考。

關鍵詞 太陽能；低溫相變；溫室；蓄熱裝置

中圖分類號 S214 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）01-0197-03

Design and Application of Solar Energy Low Temperature Phase Change Heat Storage Device

ZHAO Jing1，2， ZHOU Zengchan1，2， BU Yunlong1，2 et al

（1.Beijing Kingpeng International Hitech Corporation， Beijing 100094；2.Beijing Plant Engineering Technology Research Center， Beijing 100094）

Abstract The solar heating is intermittent and easy to be affected by the weather， and it is an important factor to restrict its popularity. Combined with low temperature phase change thermal storage device， the use of solar heating in the sunlight and heat storage， heat supply of greenhouse heating at night or when light is insufficient， help to improve the stability of the system and the utilization of solar energy， solar heating and improve the flexibility of the system， save the cost for greenhouse heating in winter. Combined with the basic situation of the greenhouse experiment， through preliminary calculation， a suitable solar heating system and a lowtemperature phase change thermal storage device was designed. The aims were to provide new ideas for greenhouse heating in winter， reduce farmers operating costs， offer the necessary conditions for greenhouse management and plant growth， and reduce environmental pollution， provide a reference for the optimization design and application of solar thermal system phase change device.

Key words Solar energy；Low temperature phase change；Greenhouse；Heat storage device

太陽能熱水器是典型的太陽能熱利用系統，它以環保、安全、節能、衛生等優點迅速贏得了廣大消費者的青睞。從最初的悶曬型、平板型到現在的全玻璃真空管、玻璃-金屬真空管型，太陽能集熱技術有了飛躍的發展，大大提高了太陽能的利用效率，豐富了太陽能熱水器的種類[1]。目前市面上大多數太陽能熱水器在蓄熱方面采用水作為儲存介質，但水的儲能密度較小，為顯熱儲能。近年來，開發新型相變儲熱太陽能熱水器及研究與太陽能熱利用技術結合的相變技術成為各國研究熱點。筆者主要針對相變蓄熱技術在太陽能集熱系統上的應用進行研究及進一步探討，設計一種與太陽能集熱系統聯用的相變蓄熱裝置，將其應用于農業生產的日光溫室上，該裝置可保持較高的蓄熱能力，且具有良好的傳熱性能，能高效率利用太陽能。

1 試驗溫室概況

試驗溫室是位于39°48′ N，116°28′ E的東西走向日光溫室，該日光溫室南坡面為透光設計，太陽能直接照射到大棚內，太陽能采暖的主要熱量可儲存起來供夜間使用。目前該試驗溫室采用暖氣采暖，采暖時間為11月15日至次年3月15日，為期120 d。

1.1 基礎水溫的計算

低溫相變裝置應用于太陽能集熱系統，需要計算熱水系統的耗熱量。耗熱量的確定則需要通過冷水的溫度進行計算。確定系統最大耗熱量負荷時冷水的計算溫度以當地最冷月平均水溫資料為依據。根據試驗溫室當地氣候資料及特點（表1），基礎水溫選取13 ℃。

1.2 太陽輻射量的計算

依據國家建筑標準設計圖集06SS128 《太陽能集中熱水系統選用與安裝》中附錄一：《主要城市各月設計用氣象參數》，選用地理位置116°28′ E，39°48′ N的北京市年輻照量資料，見表2。

北京市冬季采暖期（11月至翌年3月）太陽能集熱器傾斜面上的日均輻照量為15.26 MJ/m2，以確定試驗溫室地區的太陽能輻射量。

2 低溫相變蓄熱裝置的設計

2.1 與太陽能聯用的低溫相變蓄熱裝置設計原理

該研究設計的與太陽能聯用的低溫相變蓄熱系統主要由太陽能集熱系統—相變蓄熱系統—傳熱供暖系統組成[2-3]。由圖1可知，太陽能內聚光集熱器吸收太陽能量，加熱集熱器內的空氣，在集熱器溫度高于蓄能水箱溫度時（初步設定值為10 ℃），啟動風機，將集熱器內的熱量，輸送到蓄能水箱中。當蓄能水箱中的溫度高于采暖回水溫度（10 ℃）時，采暖換熱循環泵啟動。

整套集熱系統包括太陽能空氣集熱器、相變蓄能水箱、換熱循環泵、控制柜、鼓風機等結構。其中太陽能集熱系統作為整個系統的熱源，主要由全玻璃真空管集熱器、閥門、水泵、管路、板式換熱器等構成；相變蓄熱系統作為下游供暖末端的供給源，主要由相變蓄熱裝置、板式換熱器、水泵、管路等構成；傳熱供暖系統則主要由風機排管和風管等組成。

2.2 太陽能集熱系統

配合試驗溫室供暖面積，根據系統所需熱面積進行計算：

根據計算，需要的太陽能集熱器總面積為18.02 m2，選用 20支2.10 m的集熱器單臺面積為3.62 m2，需要安裝5臺，根據實際情況，最終安裝5臺集熱器板，太陽能總面積為18.10 m2。

根據計算（表3），每天在標準輻照量的情況下，熱量滿足設計要求。

該研究所設計的太陽能集熱器是以全玻璃真空管為核心集熱元件，其內部以空氣作為介質。該集熱器具有啟動快、無防凍、不易炸管、系統要求低等特點（圖2）。

由于空氣熱容很小，相對于液體更容易被加熱，啟動速度比較快。該集熱系統中無液體存在，所以無防凍要求。因為真空管不會受到強烈的冷熱沖擊，所以此種真空管相對安全，一般不會炸管。同時，此種真空管維護要求低，稍有泄漏時不會影響系統正常運行。

2.3 相變蓄熱系統

蓄熱介質相變材料的選擇需要根據其化學物理性質、經濟等方面進行綜合考慮。選用的相變材料必須滿足一些條件，包括合適的相變溫度、較大的潛熱[4]；其次在相變過程中不應發生熔析現象，以免導致蓄熱介質化學成分的變化[5]；另外，必須在恒定的溫度下熔融及固化，即必須可逆相變，不發生過冷現象；最后，相變材料不能發生滲漏，且性能穩定，和容器不發生化學反應；還應安全、無毒、不易燃，具有較大密度。

目前研究較多的低溫相變物質主要有石蠟、脂肪酸以及無機水合鹽等，其研究成果為相變儲能技術的開發應用提供了理論及技術支撐[6]。表4中列舉了多種常見的低溫相變材料。

該項目所選用的低溫相變材料為無機鹽水合物，相變溫度為57～59 ℃，密度1 290 kg/m3，有效工作溫度范圍在55～60 ℃，外觀為灰白色。此相變材料熔融性均一且不易燃燒，潛熱值可達250 kJ/kg。使用的蓄能罐是專為太陽能研發的新品（圖3），蓄能罐內部為三腔結構，外腔：優質聚氨酯發泡保溫，加厚保溫墻，防止熱量流失，外殼為鍍鋅板噴塑；中間腔：又叫做熱氣循環腔，其內部循環的是太陽能加熱的空氣，熱空氣經熱氣腔將熱量傳遞至貯熱腔內的熱水，內置高效換熱裝置；內腔：內腔為蓄能材料和水，水被熱氣腔或者谷電加熱成熱水，并存儲起來。

采用相變蓄能技術，夜間蓄能，供全天采暖和熱水使用。通過蓄能材料的固-液轉換技術，將能量存儲，單位體積的存儲量大于510 kJ/L（是相同體積水蓄能量的3～7倍），所有蓄能材料具有高蓄能密度、高耐熱性、高傳熱性、低膨脹性、無腐蝕性、無毒無害環保等特點。

3 展望

在過去的100多年里，發達國家先后完成了工業化，消耗了地球上大量的自然資源，特別是能源資源。當前，一些發展中國家正在步入工業化階段，能源消耗的增加是經濟社會發展的必然趨勢[7]。我國作為世界上第二大的能源生產國和消費國，雖然能源資源總量豐富，但人均占有量低，煤炭和水資源人均占有量不到世界平均水平的1/2，石油、天然氣人均占有量僅為世界平均水平的1/15左右[8]。此外，我國能源資源分布不平均，煤炭資源主要分布在西北、華北地區，水力資源以西南地區為主，石油、天然氣主要集中在東部、中部、西部的沿海區域。大規模、長距離的北煤南送、北油南運、西氣東輸、西電東送的現象，是我國能源流向的顯著特征，因為我國主要的能源消費地區主要集中在東南沿海發達區，這就構成了能源運輸的基本格局[9]。

鑒于以上背景，采取相關措施改變目前的這種能源利用形式，尋求一種清潔、可再生的替代能源已刻不容緩，而太陽能正是可再生的清潔能源，因此受到人們的廣泛關注。在我國，建筑能耗在社會總能耗中占有較大的比重，已達到25%以上，隨著經濟的發展，建筑能耗所占比重也在逐年增加[10]。因此，在建筑中利用太陽能代替常規能源進行供暖，不僅能減少常規能源的消耗，對優化我國能源結構也具有重要意義。

目前，國內外對太陽能相變蓄能領域的研究主要集中在3個方面：①相變蓄能材料，目前的研究主要集中于研究和開發相變潛熱大、熱性能穩定，無毒無害，實用性強的相變儲能材料。②相變蓄熱裝置，主要圍繞相變單元形式、蓄放熱特性等方面進行研究。③相變蓄能裝置的強化傳熱，目前的研究主要集中于在相變裝置中添加翅片、助條等強化傳熱的裝置或在相變材料中添加金屬粉末、多孔介質、石墨粉、膨脹石墨等[10]。

該研究針對北方冬季寒冷的自然條件，將相變蓄熱型太陽能供暖系統應用到溫室中進行研究，在北京地區搭建試驗平臺，完成相變蓄熱型太陽能供暖系統運行性能、系統性等方面的測試，兼備經濟性、先進性以及實用性于一身，具有非常好的應用前景。

參考文獻

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