高溫熱泵儲能供熱系統中相變儲能材料性能分析

劉 鋒，丁錦宏

（廣東省河源市質量計量監督檢測所，廣東 河源 517000）

高溫熱泵是將工業企業排放、浪費的中低溫度的廢水、廢氣中的熱量通過高溫熱能熱泵進行收集，轉換成小于等于150 ℃的水或高溫蒸汽，用于工業工藝或供暖使用。相變儲能技術主要利用相變材料發生物理相變過程時會吸收或釋放大量相變潛熱的特性，從而實現能量的儲存。Halawa E.介紹了空氣采暖空氣相變儲熱單元（TSU）熱性能綜合數值研究的結果[1]。崔秋娜等對相變材料本身的性能及在實際應用中的選擇上進行了介紹說明[2]。本文的主要工作是在綜合考慮配合高溫熱泵節能技術的條件下，為高溫熱泵儲能系統選擇合適的相變材料，并且對其性能進行分析。

1 相變材料選擇及性能研究

高溫熱泵是指制熱出水溫度能夠達到85 ℃以上的熱泵恒溫制熱工況下COP 值可大于2.5 以上，為工業用熱水提供了良好的節能效果。本文在選擇合適的相變材料上主要從相變材料的相變溫度、導熱系數及儲能密度這三方面考慮[3-4]。由于一般供熱的溫度要求在60～70 ℃，又有傳熱溫差的存在，該系統應用的相變材料的相變溫度范圍在70～80 ℃較好，八水合氫氧化鋇的相變溫度為78 ℃，其測試參數如1所示。

表1 復合八水氫氧化鋇的主要熱物性參數

從復合八水合氫氧化鋇的熱物性參數來看，該材料具有較好的熱性能，高溫熱泵所產生的熱量能夠將復合八水氫氧化鋇融化[5]，因此用該材料作為相變材料的基質材料是比較好的選擇。

2 材料壓力測試

復合八水氫氧化鋇具有相對一般相變材料較高導熱系數和潛熱值，為尋找該材料封裝容器，對材料進行了壓力和溫度變化情況測試，如圖1 所示。將相變材料封裝在不銹鋼容器中，完全密封，頂部做熱電偶溫度傳感器和壓力傳感器接頭，測試結果如圖2 所示。

圖1 相變材料在恒溫條件下溫度和壓力測試示意圖

圖2 相變材料在恒溫條件下溫度和相對壓力變化情況

復合八水氫氧化鋇在融化過程中，其溫度最高達到90 ℃，其相對壓力增加不超過0.09 MPa，可見復合八水氫氧化鋇在融化過程中其壓力增加不會過大。

3 材料穩定性

復合八水氫氧化鋇的循環穩定性采用恒溫金屬浴測試。該儀器可實現對測試材料的周期加熱、冷卻循環，加熱溫區為室溫5～100 ℃，而且加熱時間較短。循環測試分別到50 次、100 次、200 次、300 次時測試復合八水氫氧化鋇的潛熱值及其過冷度情況，其中潛熱損失系數=潛熱值的損失/初始測試潛熱值，具體數據如表2 所示。

表2 復合八水氫氧化鋇循環穩定性能測試數據

經過一定循環周期內，如果相變材料的潛熱值降到初始潛熱值的80%，或者過冷度超過相變溫度10%，則一般認為該相變材料失效，按此推算可得出復合八水氫氧化鋇的使用壽命。按潛熱值損失計算該材料可循環使用10 000 次左右，按過冷度計算該材料可循環使用3 300 次左右，綜合考慮該材料的使用壽命在3 300 次左右。

4 總結

本文主要對適用于熱泵儲能供熱系統的相變材料選擇以及對材料的性能方面進行了篩選和測試。用八水氫氧化鋇作為相變材料，對其進行熱性能測試，該材料具有較高的導熱系數和潛熱值。對該材料進行了壓力測試，結果表明，容器內部的相對壓力不會超過0.09 MPa。測試了該材料的循環穩定性，其使用壽命在3 300 次以上。