相變蓄熱裝置熱性能測試方法比對研究

王碧玲 劉宗江 鄒立成 李愛松

1 建科環能科技有限公司

2 中國航空規劃設計研究總院有限公司

1 研究背景

由于大部分能源本質上是間歇性的，因此儲能在節約可用能源和提高能源利用率方面發揮著重要作用。在儲能的實際應用中，短期存儲能源通常比較常見，但也可能在某些情況下需要長期儲存能源[1]。與顯熱儲熱方式相比，相變儲熱方式由于其更高的儲熱密度得到了廣泛的研究。相變蓄熱裝置因其體積小、蓄熱量大、放熱溫度均勻等特點在熱能儲存方面有很廣闊的應用前景[2]。

2017 年 9 月 22 日，國家發展改革委，財政部，科學技術部，工業和信息化部，國家能源局五部委聯合發布 《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》，在重點任務中指出：集中攻關一批具有關鍵核心意義的儲能技術和材料。重點包括變速抽水蓄能技術，大規模新型壓縮空氣儲能技術，化學儲電的各種新材料制備技術，高溫超導磁儲能技術，相變儲熱材料與高溫儲熱技術，儲能系統集成技術，能量管理技術等。

2017 年5 月開始，2017 年和2018 年連續兩年，國家四部委面向 2+26 大氣污染傳輸通道城市和汾渭平原城市開展清潔供暖試點城市建設。電供暖作為清潔供暖的重要組成部分得到廣泛應用。在這種背景下，相變蓄熱裝置作為低谷電蓄熱的重要技術手段得到了大面積的應用。

中國工程建設標準化協會于 2017 年 5 月 11 日發出了《關于印發 <中國工程建設標準化協會 2017年第一批產品標準試點項目計劃 >的通知》（建標協字[2017]015 號），團體標準《無內置熱源相變蓄熱裝置》列入制定計劃，T/CECS 10023-2019《無內置熱源相變蓄熱裝置》（下文簡稱相變蓄熱裝置標準）[3]于2019年8 月28 日正式發布，并于 2020 年 2 月1 日開始正式實施。本標準對相變蓄熱裝置的熱性能測試給出了明確的方法，約定了測試條件，規定了測試方法和流程以及相應的測試指標，為規范國內產品性能提供了依據。

2 國內外測試標準現狀

目前，國內尚無專門針對建筑用相變蓄熱裝置的產品標準。與相變蓄熱裝置相關的標準如 GB/T 21435-2008《相變加熱爐》[4]主要針對石油工業用間接加熱爐，即真空相變加熱爐，微壓相變加熱爐和壓力相變加熱爐。重點是相變加熱爐的設計、制造、安裝維護、使用性能。JG/T299-2010《供冷供熱用蓄能設備技術條件》[5]涵蓋面太廣且主要針對水蓄熱方式，對相變蓄熱方式針對性不強，且編制時間較早，與目前的產品技術發展已不相適應，僅可作為參考。GB/T 31299-2014/IEC60531:1999《家用儲熱式室內加熱器性能測試方法》[6]規定了家用儲熱式室內加熱器的測試項目和測試方法，未規定性能特性要求值。

針對相變蓄熱的標準還包括 JC/T 2111-2012《建筑材料相變調溫性能測試方法》[7]、JC/T 2339-2015《地暖用相變儲能材料及構件》[8]和 JC/T 2338-2015《建筑儲能調溫砂漿》[9]三項建筑材料方面的標準，為相變蓄熱裝置標準的編制提供了參考。

國外針對相變蓄熱裝置的標準主要為ANSI/ASHRAE Standard 94.1-2010 --Method of Testing Active Latent-Heat Storage Devices Based on Thermal Performance（簡稱 ASHRAE 94.1-2010）[10]，該標準對相變蓄熱裝置（以水或空氣為傳熱介質）的蓄熱量，蓄熱時間，放熱量，放熱時間，漏熱率以及蓄熱效率等關鍵參數均給出了測試裝置和試驗方法。該標準對于相變蓄熱裝置標準的編制的編制提供了重要的參考價值。

3 相變蓄熱裝置熱性能測試方法對比研究

相變蓄熱裝置為蓄能裝備，在熱泵、太陽能利用系統中得到了廣泛應用[11]。蓄熱和放熱特性是相變蓄熱裝置最關鍵的參數。國際上對蓄能裝備的測試主要包括兩種方法：一是定蓄熱放熱功率，二是定蓄熱放熱溫度。國內相變蓄熱裝置標準制定時，參考了 ASHRAE 94.1-2010 標準，本文將該標準與我國已發布的《無內置熱源相變蓄熱裝置》T/CECS 10023-2019 在熱性能測試上的異同進行闡述和對比。

3.1 對象范圍

ASHRAE 94.1-2010 標準適用于潛熱蓄熱裝置，換熱介質從單一進口進入，從單一出口流出，不適用于同時有好幾路傳熱介質流進出或者流出的蓄熱設備，傳熱介質可以是水或者不凝結氣體。標準適用于自帶熱源（攪拌泵或者插入式電加熱裝置）供熱量需要小于等于裝置蓄熱量的10%的蓄熱裝置，且蓄熱量小于等于100 GJ。

相變蓄熱裝置標準規定適用范圍為：熱水供水溫度滿足建筑供熱需求的無內置熱源相變蓄熱裝置。本標準基于對現在市場的調查，國內基本上不生產以氣體作為傳熱介質的相變蓄熱裝置，同時為了與已經編制的國家標準《蓄熱型電加熱裝置》相區分，將約束的產品進一步具體化，更具有針對性。

3.2 實驗室測試條件的差異

ASHRAE 94.1-2010 規定在使用該標準進行測試之前需要完全成5 次完整的相變蓄熱放熱過程。這種循環是為了確保裝置處于待運行狀態，而不是處于剛開始狀態。相變蓄熱裝置標準規定，正式試驗前應至少進行2 次預備試驗，以保證裝置達到正常工作的運行狀態。預備試驗應包含從蓄熱到放熱的一個完整運行周期，在每個運行周期內需要完成完整的相變過程。ASHRAE 94.1-2010 規定在蓄熱裝置特定的初始溫度，特定的流量前提下，以特定的功率輸入，達到特定的出口換熱介質溫度時，能夠向蓄熱裝置中蓄存入的總熱量為裝置的輸入熱量。同樣，放熱量的測試也是規定保證放熱速率為定值，達到產品的額定出水溫度時，能夠向外釋放的總熱量。

相變蓄熱裝置標準在產品測試時，蓄熱和放熱都是采用定裝置進出口溫度的方法，蓄熱時定進口溫度，放熱時定出口溫度。這種測試方法與ASHRAE 94.1 的方法存在本質的差別，在數據處理，蓄熱放熱特性分析上都會存在差異。

ASHRAE 94.1-2010 與相變蓄熱裝置標準對測試環境的溫度規范定方法一致：環境溫度采用溫度測點的平均溫度，4 個溫度測點均勻布置于蓄熱裝置的中間平面上，離裝置的水平距離為 0.6 m，實驗室測試環境溫度宜為20 ℃± 2 ℃。

3.3 實驗室測試裝置與流程差異

對于以水（或者其他已知比熱的液體）作為傳熱介質的相變蓄熱裝置的檢測設備，ASHRAE 94.1-2010規定設備應對循環水溫度進行調節，以滿足測試工況。主要的裝置包括流量測量裝置，溫度測量，壓力測量和混流裝置。其中，對于流經蓄熱設備的水壓差規定可以通過靜壓取壓孔進行測量。取壓孔在管道內表面不形成毛刺，取壓孔直徑不超過 1.6 mm，且取壓孔的直徑不超過管道壁面厚度的0.4 倍。兩個取壓點處管道的橫截面積不一致時，需要對動壓進行修正。裝置的主要構成如圖1：

圖1 ASHRAE 94.1-2010 溫度流量法測量裝置

一個完整的測試流程需要包含以下步驟：

A、測試設備達到測試前的穩定狀態。該狀態下的換熱介質溫度t i達到設備設定值。

B、對設備進行一次 0.5 倍率短期循環測試，期間的輸入熱功率=0.5 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=0.5 倍額定輸出熱功率；本次測試的目的是將設備在測試之前初始化，測試數據記錄但不顯示在報告中。

C、Test#1，0.5 倍率短期循環測試：輸入熱功率=0.5 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=0.5 倍額定輸出熱功率，測試后數據記錄并顯示在報告里。

D、Test#2，0.5 倍率長期循環測試：輸入熱功率=0.5 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=0.5 倍額定輸出熱功率，測試后數據記錄并顯示在報告里。

E、第一次1 倍率短期循環測試：輸入熱功率=額定輸入熱功率；輸出熱功率=額定輸出熱功率，測試后數據記錄，本次測試數據不體現在報告里。

F、Test#3，1 倍率長期循環測試：輸入熱功率=額定輸入熱功率；輸出熱功率=額定輸出熱功率，測試后數據記錄并顯示在報告里。

G、2 倍率短期循環測試：輸入熱功率=2 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=2 倍額定輸出熱功率，測試后數據記錄，本次測試數據不體現在報告里。

H、T est#4，2 倍率長期循環測試：輸入熱功率=2倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=2 倍額定輸出熱功率，測試后數據記錄并顯示在報告里。

I、4 倍率短期循環測試：輸入熱功率=4 倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=4 倍額定輸出熱功率，測試后數據記錄，本次測試數據不體現在報告里。

J、T est#5，4 倍率長期循環測試：輸入熱功率=4倍額定輸入熱功率；輸出熱功率=4 倍額定輸出熱功率，測試后數據記錄并顯示在報告里。

對于裝置的短期循環測試，要求蓄熱放熱之間的調整時間小于 10 min，以盡可能減少設備的熱損失。長期測試期間的調整時間隨設備而異，以產生明顯的熱損失，并用以測量設備的熱損失率（保溫性能指標）。測試流程中的數據圖示如圖2：

圖2 長期測試與短期測試進出口溫度示意圖

相變蓄熱裝置標準規定液體流量溫度法測試原理如圖3 所示。測試裝置由于需要保證進口、出口的溫度恒定，需要配置專有的制冷系統和精加熱系統。被測設備裝置放置在溫度可控的環境間，水系統溫度控制由專門的制冷制熱系統實現。

圖3 相變蓄熱裝置標準推薦的測試裝置流程圖

標準規定蓄熱裝置有效蓄熱量不應低于額定蓄熱量的95%，熱效率不應小于90%。蓄熱裝置的熱工性能測試采用間接測試方法，測試裝置采用流量溫度法原理搭建。

蓄熱裝置的蓄熱量測試應在完成預備試驗后，按照以下流程進行蓄熱量測試：

A、完成預備試驗后，流經蓄熱裝置的傳熱介質溫度控制在裝置的放熱工作溫度下限值±0 .5 ℃，進出口溫差小于0.5 ℃，準備對裝置進行正式試驗。

B、關閉裝置的進口閥門，打開旁通閥門。

C、維持系統流量為蓄熱裝置的額定流量，調節加熱裝置使得供熱介質溫度維持在蓄熱裝置蓄熱工況工作溫度上限溫度±0 .5 ℃范圍內，關閉旁通閥，打開蓄熱裝置的進口閥門；對裝置進行蓄熱量測試。

D、當流經蓄熱裝置的傳熱介質出口溫度達到蓄熱工作溫度上限溫度時，蓄熱工況結束。

E、蓄熱工況結束后繼續加熱 5 min，并繼續測量和記錄數據，然后關閉裝置進口閥門，打開旁通閥，停止蓄熱。

F、記錄和存儲的試驗參數包括介質進出口溫度、蓄熱運行時間、介質流量，計算得出蓄熱過程中的蓄熱量。

蓄熱裝置的供熱量測試應在完成蓄熱量試驗后，應按照以下流程進行供熱量測試：

A、應在完成蓄熱量測試后 30 min 內，將蓄熱裝置調整為放熱狀態。

B、根據測試需要調整測試系統閥門，開啟冷卻裝置，使系統傳熱介質溫度控制在裝置的放熱工作溫度下限值±0 .5 ℃，調整系統流量為額定流量，打開裝置進口閥門，關閉旁通閥，裝置開始進入供熱測試過程。

C、當流經蓄熱裝置的傳熱介質進出口溫差持續小于0.5 ℃時，放熱過程結束（對于有些相變材料中間某一小段時間出現溫度溫差小于0.5 ℃隨后溫差又持續增大的現象需要記錄在實驗數據里面）。

D、放熱工況的結束后繼續冷卻 5 min，并繼續測量和記錄數據。

E、記錄并存儲試驗參數包括介質進出口溫度，放熱運行時間以及介質流量，計算得出放熱過程中的供熱量。

測試流程中的數據示意圖如圖4：

圖4 按照定供水溫度測試蓄熱、放熱階段溫度示意圖

由以上對比可以看出，在針對蓄熱設備的測試上，ASHRAE 94.1-2010 要求更為嚴格，測試的過程比國內標準復雜。但是，這種定輸入功率的測試狀態與國內普遍使用的定供水溫度的設計現實差別很大，測試過程中需要不斷改變供水溫度以維持測試工況，給實際實驗室測試，及實驗室建設帶來較大的不便。

我國目前的蓄熱都是使用鍋爐作為供熱設備，在實際使用時，鍋爐的供水溫度是恒定的，以維持鍋爐高的運行效率。因此，定供水溫度的測試方法更適應我國現狀，具有實際的可操作性。

3.4 檢測結果數據指標差異

對于相變蓄熱裝置，衡量蓄熱性能的核心指標為蓄熱效率，A SHRAE 94.1-2010 要求記錄在 0.5 倍、1倍，2 倍、4 倍蓄熱功率下長期測試得到的輸入熱量和輸出熱量，并計算以上這四種狀態下的蓄熱效率，繪制在同一張坐標紙上，作為體現設備蓄熱效率的指標。蓄熱效率計算為每次的放熱量與蓄熱量的商。

相變蓄熱裝置標準規定蓄熱裝置的蓄熱效率為有效供熱量與有效蓄熱量的比值，有效蓄熱量和有效供熱量為蓄熱裝置連續進行三次試驗的平均值。

4 結論

在國內尚缺針對相變蓄熱裝置熱性能測試的前提下，中國工程建設標準化協會及時立項，組織專家編制 《無內置熱源相變蓄熱裝置》，標準借鑒了 ASHRAE 94.1-2010 的體系和部分成果，在蓄熱性能測試上，充分考慮了國內實際設計和運行經驗，創造性的建立了溫度流量法的實驗室測試思想。本文客觀比較了ASHRAE 94.1-2010 標準與我國目前已經完成編制的相變蓄熱裝置標準在測試對象范圍，實驗室條件約束，實驗裝置，測試方法流程以及測試指標體現幾個重要方面的差異，為相關從業者充分理解產品熱性能測試方法提供了參考，也為 《相關從業者使用該標準，理解測試過程提供了技術依據。