相變蓄能在熱泵系統中的應用研究

周 易 張時華 徐笑鋒

1.上海交通大學機械與動力工程學院

2.上海海立電器有限公司

0 前言

國際能源署在會議報告中指出，全球化石能源危機加快了能源轉型，需要縮小能源生產和消費之間的差距。風能和太陽能等可再生能源的使用量持續增長，但是其能源占比不足15%（如圖1 所示）。熱泵技術是一種充分利用低品位熱能的高效節能裝置，是實現碳達峰、碳中和目標的有效技術手段［1］。目前，我國已將熱泵技術劃入可再生能源范疇，并在“十三五”計劃中有所體現，但熱泵受環境溫度影響，在系統效率波動，冷熱源利用等方面存在一定問題。

圖1 我國能源消耗的構成占比（%）

相變儲能技術是以潛熱儲能為主要載體，提供較高的能量儲存密度，與傳統的顯熱儲能系統相比，潛熱儲能系統需要更小的重量和在給定能量下的物質體積。另外，潛熱儲能有能力在一個常數或接近恒定的溫度下釋放能量［2］，同時熱泵作為節能、高效、低碳的設備，廣泛應用于室內供暖和熱水供應領域，但本身的技術短板限制了應用場景，如低溫環境工況下能耗比低，換熱器表面結霜，熱水箱占地大。為解決熱泵技術短板，多數學者開發了蓄熱型熱泵系統，提高了熱泵能耗性能，應用范圍進一步擴展。

本文根據相變儲能技術和熱泵技術的結合應用，分析相變儲能應用于熱泵系統的可行性。從相變儲能應用于熱泵供冷系統、相變材料應用于熱泵供熱系統以及熱泵除霜等方面對現有研究進行歸納，梳理了相變材料應用于熱泵系統的重要影響因素與系統流程，并重點針對相變材料的熱物性進行了重點闡述，論證相變儲能技術在熱泵供熱系統中應用的有效性。

1 相變材料的分類

相變材料可分為有機物、無機鹽和共晶金屬三種，其材料特性如表1 所示。相變溫度必須與應用溫度操作范圍相匹配。相變儲能技術對相變材料篩選要求其具有相變潛熱高、體積變化小、導熱系數高、化學穩定性高、無腐蝕、無毒、難燃、可重復成核而無相分析、過冷度低、價格低、供應充足等優良性能［3］。

表1 相變材料潛熱蓄熱特性研究

相變儲能技術的高效性與相變材料換熱性能是密不可分的。目前，大多數研究圍繞著復合相變材料的強化相變傳熱，優化單一材料的短板，用于提升相變蓄熱裝置傳熱效果。其主要有五種方法（如圖2所示）：

1）加翅片或者肋片，增大換熱面積［4］。

2）加入高導熱系數材料，如納米金屬，形成符合相變材料，增大導熱系數［5］。

3）加入多孔介質，如金屬泡沫網，制備復合相變材料，強化導熱路徑，增大換熱系數［6］。

4）用聚合物包裹材料形成相變微膠囊，增大換熱面積的同時，防止材料泄漏或中斷與周邊反應［7］。

5）多溫區相變材料組合構造，改善蓄熱裝置內不同換熱單元相變速率的均勻性，提高了換熱效率［8］。

為進一步探求相變材料的熔融特性和傳熱分析，相關學者從宏觀尺度和微觀層面分別展開試驗。Zheng 等［9］利用定向加熱和可視化試驗，探求加熱布局對泡沫銅-石蠟復合相變材料換熱性能的線性關系。Jin等［10］使用不同孔徑泡沫銅和飽和石蠟配置復合材料。觀測相變過程中溫度場典型時間刻度瞬態變化，從宏觀尺度進行可視化試驗，可以直觀地觀測相變過程，優化復合相變材料的配置，利用電子顯微鏡研究相變材料的微觀層面，推演相變過程。Wang 等［11］制備一種碳結構相變微膠囊，得到了不同質量分數膨脹石墨與復合材料導熱系數的數學模型。通過晶體分析，Sari 等［12］得到相變轉變過程中形貌特征，預測相變進行時長，與無相變材料的換熱流體相比，提高了換熱流體的比熱容，由于增加了分散相的面容積比而提高了換熱速率，減少了換熱器和系統網絡。綜上所述，在尋求適合熱泵系統的相變材料同時，提高相變材料的儲熱密度與傳熱特性仍是當下面臨的較大問題。

2 相變材料應用于熱泵供冷系統

相變儲能技術應用在空調系統中可提高能源利用效率。夜間通常使用相變蓄冷材料、復合冰進行蓄冷，白天使用可以克服高峰和非高峰時段的能量需求不匹配問題。復合冰是指使用低于冰點3～6 ℃的乙二醇或鹽水溶液，通過冰罐或去離子水封裝的塑料球循環產生的二元混合相變蓄冷材料。由于在充冷循環中消除了聚變潛熱，從而使水轉化為冰時獲得更高的存儲容量。吳贊俠等［13］利用熱力學軟件對符合冰和相變蓄冷材料進行了蓄冷和放冷仿真模擬，分析對比兩種材料在相變過程中蓄冷量和蓄冷時間的變化規律。潛熱值的影響使得相變材料蓄冷量更大。在相同體積下，冰蓄冷放冷速率高，放冷更快，相變材料導熱系數的影響使其放冷時間長，溫度較穩定。

針對蓄冷空調系統換熱系數較低的情況，李天陽［14］提出耦合相變材料與換熱裝置形成蓄冷器，模擬換熱過程，分析了載冷劑進口質量流量對蓄冷速率和出口溫度的影響。在蓄冷過程中，相變材料完成度無法預知。王聰［15］設計了一種管肋狀蓄冷換熱器，探索中心部分材料相變進度影響因素。設計是由管內載熱流體與外壁相變材料換熱，建立相應的傳熱數學模型，利用熱力學軟件分析相變材料溫度變化過程和相界面移動狀況。

大多數蓄冷型空調系統采用球形膠囊填充床儲能，利用每單位體積的儲能單元容量高。Fang等［16］用直徑100 mm、壁厚1 mm 的聚合物球形膠囊填充水作為相變材料填料床蓄熱單元，對蓄冷空調系統的性能進行了實驗研究。實驗系統由制冷循環回路(1-4-3-2)、充冷循環回路(4-18,17-9-6-15- 12)、放冷循環回路(6-15-13-7-9)和供冷循環回路(7-8-11)組成（如圖3 所示）。結果表明，在相變材料潛熱蓄冷期間，系統蒸發器和冷凝器壓力降低，系統性能系數在4.1～2.1之間變化。蓄冷箱放冷速率在8.5 ～ 3.4 kW 之間變化，在放冷期間放冷量逐漸增加到45 MJ。實驗表明采用球形膠囊填料床的蓄冷空調系統具有更好的性能，在充放冷期間能夠穩定工作。

圖3 蓄冷空調多功能試驗系統循環圖

Paramesh 等［17］對可持續性熱能儲存(包括建筑應用的潛熱能和冷熱能)進行了理論研究，得出了不同的建筑結構和暖通空調設備相結合的蓄熱材料性能評估，微納米封裝的相變材料將提高熱能儲存的整體性能，被動式建筑設計可達到約10%～15%的節能效果，主動技術可達到45%～55%的節能效果。

冰蓄冷空調發展較為成熟，因其蓄冷材料價格低廉、儲能密度大的優點已經實現規模化應用。大多數學者專家將蓄冷材料應用于系統蒸發段進行潛熱蓄冷，不僅大大提升了熱泵供冷系統的能效，更提高了制冷量，減小了壓縮機工作負荷。目前，用于熱泵供冷系統的蓄冷材料溫度區間多集中在5 ℃左右，但是其強化傳熱、系統循環穩定性仍是研究熱點。

3 相變材料蓄熱供熱

蓄熱型空氣源熱泵是對傳統熱泵的優化改進。環境溫度高時，熱泵制熱能力高，同時將多余熱量存儲，環境溫度過低時，將這部分儲存的熱量利用到熱泵系統中，緩解供需不匹配的矛盾。

馬素霞等［18］設計開發了相變蓄熱式空氣源熱泵裝置，環境溫度較低時，利用相變蓄熱器有效解決除霜和啟動延遲問題。相變蓄熱裝置是由蓄熱材料、冷凝盤管和橡塑保溫層組成。系統設置了供熱—蓄熱—放熱—除霜幾種模式。在焓差實驗室內以環境溫度為控制變量，分析裝置的蓄放熱速率和除霜特性效果。實驗結果可知，蓄熱式熱泵設備的蓄放熱能力可以滿足低溫工況下的供熱需求，有效解決傳統熱泵供需矛盾，同時除霜功能有效地縮短了50%除霜時間，提高整體裝置的供熱性能。劉夢云［19］通過經濟體系模型和實際工況模擬分析蓄熱型熱泵供暖系統，提出相變蓄熱器承擔建筑熱負荷的蓄熱比定義。當蓄熱比為60%時，經濟模型年值最低，經濟性較好，同時谷電費用占比近70%，一定程度上可以緩解城市棄電時間段問題，整體系統具有良好的市場前景。

傳熱熱泵熱水器在設備安裝和用戶使用方面存在一定的問題。安裝空間需求大，同時熱水箱占地較大，出水時需要配合熱水循環泵，后期維護成本高。商用大功率熱泵機組配置開放式水箱，水箱水溫變化幅度較大和箱體腐蝕泄漏問題對整體系統運行存在重大隱患。

LONG 等［20］優化傳統熱泵熱水器結構，設計了相變蓄熱式熱泵熱水機組，從系統原理圖4看出，該系統充分利用環境溫度源作為低溫端，蒸發器內制冷劑蒸發吸收低溫段熱量，再用壓縮機壓縮成高溫高壓的氣態，通過冷凝盤管放熱給相變材料，進行相變儲能。當用戶端盤管用水時，高溫相變材料進行逆過程釋放熱量，達到加熱冷水的目的。實驗測得系統熱泵輸入功率和相變材料釋放熱量總值，得出系統能效比值超過3.08。

圖4 相變儲熱式熱泵熱水器系統

為選擇最合適的蓄熱材料用于蓄熱型熱泵熱水器,巫江虹等［21］對三水醋酸鈉和石蠟的蓄熱性能進行比較。研究采用添加增稠劑和成核劑,復合相變材料的儲(放)熱時間比石蠟的大幅度減少。所制備的相變材料應用于復疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器［22］，分析耦合系統的蓄熱和放熱過程。實驗發現，蓄熱階段系統電功率快速上升，機組瞬時能效比緩慢減低。水箱中測量點的溫度變化速率不一致，水箱內呈現出分層加熱現象。放熱階段，相變材料的溫度變化比同高度的水溫波動較慢，相變材料固液相變時內部熱阻高，換熱有延遲（見圖5）。

圖5 復疊式儲熱型空氣源熱泵熱水器原理圖

熱泵供熱系統中，相變儲能技術多用于冷凝段與壓縮機端的熱量回收利用。壓縮機出口溫度最高可達90 ℃以上，該部分熱能的利用不僅可提高系統能效，還可以提高整體系統的?效率。大多數學者針對熱泵供熱制備了55～80 ℃的相變材料，其潛熱值較蓄冷材料較低，且循環穩定性未知。蓄熱式熱泵供熱系統多利用無機相變材料，其腐蝕性與毒性也是限制其應用的關鍵因素。

4 相變材料蓄熱除霜

空氣源熱泵系統優化和節能技術的關鍵是除霜和抑制結霜。蒸發器表面結霜主要的影響因素是空氣露點溫度和蒸發器管壁溫度。蒸發器的總傳熱系數、取熱量和空氣溫度等因素決定了蒸發溫度，理論設計中結霜的進程是根據空氣的干球溫度和相對濕度判定?？諝庠礋岜迷诘蜏馗邼竦貐^供熱，室外蒸發器會結霜，霜層堵塞翅片間隙，減小了空氣的流速，增加了換熱熱阻，影響了機組的制熱性能。抑制結霜首先可以改變蒸發端周邊空氣參數，其次改變熱泵系統內熱流體的流程，再者直接從霜的結構入手，添加外在驅動力干涉成形。

電除霜的電耗能占比過大，經濟性較低。逆循環除霜對用戶體驗影響較大。熱氣旁通法可以有效解決除霜且不會降低室內用戶舒適性，但由于其除霜時間過長，所損失的能耗較大，節能效果不佳。蓄熱除霜可以分為水蓄熱和相變蓄熱。水蓄熱利用顯熱蓄熱，經濟性好，比熱較小，蓄熱占用體積過大。相變蓄熱除霜利用相變材料高潛熱值，蓄熱器體積可控，結合熱泵系統布局，有較好的除霜效果。與其他除霜技術對比，蓄熱除霜同時提高了壓縮機的吸排氣壓力和系統穩定性。

丁艷等［23］搭建了相變除霜系統，利用熱力學軟件對系統傳熱模型進行分析，探討蓄熱器換熱管數量、換熱溫度差對除霜效果的影響。研究發現，換熱管數量的增加對換熱性能的提升有著顯著效果，提高管內制冷劑溫度與相變材料的溫度差，能耗對比除霜效果成正比關系。董建鍇等［24］針對多聯機空氣源熱泵系統，設計相變蓄能除霜系統，對換熱結構和強化換熱方法進行實驗分析，對比了翅片管型和盤管型蓄能器的性能特性。實驗結果顯示，熱泵機組滿負荷運行時，相變蓄能裝置蓄熱，盤管型換熱結構有效降低了換熱時間，制冷劑流程較長。從蓄放熱整體供熱周期對比發現，翅片式換熱結構對系統供熱影響更小。除霜過程中,翅片管型系統的吸氣溫度最低位-6.2 ℃,接近于正常供熱的吸氣溫度，而螺旋盤管型相變蓄能器系統的最低吸氣溫度降低至-19.9 ℃,并持續較長時間（見圖6）。

研究表明，相變儲能技術可有效地解決熱泵系統的結霜問題。多數學者設計的蓄熱除霜系統較為穩定可靠，較傳統的熱氣旁通除霜與電除霜系統COP可升高5%與35%左右。但是因為相變材料的儲熱密度有限，干燥劑的再生存在一定問題。

5 結論

本文從相變材料分類、熱泵供冷、熱泵供熱及熱泵除霜等方面總結了相關研究，對相變儲能技術應用于熱泵系統的現狀進行了分析闡述，探索了相關系統當下的發展現狀與問題，主要得出以下結論：

1）相變儲能材料的導熱率、過冷度和相分離問題存在著一定的性能優化空間。

2）相變材料用于熱泵供冷需要進一步可行性研究，材料放冷速率和系統匹配性需要大量實驗論證。

3）熱泵供熱系統利用儲能技術，使得熱水供熱更加穩定，對原有儲罐式水箱進行了極大的體積優化。同時，對提高相變材料熱轉換率，提高相變材料的循環穩定性，解決腐蝕性等問題有待進一步研究。

4）使用相變儲能系統，有效地緩解熱泵除霜問題，提高了整體系統的能效比。干燥劑再生問題是未來研究的重點方向。