相变储热池的设计与应用研究

赵海军　戴剑锋　付比　令润强

【摘要】设计了以封装相变储热材料的聚乙烯管阵列为基本单元的储热池进行储热，可进行跨季节太阳能储热，或用于冬季供暖和供热。分析了储热池的热性能，并通过热工计算给出了关键设计参数，核算表明太阳能附加项目经济成本20.8万元，替电静态回收期为9.5年。

【关键词】相变材料；储热池；过冷度

引言

传统储热方式有微胶囊相变储热技术[1]、相变材料直接与建筑材料复合等方式[2]，其优点是微胶囊颗粒微小、粒径均匀且壁薄（0.2～10μm），可增大相变材料的比表面积，加快相变材料的热传递，易与各种高分子材料混合构成性能更加优越的复合高分子相变材料。减少了相变材料与外界环境的反应，提高了相变材料的稳定性。但其不足之处是一经使用无法灵活更换，且直接与建筑材料相复合的相变材料容易失去结晶水而无法继续发生相变，导致循环次数降低，在大规模应用上还是有一定的限制，包封性差等。将塑封相变储热材料管复合于墙体和地板中效果随好，但储热量有限，不能完全满足设计要求。因此，本文设计了以封装相变储热材料的聚乙烯管阵列为基本单元的储热池进行储热，循环使用后材料的热学性能稳定，而且利用水的高对流系数，大大提高了充放热效率，也解决了泄露和腐蚀污染等问题。

1、相变储热池设计

1.1储热单元结构

储热单元（结构如图1所示）由箱式单体上支撑座1、下支撑座2、箱式单体支撑架3和封装储热材料的塑封管4构成，将聚乙烯管排布于50×50cm2的底座上，用上下两个多孔支撑板将其镶嵌固定其间。该塑封管的高密度排列提高了可存储的相变材料的有效体积，单位化的细管与箱式单体可更具需求灵活堆砌，可同时封装不同相变温度的储热材料。

储热单元储热时，塑封管中封装相变材料，将储热单元浸入水中，通过太阳能集热器加热储热单元中的水，并与塑封管中的相变材料发生热交换，使材料发生固-液相变，存储太阳能。放热时，相变材料又发生液-固相变，放出能量，通过传热把热量交换给水循环系统进行供热。

储热单元中塑封管采用错位密排结构，其内放置长50cm、外径3cm、壁厚1mm的塑封管，管间距4mm，可排布188根。储热单元的有效容积率为46.3%。

1.2储热池结构

考虑到施工工艺简单和密封性能良好，设计圆柱形储热池，池内放置储热单元128个排列两层，每层64个单元按8行8列放置（见图2）。为了储热单元的顶角不与储热池边缘摩擦，则储热池半径至少为3.0m。两层储热单元堆积，考虑封顶需要一定空间，将池高设为1.2m。储热池储热材料的有效容积为7.3m3.

储热池体的建造以水泥墙为池内壁，夹层保温墙为池外壁，水泥铺设地基，在其上用水泥柱支撑起水泥板和水泥墙构成的蓄热池内腔，内壁与外壁间形成空气隔热层。保温层选取聚氨酯，施工方便，综合造价低，具有优良的耐腐蚀性、耐冲击性；使用寿命长，可达30-50年。

2、储热性能分析

为了提高充放热效率，保证冬季供暖出水温度不低于65℃（其他用途可根据需求温度设计相变材料），储热池内封装的材料相变温度应在80-100℃，针对这一温度范围的一些材料，根据其热物性和市场调研比较[3]，采用KAl（SO4）2·12H2O较经济。

KAl（SO4）2·12H2O的相 变 温度85.8℃，密度1750kg/m3，相变潜热为232kJ/kg。在聚乙烯管中封装一定量的KAl（SO4）2·12H2O，将铂电阻温度传感器插入管中并用橡胶塞密封，然后放入数显恒温水浴锅，分别加入不同成份及组分的成核剂恒温一段时间后从恒温水浴锅中取出，放在支架上自然冷却。同时通过数据采集仪每10s记录一次冷却温度，根据记录的数据用Origin8绘出步冷曲线，选出最好的实验配比[4]。

在分别添加硼砂Na2B4O7·10H2O、Na2SiO3·9H2O作为成核剂时，进行加热-冷却实验，系统的溶解-凝固曲线如图3（a-b）所示。实验表明，加入不同的单一成核剂使KAl（SO4）2·12H2O的过冷度有所降低，但均不理想。成核剂太少时（如添加3wt %CH3COONa·3H2O），晶核的数量太少而不能完全抑制过冷；成核剂太多时（如分别添加5wt %、10 wt % Na2SiO3·9H2O），析出成核剂的粒子太多，粒子碰撞的几率增大，容易形成更大的核，表面自由能增大，不利于抑制过冷。

加入两种或两种以上的成核剂，进行加热-冷却实验，系统的溶解-凝固曲线如图5（c-d）所示。实验表明，添加多种成核剂后，储热材料的过冷度有了明显的降低。添加3wt% Na2HPO4·12H2O +3wt%CH3COONa·3H2O抑制过冷效果较好，过冷度0.8℃；加入3wt%Na2HPO4·12H2O+2wt%Na2B4O7·10H2O+5wt%Na2SiO3·9H2O的效果最好，过冷度为0.667℃，并且Na2HPO4·12H2O，Na2B4O7·10H2O和Na2SiO3·9H2O都是储能密度很大的储热材料。说明添加几种成核剂影响成核的因素很多，有晶粒大小的不同、晶体结构的不同、表面自由能大小的不同、酸碱性的不同、研磨的颗粒大小的不同、外部环境等因素的影响。

依据实验结论，管内储热材料中添加成核剂3wt%Na2HPO4·12H2O+4wt%Na2B4O7·10H2O+3wt%Na2SiO3·9H2O，以达到最佳储能效果。

3、结论

与传统的相变材料储能方式相比[5]，采用以封装相变储热材料的聚乙烯管阵列为基本单元的储热池进行储热，循环使用后材料的热学性能稳定，而且利用水的高对流系数，大大提高了充放热效率，也解决了泄露和腐蚀污染等问题。

参考文献

[1]王立新，苏峻峰，任丽.相变储热微胶囊的研制.高分子材料科学与工程[J].2005（1）：276-279.

[2]殷志强.太阳能光热技术的进展.太阳能[J].2011（18）：29-30.

[3]韩毓华，陈立伟.芒硝系太阳能蓄热剂.化工时刊[J].1988（4）.

[4]Pincemin S， Olives R， Py X， Christ M. Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage. Solar Energy Materials & Solar Cells[J].2008（92）：603-613.

[5]Francis Agyenim， Neil Hewitt， Philip Eames. A review of materials， heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems （LHTESS）.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].2010（14）：615–628.