太阳能低温相变蓄热装置的设计与应用

赵静 周增产 卜云龙 李思 李秀刚 陈立振

摘要 太阳能采暖具有间歇性，易受天气等影响，是制约其普及的一个重要因素。将太阳能与低温相变蓄热装置相结合，在日光充足时利用太阳能采暖并蓄热，在夜间或光照不足时释放热量供给温室采暖，有助于提高系统的稳定性和太阳能的利用率，并提高太阳能采暖系统的灵活性，为冬季温室采暖节省成本。结合试验温室基本情况，经过初步计算，设计出适合的太阳能集热系统及与其联用的低温相变蓄热装置，以期为冬季温室采暖提供新思路，降低农户运行费用，为温室的管理及植物的生长提供必要的条件，同时减少环境污染，为太阳能集热系统相变蓄热装置的设计优化及应用提供参考。

关键词 太阳能；低温相变；温室；蓄热装置

中图分类号 S214 文献标识码 A 文章编号 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

太阳能热水器是典型的太阳能热利用系统，它以环保、安全、节能、卫生等优点迅速赢得了广大消费者的青睐。从最初的闷晒型、平板型到现在的全玻璃真空管、玻璃-金属真空管型，太阳能集热技术有了飞跃的发展，大大提高了太阳能的利用效率，丰富了太阳能热水器的种类[1]。目前市面上大多数太阳能热水器在蓄热方面采用水作为储存介质，但水的储能密度较小，为显热储能。近年来，开发新型相变储热太阳能热水器及研究与太阳能热利用技术结合的相变技术成为各国研究热点。笔者主要针对相变蓄热技术在太阳能集热系统上的应用进行研究及进一步探讨，设计一种与太阳能集热系统联用的相变蓄热装置，将其应用于农业生产的日光温室上，该装置可保持较高的蓄热能力，且具有良好的传热性能，能高效率利用太阳能。

1 试验温室概况

试验温室是位于39°48′ N，116°28′ E的东西走向日光温室，该日光温室南坡面为透光设计，太陽能直接照射到大棚内，太阳能采暖的主要热量可储存起来供夜间使用。目前该试验温室采用暖气采暖，采暖时间为11月15日至次年3月15日，为期120 d。

1.1 基础水温的计算

低温相变装置应用于太阳能集热系统，需要计算热水系统的耗热量。耗热量的确定则需要通过冷水的温度进行计算。确定系统最大耗热量负荷时冷水的计算温度以当地最冷月平均水温资料为依据。根据试验温室当地气候资料及特点（表1），基础水温选取13 ℃。

1.2 太阳辐射量的计算

依据国家建筑标准设计图集06SS128 《太阳能集中热水系统选用与安装》中附录一：《主要城市各月设计用气象参数》，选用地理位置116°28′ E，39°48′ N的北京市年辐照量资料，见表2。

北京市冬季采暖期（11月至翌年3月）太阳能集热器倾斜面上的日均辐照量为15.26 MJ/m2，以确定试验温室地区的太阳能辐射量。

2 低温相变蓄熱装置的设计

2.1 与太阳能联用的低温相变蓄热装置设计原理

该研究设计的与太阳能联用的低温相变蓄热系统主要由太阳能集热系统—相变蓄热系统—传热供暖系统组成[2-3]。由图1可知，太阳能内聚光集热器吸收太阳能量，加热集热器内的空气，在集热器温度高于蓄能水箱温度时（初步设定值为10 ℃），启动风机，将集热器内的热量，输送到蓄能水箱中。当蓄能水箱中的温度高于采暖回水温度（10 ℃）时，采暖换热循环泵启动。

整套集热系统包括太阳能空气集热器、相变蓄能水箱、换热循环泵、控制柜、鼓风机等结构。其中太阳能集热系统作为整个系统的热源，主要由全玻璃真空管集热器、阀门、水泵、管路、板式换热器等构成；相变蓄热系统作为下游供暖末端的供给源，主要由相变蓄热装置、板式换热器、水泵、管路等构成；传热供暖系统则主要由风机排管和风管等组成。

2.2 太阳能集热系统

配合试验温室供暖面积，根据系统所需热面积进行计算：

根据计算，需要的太阳能集热器总面积为18.02 m2，选用 20支2.10 m的集热器单台面积为3.62 m2，需要安装5台，根据实际情况，最终安装5台集热器板，太阳能总面积为18.10 m2。

根据计算（表3），每天在标准辐照量的情况下，热量满足设计要求。

该研究所设计的太阳能集热器是以全玻璃真空管为核心集热元件，其内部以空气作为介质。该集热器具有启动快、无防冻、不易炸管、系统要求低等特点（图2）。

由于空气热容很小，相对于液体更容易被加热，启动速度比较快。该集热系统中无液体存在，所以无防冻要求。因为真空管不会受到强烈的冷热冲击，所以此种真空管相对安全，一般不会炸管。同时，此种真空管维护要求低，稍有泄漏时不会影响系统正常运行。

2.3 相变蓄热系统

蓄热介质相变材料的选择需要根据其化学物理性质、经济等方面进行综合考虑。选用的相变材料必须满足一些条件，包括合适的相变温度、较大的潜热[4]；其次在相变过程中不应发生熔析现象，以免导致蓄热介质化学成分的变化[5]；另外，必须在恒定的温度下熔融及固化，即必须可逆相变，不发生过冷现象；最后，相变材料不能发生渗漏，且性能稳定，和容器不发生化学反应；还应安全、无毒、不易燃，具有较大密度。

目前研究较多的低温相变物质主要有石蜡、脂肪酸以及无机水合盐等，其研究成果为相变储能技术的开发应用提供了理论及技术支撑[6]。表4中列举了多种常见的低温相变材料。

该项目所选用的低温相变材料为无机盐水合物，相变温度为57～59 ℃，密度1 290 kg/m3，有效工作温度范围在55～60 ℃，外观为灰白色。此相变材料熔融性均一且不易燃烧，潜热值可达250 kJ/kg。使用的蓄能罐是专为太阳能研发的新品（图3），蓄能罐内部为三腔结构，外腔：优质聚氨酯发泡保温，加厚保温墙，防止热量流失，外壳为镀锌板喷塑；中间腔：又叫做热气循环腔，其内部循环的是太阳能加热的空气，热空气经热气腔将热量传递至贮热腔内的热水，内置高效换热装置；内腔：内腔为蓄能材料和水，水被热气腔或者谷电加热成热水，并存储起来。

采用相变蓄能技术，夜间蓄能，供全天采暖和热水使用。通过蓄能材料的固-液转换技术，将能量存储，单位体积的存储量大于510 kJ/L（是相同体积水蓄能量的3～7倍），所有蓄能材料具有高蓄能密度、高耐热性、高传热性、低膨胀性、无腐蚀性、无毒无害环保等特点。

3 展望

在过去的100多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消耗的增加是经济社会发展的必然趋势[7]。我国作为世界上第二大的能源生产国和消费国，虽然能源资源总量丰富，但人均占有量低，煤炭和水资源人均占有量不到世界平均水平的1/2，石油、天然气人均占有量仅为世界平均水平的1/15左右[8]。此外，我国能源资源分布不平均，煤炭资源主要分布在西北、华北地区，水力资源以西南地区为主，石油、天然气主要集中在东部、中部、西部的沿海区域。大规模、长距离的北煤南送、北油南运、西气东输、西电东送的现象，是我国能源流向的显著特征，因为我国主要的能源消费地区主要集中在东南沿海发达区，这就构成了能源运输的基本格局[9]。

鉴于以上背景，采取相关措施改变目前的这种能源利用形式，寻求一种清洁、可再生的替代能源已刻不容缓，而太阳能正是可再生的清洁能源，因此受到人们的广泛关注。在我国，建筑能耗在社会总能耗中占有较大的比重，已达到25%以上，随着经济的发展，建筑能耗所占比重也在逐年增加[10]。因此，在建筑中利用太阳能代替常规能源进行供暖，不仅能减少常规能源的消耗，对优化我国能源结构也具有重要意义。

目前，国内外对太阳能相变蓄能领域的研究主要集中在3个方面：①相变蓄能材料，目前的研究主要集中于研究和开发相变潜热大、热性能稳定，无毒无害，实用性强的相变储能材料。②相变蓄热装置，主要围绕相变单元形式、蓄放热特性等方面进行研究。③相变蓄能装置的强化传热，目前的研究主要集中于在相变装置中添加翅片、助条等强化传热的装置或在相变材料中添加金属粉末、多孔介质、石墨粉、膨胀石墨等[10]。

该研究针对北方冬季寒冷的自然条件，将相变蓄热型太阳能供暖系统应用到温室中进行研究，在北京地区搭建试验平台，完成相变蓄热型太阳能供暖系统运行性能、系统性等方面的测试，兼备经济性、先进性以及实用性于一身，具有非常好的应用前景。

参考文献

[1] 袁小永.用于太阳能热水系统的无机水合盐相变蓄热装置研究[D].广州：广东工业大学，2015.

[2] 张飞飞.太阳能潜热蓄热装置参数优化及热泵系统TRNSYS模拟[D].太原：太原理工大学，2013.

[3] 李志永，陈超，张叶，等.太阳能-相变蓄热-新风供暖系统仿真优化设计研究[J].太阳能学报，2012，33（5）：852-859.

[4] 李栋，孙国梁，况慧芸，等.相变储能材料的研究进展及其在建筑领域的应用[J].佛山陶瓷，2008，18（4）：37-40.

[5] 刘倩妮，陈宁.与建筑一体化石蜡类相变材料研究与应用[J].能源研究与信息，2008，24（2）：91-96.

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[7] 李洪欣，宁永胜.我国的能源形势与和平发展战略[J].改革与战略，2009，25（7）：43-46.

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[9] 康旭博.中国能源贸易安全问题及对策研究[J].北方经贸，2014（11）：19-20.

[10] 刘程.太阳能-相变水箱蓄热系统的运行特性研究[D].成都：西南交通大学，2014.