太阳能相变蓄热+电锅炉供暖系统研究现状及发展前景

朱 林，李 妍，韦新东，丑雪松，张逸超

（1.吉林建筑科技学院 吉林长春 130114；2.吉林建筑大学 吉林长春 130118）

0 引 言

能源是人类生存发展必不可少的物质基础，是经济繁荣发展的驱动力，在大规模利用能源的同时必不可少地会带来碳污染排放量增长。在不久的将来，建筑能耗将超过交通能耗、工业能耗成为我国三大能源消耗的“耗能大户”［1］。寻求可再生清洁能源代替传统的化石能源供暖是现代建筑行业发展的必然趋势，而太阳能作为开发利用较早的清洁可再生能源［2］，不仅能量取之不尽、用之不竭，而且无需开采及运输，既不会污染环境，也不会破坏生态平衡。因此，以太阳能为冬季供暖热源对改变我国能源结构、建筑领域节能降碳具有重要意义。

1 太阳能供暖系统中相变集热器的研究

太阳能集热器是一种将零散的太阳光收集、聚拢起来并转换为热能的集热装置，是太阳能热利用系统的关键核心部分。因此，提高太阳能集热器储热效率及太阳能有效利用率引起了学者的广泛关注。

以真空管集热器为例，真空管太阳能集热器与相变材料结合有2种方式：一种是将相变材料集成于热管内部，一种是将热管浸泡在相变材料中。华维三等［3］设计了一种新型无水箱式太阳能复合相变储能集热器，通过将复合三水醋酸钠封装在相变蓄热球里并填充于太阳能真空集热管中，形成了集热、储热、释热及无水箱的一体化结构，通过蓄、放热对比实验可得，与纯水集热器相比，相变蓄热式集热器蓄热量增加了43.8%，放热量多出1.98 MJ，且单位小时温降相对较低。Alexios Papadimitratos等［4］提出一种将相变材料集成于太阳能真空管集热器的新方法，即将热管浸泡在相变材料内，其在大型商用太阳能热水器中的应用表明，该太阳能热水器正常运行效率比普通无相变材料的太阳能热水器高26%，停滞工况下效率提高66%，证明该技术应用于太阳能热水器真空管集热器具有可行性。

浆料（MPCM）作为具有高热容量、可实现更高的传热效率的相变材料，在传热速率相同的情况下所需的质量流量小，其常常作为太阳能集热器的传热介质［5］。Serale G等［6］将以浆态PCM为带热体的太阳能集热器与以水为带热体的太阳能集热器进行数值模拟对比研究，结果表明，采用浆态PCM作为载热液可以使系统的换热量提高20%～40%。Fei Ma等［7］将相变浆料（PCS）作为载热流体和储热介质填充于直接吸收式太阳能集热器（DASC）中，他们的研究表明，与水或油等纯导热液相比，PCS的传热性能更好。相比基于PCS的传统间接吸收太阳能集热器（IASC）和无相变材料的DASC，基于PCS的DASC能提高光热转换效率。

从现有的文献来看，国内太阳能供暖系统中高效相变蓄热集热器的研究主要集中在相变集热器结构优化设计、可行性分析、相变材料的选择等问题上，体现在开发新型高效相变蓄热式集热器和太阳能集热器面积、最佳安装倾角、最佳安装方位的优化研究等方面。

2 太阳能供暖系统中相变蓄热装置研究

近年来，对太阳能供暖系统中蓄热部分的研究多集中于蓄热装置的蓄放热性能，即如何增加相变蓄热装置的蓄热量、提高蓄放热效率等。相变蓄热装置蓄热性能的主要强化手段有改变蓄热装置的结构和提高相变材料热导率，此外，还可采用添加不同形状的肋片（如翅片）、采用相变微胶囊、改变热流密度、添加多相变材料等方法。孟娟等［8］研究发现：肋片的高度、厚度、数量、长度、微胶囊材料孔隙率、厚度和直径等因素对蓄热装置热性能都有一定的影响；改变换热流体的入口温度对相变蓄热装置的换热特性较改变换热流体的质量流量对相变蓄热装置的换热影响较大；添加多相变材料时需注意排列顺序。

2.1 改变蓄热装置结构

李建强等［9］通过增加壳管式蓄热单元传热面积来增强传热，但随着时间的推移，其换热量减小，为解决无效面积问题，设计了一种可更换多级相变板储热装置，以实现更稳定、更舒适的供暖温度。宗弘盛等［10］为提高蓄热装置热效率，提出了套管式梯级相变蓄热装置，在内外管之间按照传热流体流入方向依次布置3种蓄热材料，通过建立蓄、放热过程数学模型，比较单极与梯级蓄热装置在相同工况下的热性能。结果表明，梯级相变蓄热装置的蓄热量、有效能利用率更高，蓄、放热时间所需时间更短，此种方法可有效提高蓄热装置传热性能，但对于蓄热装置内传热流体温度变化范围比较小的场合，没有必要使用温度不同的相变材料了。胡志培等［11］通过引入椭圆因素对水平壳管式相变蓄热装置进行结构优化，研究结果表明，与常规圆形壳管蓄热装置相比，具有椭圆元素的壳管蓄热装置蓄热时间更短。方桂花等［12］对蓄热装置内恒定螺距的螺旋管进行了结构改进，提出了渐变螺距螺旋管蓄热装置，并研究了螺旋管内传热流体在5种不同迪恩数（De）和入口温度工况下PCM的放热性能。实验表明，在入口温度一定、De数增大的情况下，恒定螺距、渐变螺距蓄热装置都会缩短放热时间，但渐变螺距螺旋管蓄热装置放热效率更胜一筹。

2.2 改变相变材料

目前增强相变材料导热系数和稳定性的技术已经非常成熟，较常用方法有添加高导热、相容性好的材料（如添加纳米颗粒、碳基材料）、利用多孔结构吸附（如金属泡沫、膨胀石墨材料）、微胶囊封装法、添加成核剂法等。

综上，对太阳能供暖系统中相变蓄热部分的研究主要集中在增强蓄热装置的蓄放热性能上，体现为变换相变蓄热装置结构和选择高热导率的蓄热材料，通过对蓄热装置、相变材料导热性能进行结构优化，增加了相变蓄热装置的蓄热量，提高了蓄放热速率。

3 太阳能供暖系统中辅助热源（电锅炉）的研究

3.1 辅助热源

太阳能供暖系统中常见的辅助热源（煤炭、石油、天然气）有锅炉、电锅炉、热泵（空气源、水源、土壤源）、生物质能和城市热力管网等。燃煤、燃油锅炉作为我国传统的供暖模式，发展时间长，技术已经非常成熟，但其燃烧后产生的烟气污染严重。天然气锅炉虽然产生的污染气体相对较少，但运行费用高达燃煤锅炉的4倍［13］。生物质锅炉供暖方式热效率高于传统锅炉，具有节能、环保等优点，但其利用受地域、政策限制，体积较大，且存在燃烧不充分有残渣等问题，还需进一步解决。

3.2 电锅炉的应用

电锅炉是以电能为加热源，将电能转化为热能，通过锅炉的换热部位（电阻发热或电磁感应发热）将热媒加热到一定温度，并向外输送蒸汽、高温水或有机载热体的设备。电锅炉与普通的传统锅炉不同，没有炉膛、烟道和烟囱,也不用储存燃料，即初投资较低，运行成本视电锅炉的电力来源而定，可以为市电、光伏电等。王刚［14］搭建了电磁能耦合相变蓄热水箱辅助太阳能供暖系统，基于transys模拟仿真平台建立模型，通过正交试验将系统仿真部件的主要参数进行组合，以太阳能集热器面积、水箱体积和电磁能加热功率为优化参数，并以费用年值为优化目标，对满足室内供暖负荷的方案进行对比分析，选出费用年值最小的系统参数配置方案。优化结果显示，相比于优化前，集热器面积减少了37.5%，水箱体积减少了33.33%，初投资可减少24.36%。相比于单独的电磁能供暖方式，太阳能耦合相变储能供暖方式在系统最优配置下整个供暖季可节约电能2 344 kW·h。张威等［15］采用槽式聚光集热器，电锅炉作为辅助热源，通过软件模拟太阳能供热系统，供暖期辅助热源电锅炉总补热量为总耗热量的8%左右，实际太阳能保证率可达92%左右，总体运行费用较低，证明该太阳能供热方案合理可行。

以电锅炉作为太阳能供暖系统中较常见的辅助热源和复合热源的研究很多，主要集中于不同供暖模式下节能性、经济性对比研究和系统优化等。

4 未来发展前景

4.1 技术方面

当前加强太阳能供暖系统中太阳能集热器的换热技术手段已达到一定水平，主要是将相变材料集成于太阳能集热器内部和改变太阳能集热器结构，为进一步优化集热器的热性能，可以从太阳能集热器材料和流体工质等角度出发，也可以将2种及以上强化方法结合使用来提升太阳能集热器性能和效率。因为太阳能集热器除了集热效率低外，有些还存在高温过热、低温冻裂、工质泄露等问题，需要进一步深入研究。

相变蓄热装置的传热强化一般是通过增大换热面积和提高相变材料传热系数实现的，单一的强化手段现已基本成熟，将至少2种强化技术结合的复合强化技术是蓄热系统强化传热的未来发展方向。

目前对相变蓄热式太阳能供暖系统的研究主要集中于系统某一部分的研究，未来应着重于研究相变蓄热技术如何与太阳能供暖系统更好的耦合，以最大限度地发挥系统的有效能源利用率。

4.2 经济效益方面

太阳能相变储能+电锅炉供暖系统的经济性主要体现在系统的初投资和运行费用上。电锅炉初投资较低，运行费用取决于电力来源。虽然太阳能与电锅炉联合供暖初始投资较高，但在有效使用年限内，太阳能与电锅炉联合运行供暖系统的经济性比单独电锅炉供暖系统运行的经济性好。之后需要考虑的是电锅炉的电能来源，可以充分利用清洁可再生能源发电，如风力发电、水力发电、光伏电等，从而降低系统的运行成本；对于相变蓄热的供热系统来说，还需考虑相变材料市场工程造价问题。

4.3 节能环境效益方面

供暖系统节能效益是由系统运行过程中的总耗电量决定的，太阳能相变蓄热+电锅炉供暖系统在供暖期耗电量小于电锅炉单独运行的供暖模式，节能效益显著。环境效益主要体现在系统减少化石能源的消耗上，即减排各种污染物总量。太阳能耦合相变蓄热+电锅炉供暖系统以可再生清洁能源为热源，系统电力来源可由清洁能源发电满足，运行过程中不排放任何污染物，较常规的燃煤（油）锅炉等方式在减少环境污染、开发利用清洁可再生能源方面具有高效节能、绿色环保的优势，有明显的环境效益。

鉴于我国太阳能资源总量丰富，开发太阳能供暖工程具有成熟的技术支撑、优越的经济效益和环境效益，积极推广太阳能与多能源互补供暖系统工程具有可靠性和实际推广应用的价值，符合我国建筑领域的绿色低碳发展方向。