一种新型相变蓄热水箱应用于太阳能组合系统的实验研究

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研究背景

近年来，为了提高太阳能的利用率，国内外学者对于太阳能的集热系统进行了多方面优化。华维三等使用复合三水醋酸钠制作相变球填充于太阳能真空管，对比有无相变填充对储热性能的影响，从而提出球型封装的材质与技术[1]任红霞等提出一种组合式高温相变蓄热器，发现采用组合式管径有利于缩短蓄热时间，提高蓄热性能。Weiguang Su 等人对应用于太阳能辅助热水储热系统中的新型胶囊式相变材料进行了实验研究，结果表明这种材料的应用对系统的能效有很大的提高。M．Mazman等分别以石蜡-硬脂酸、石蜡-棕榈酸和硬脂酸-肉豆蔻酸为蓄热材料，将其应用于家用太阳能热水系统的蓄/放热实验，实验结果表明，3种相变材料均可不同程度地增加水箱的蓄热量。

但目前的研究主要侧重于生活热水的利用，这对太阳能热利用方面仍有较大的局限性。本文提出一种新型相变蓄热式水箱应用于太阳能组合系统[5]，可同时提供采暖和生活热水，实现热能梯级利用，为太阳能组合系统的应用提供一种新思路。

创新点及解决的问题

本文提出一种新型相变蓄热水箱，水箱内部选取双盘管逆流换热形式，水在自然对流下会形成温度分层，为了加大温度分层同时提高相同容积下水箱的储热量，选取两种不同相变温度的相变材料，高相变温度在上低相变温度在下。相变蓄热水箱接管图如图1所示。集热系统走管侧，水流向为上进下出；采暖系统走管侧，水流向为下进上出；生活热水系统提取水箱内部水，水流向为下进上出。蓄热水箱箱体为304不锈钢材质，总高1.4m、直径0.6m，单个蓄热单元高0.2m、直径0.5m，通过支架固定其中心高度分别为0.5m、0.9m处，内部相变蓄热单元水平剖面图如图1。

图1 笼屉式相变蓄热水箱接管图

Fig. 1 cage-type phase change hot water tank take-up diagram

重点内容导读

添加相变材料的相变蓄热水箱与普通蓄热水箱进行实验对比，两水箱容量相同，两组实验室内外气象参数变化相似，实验初始温度相近。

图2 集热量变化趋势

Fig. 2 shows the trend of heat collection

图2表示A/B两组每小时集热器的集热量变化情况，图中明显看出集热系统开启期间B组的小时集热量远高于A组平均每小时集热量B组是A组的3.7 倍，说明相变材料的加入有利于蓄热水箱的蓄热，同等情况下，相变蓄热水箱可加大热媒进出口温差。且两组实验集热量出现峰值的时间均比辐照强度峰值时间晚1-2 h说明集热具有滞后性。

图3 水箱上部温度变化

Fig. 3 Temperature change in the upper part of the water tank

 图3为水箱上部温度变化，集热系统开启，水箱上部温度快速升温，由于B组第一天太阳辐照强度较高，经3 h加热后B组水箱上部温度高于A组。晚上17:00集热系统关闭，同时伴随大量的生活用水使用，导致水箱上部温度迅速下降。夜间水箱放热包括为采暖环路提供热能补充及水箱自身热损失。对比发现夜间A/B两组水箱上部每小时温降分别为0.44 ℃和0.22 ℃，室外温度及室内温度变化基本一致情况下，相同时间段内提供的采暖负荷相差不大，水箱自身保温性能不变，相同时间段内自身热损失也基本相同，由于B组添加相变石蜡，夜间没有热源向水箱内部提供热量时，相变石蜡发生再次发生相变，将内部存储的潜热能释放，从而减小内部温度的波动。

图4 太阳能保证率变化趋势

Fig. 4 Trends in solar guarantee rate

图5 EER变化趋势

Fig. 5 EER trends

对比A/B两组实验每天太阳能保证率及系统能效比，如图5和图6，发现A组第3天与B组第2天的系统能效比EER相等，均为2.00，而B组在平均太阳辐射强度低于A组的情况下可实现B组的太阳能保证率高于A组，说明相变材料有助于提高系统的太阳能保证率。对比A/B两组实验均值，在太阳能辐照强度相似的情况下，添加相变材料会使太阳能保证率提高72 %，使系统能效比EER提高26 %。

结论

（1）在太阳能组合系统中，同等情况下，使用相变蓄热水箱时集热系统的小时集热量远高于使用普通蓄热水箱。本实验台测试结果表明：使用相变蓄热水箱时集热系统的集热量为普通蓄热水箱的3.7 倍。

（2）添加相变材料可提高相同容积蓄热水箱的蓄热量，同时减小夜间蓄热水箱的顶部高温水温降。相同测试期间普通蓄热水箱上部高温水夜间平均温降为每小时下降0.44 ℃，相变蓄热水箱上部高温水夜间平均温降为每小时下降0.22 ℃，温降减少50 %。

（3）在太阳能组合系统中，相变蓄热水箱有利于提高太阳能保证率及系统能效比。在太阳能辐照强度相似的情况下，本实验台相变蓄热水相会使太阳能保证率平均提高72 %，使系统能效比平均EER提高26 %。

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