蓄能型太陽能熱泵系統(tǒng)的研究進展
太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng),可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。為了彌補太陽能的不穩(wěn)定性和間斷性,在太陽能熱泵系統(tǒng)的基礎上增加一個蓄能環(huán)節(jié),把太陽能集熱器在晴朗白天吸收的部分太陽輻射能儲存起來,以備夜間或陰雨天使用。各國學者對其進行了大量的研究工作。
20世紀50年代初,太陽能熱利用的先驅(qū)者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優(yōu)越性。近年來,土耳其等國家也對太陽能熱泵進行了大量的研究,在各地實施了多項太陽能蓄能熱泵示范工程,取得了一定的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。
Badescu對與太陽能熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的蓄熱器建立了模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當增大蓄熱器尺寸時,熱泵COP和火用效率均下降,而每月的蓄熱量和每月壓縮機所需供能量增加。Yumrutas和Koska設計制作了一個帶蓄能罐的太陽能熱泵供熱實驗系統(tǒng),研究了氣候條件和某些運行參數(shù)對系統(tǒng)運行的影響。結(jié)果顯示,熱泵的COP在陰天較低的蓄熱溫度下約為2.5,在晴天較高蓄熱溫度下為3.5,其他時間在這兩個數(shù)值間浮動。Kaygusuz研究了與相變蓄熱膠囊結(jié)合的住宅太陽能供熱系統(tǒng)的性能,建立了實驗臺,對兩個系統(tǒng)在從11月份到5月份整個采暖期內(nèi)進行了實驗,結(jié)果顯示并聯(lián)系統(tǒng)要比串聯(lián)系統(tǒng)節(jié)能。Yumrutas等研究了帶季節(jié)性地下蓄能的太陽能熱泵系統(tǒng)的全年運行工況,并在分析解的基礎上采用數(shù)值計算的方法得到了蓄能罐中全年水溫分布狀況,結(jié)果表明:土壤類型和系統(tǒng)尺寸對系統(tǒng)運行性能有著顯著影響 。
我國對太陽能熱泵的研究起步較晚,有關太陽能熱泵蓄能技術的文獻和報道均在十幾年內(nèi)。曠玉輝等對太陽能輔助直膨式熱泵系統(tǒng)進行了研究,并對其各個運行模式進行了詳細的探討。結(jié)果顯示:該系統(tǒng)可以在不同氣候條件下長期運行,全年運行費用相對較。于國清等根據(jù)我國的氣候特點,提出了一種季節(jié)蓄熱型太陽能熱泵系統(tǒng),以北京某小區(qū)作為研究對象確定了系統(tǒng)的設備容量,并對系統(tǒng)進行模擬。姜益強等以CaCl2·6H2O作為相變蓄熱材料,以哈爾濱地區(qū)應用該系統(tǒng)的某別墅為例,對不同太陽能集熱器面積和蓄熱體積下的集熱量、蓄熱裝置換熱流體進出口溫度、相變材料平均溫度及蓄熱裝置散熱損失進行了模擬與分析。
韓宗偉等對太陽能- 土壤源熱泵相變蓄熱供暖實驗系統(tǒng)進行了研究,詳細闡述了系統(tǒng)的主要運行模式,并對該系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)進行實驗研究。由以上分析可以看出,太陽能熱泵系統(tǒng)中增加蓄熱裝置可以改善系統(tǒng)的性能,提高能效比,減少太陽能集熱器面積,緩和太陽能供熱與用戶所需負荷間的差異,提高供熱的可靠性。為了提高設備利用率,增加系統(tǒng)經(jīng)濟性能,熱泵機組可在夏季夜間利用蓄熱裝置進行蓄冷運行,以備白天空調(diào)之用。太陽能蓄熱熱泵系統(tǒng),按蓄熱時間的長短,可分為短期、中期和長期蓄熱。按蓄熱方式,又可分為顯熱蓄熱和相變潛熱蓄熱。顯熱蓄熱原理簡單,技術成熟,但有蓄能密度低和溫度波動幅度大等缺點;而利用相變潛熱蓄熱,則具有蓄能密度高、所需材料的體積和重量較小,且在蓄熱和取熱的過程中溫度波動幅度小的特點,是當前研究的熱點。任何一個潛熱蓄熱系統(tǒng),至少包括以下兩個基本組成部分:
(1)蓄熱材料,在要求的工作溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生固- 液相變,并將大多數(shù)熱量以融化潛熱方式存儲;
(2)盛裝相變蓄熱材料的容器。
潛熱蓄熱是利用物質(zhì)在相變過程中,要吸收或放出相變潛熱的原理蓄熱。潛熱蓄熱的優(yōu)點是蓄熱體積小,蓄熱釋熱過程溫度波動小。但是,相變蓄熱自身也存在過冷、相間隔離、穩(wěn)定性差、傳熱系數(shù)小和價格高等問題。針對這些問題各國的研究者們相繼提出了不同的解決辦法。
20世紀80年代末, Fouda等對晶體鹽的過冷和相間隔離的問題進行了研究。1984年,Kimura等使用NaCl來提高CaCl2·6H2O的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)含水量略高于理想配比會使鹽的穩(wěn)定性有很大提高 。1992年, Ryu等對一些核劑和增稠劑進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用合適的成核劑和增稠劑, 能使晶體鹽的過冷度顯著下降。1995年, Gibbs等通過研究證實石蠟具有良好的穩(wěn)定性,蓄熱循環(huán)和與金屬接觸都不會降低其傳熱性能。1998年, Costa等提出了在蓄熱裝置中使用不同結(jié)構(gòu)的肋片管 。2000 年,Bauer提出用薄鋁盤來盛裝相變材料。2001年, Pyet等提出將相變材料封裝在石墨中,以增加其傳熱性能。
國內(nèi)的學者針對這些問題也做了許多研究。1983年,阮德水等人對典型的無機水合鹽Na2 SO4·10H2O和NaCH3 COO ·3H2O 的成核作用進行了系統(tǒng)研究,較好地解決了無機水合鹽的過冷問題。1985年,胡起柱等人用DSC法測定了新制備的Na2 SO4 ·10H2O-NaCl均勻固態(tài)物質(zhì)的初始熔化熱及上述樣品在15 ±0. 1℃長時間保溫后的熔化熱,并從相平衡和結(jié)晶機理討論了初始熔化熱值較低的原因。1990年,孫鑫泉等人對Na2 SO4 ·10H2O的潛熱蓄熱及對熔化熱的測定技術、計算公式進行了研究 。20世紀90年代中期,研究重點轉(zhuǎn)向有機蓄熱材料。2001年,肖敏等以苯乙烯- 丁二烯- 苯乙烯(SBS)為支撐材料,制備了定形相變材料, 并研究了材料的熱物性 。2004年,張東等人以多孔介質(zhì)顆粒為骨架材料,采用真空浸滲法制得了相變儲能復合材料 ;陳云深、張寅平等人研制了交聯(lián)定形相變儲能材料,提高了蓄熱材料的穩(wěn)定性 。
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