蓄能型太陽能熱泵系統的研究進展
太陽能熱泵一般是指利用太陽能作為蒸發器熱源的熱泵系統,可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統性能。為了彌補太陽能的不穩定性和間斷性,在太陽能熱泵系統的基礎上增加一個蓄能環節,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者Jodan和Therkeld就指出了太陽能熱泵的優越性。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,取得了一定的經濟效益和良好的社會效益。
Badescu對與太陽能熱泵系統相結合的蓄熱器建立了模型。結果發現,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,研究了氣候條件和某些運行參數對系統運行的影響。結果顯示,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值間浮動。Kaygusuz研究了與相變蓄熱膠囊結合的住宅太陽能供熱系統的性能,建立了實驗臺,對兩個系統在從11月份到5月份整個采暖期內進行了實驗,結果顯示并聯系統要比串聯系統節能。Yumrutas等研究了帶季節性地下蓄能的太陽能熱泵系統的全年運行工況,并在分析解的基礎上采用數值計算的方法得到了蓄能罐中全年水溫分布狀況,結果表明:土壤類型和系統尺寸對系統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。曠玉輝等對太陽能輔助直膨式熱泵系統進行了研究,并對其各個運行模式進行了詳細的探討。結果顯示:該系統可以在不同氣候條件下長期運行,全年運行費用相對較。于國清等根據我國的氣候特點,提出了一種季節蓄熱型太陽能熱泵系統,以北京某小區作為研究對象確定了系統的設備容量,并對系統進行模擬。姜益強等以CaCl2·6H2O作為相變蓄熱材料,以哈爾濱地區應用該系統的某別墅為例,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進行了研究,詳細闡述了系統的主要運行模式,并對該系統在嚴寒地區進行實驗研究。由以上分析可以看出,太陽能熱泵系統中增加蓄熱裝置可以改善系統的性能,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,增加系統經濟性能,熱泵機組可在夏季夜間利用蓄熱裝置進行蓄冷運行,以備白天空調之用。太陽能蓄熱熱泵系統,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,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產生固- 液相變,并將大多數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、穩定性差、傳熱系數小和價格高等問題。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的穩定性,發現含水量略高于理想配比會使鹽的穩定性有很大提高 。1992年, Ryu等對一些核劑和增稠劑進行了研究,結果發現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定性,蓄熱循環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構的肋片管 。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均勻固態物質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定形相變儲能材料,提高了蓄熱材料的穩定性 。
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