蓄能型太阳能热泵系统的研究进展
太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统,可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。为了弥补太阳能的不稳定性和间断性,在太阳能热泵系统的基础上增加一个蓄能环节,把太阳能集热器在晴朗白天吸收的部分太阳辐射能储存起来,以备夜间或阴雨天使用。各国学者对其进行了大量的研究工作。
20世纪50年代初,太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld就指出了太阳能热泵的优越性。近年来,土耳其等国家也对太阳能热泵进行了大量的研究,在各地实施了多项太阳能蓄能热泵示范工程,取得了一定的经济效益和良好的社会效益。
Badescu对与太阳能热泵系统相结合的蓄热器建立了模型。结果发现,当增大蓄热器尺寸时,热泵COP和火用效率均下降,而每月的蓄热量和每月压缩机所需供能量增加。Yumrutas和Koska设计制作了一个带蓄能罐的太阳能热泵供热实验系统,研究了气候条件和某些运行参数对系统运行的影响。结果显示,热泵的COP在阴天较低的蓄热温度下约为2.5,在晴天较高蓄热温度下为3.5,其他时间在这两个数值间浮动。Kaygusuz研究了与相变蓄热胶囊结合的住宅太阳能供热系统的性能,建立了实验台,对两个系统在从11月份到5月份整个采暖期内进行了实验,结果显示并联系统要比串联系统节能。Yumrutas等研究了带季节性地下蓄能的太阳能热泵系统的全年运行工况,并在分析解的基础上采用数值计算的方法得到了蓄能罐中全年水温分布状况,结果表明:土壤类型和系统尺寸对系统运行性能有着显著影响 。
我国对太阳能热泵的研究起步较晚,有关太阳能热泵蓄能技术的文献和报道均在十几年内。旷玉辉等对太阳能辅助直膨式热泵系统进行了研究,并对其各个运行模式进行了详细的探讨。结果显示:该系统可以在不同气候条件下长期运行,全年运行费用相对较。于国清等根据我国的气候特点,提出了一种季节蓄热型太阳能热泵系统,以北京某小区作为研究对象确定了系统的设备容量,并对系统进行模拟。姜益强等以CaCl2·6H2O作为相变蓄热材料,以哈尔滨地区应用该系统的某别墅为例,对不同太阳能集热器面积和蓄热体积下的集热量、蓄热装置换热流体进出口温度、相变材料平均温度及蓄热装置散热损失进行了模拟与分析。
韩宗伟等对太阳能- 土壤源热泵相变蓄热供暖实验系统进行了研究,详细阐述了系统的主要运行模式,并对该系统在严寒地区进行实验研究。由以上分析可以看出,太阳能热泵系统中增加蓄热装置可以改善系统的性能,提高能效比,减少太阳能集热器面积,缓和太阳能供热与用户所需负荷间的差异,提高供热的可靠性。为了提高设备利用率,增加系统经济性能,热泵机组可在夏季夜间利用蓄热装置进行蓄冷运行,以备白天空调之用。太阳能蓄热热泵系统,按蓄热时间的长短,可分为短期、中期和长期蓄热。按蓄热方式,又可分为显热蓄热和相变潜热蓄热。显热蓄热原理简单,技术成熟,但有蓄能密度低和温度波动幅度大等缺点;而利用相变潜热蓄热,则具有蓄能密度高、所需材料的体积和重量较小,且在蓄热和取热的过程中温度波动幅度小的特点,是当前研究的热点。任何一个潜热蓄热系统,至少包括以下两个基本组成部分:
(1)蓄热材料,在要求的工作温度范围内产生固- 液相变,并将大多数热量以融化潜热方式存储;
(2)盛装相变蓄热材料的容器。
潜热蓄热是利用物质在相变过程中,要吸收或放出相变潜热的原理蓄热。潜热蓄热的优点是蓄热体积小,蓄热释热过程温度波动小。但是,相变蓄热自身也存在过冷、相间隔离、稳定性差、传热系数小和价格高等问题。针对这些问题各国的研究者们相继提出了不同的解决办法。
20世纪80年代末, Fouda等对晶体盐的过冷和相间隔离的问题进行了研究。1984年,Kimura等使用NaCl来提高CaCl2·6H2O的稳定性,发现含水量略高于理想配比会使盐的稳定性有很大提高 。1992年, Ryu等对一些核剂和增稠剂进行了研究,结果发现使用合适的成核剂和增稠剂, 能使晶体盐的过冷度显著下降。1995年, Gibbs等通过研究证实石蜡具有良好的稳定性,蓄热循环和与金属接触都不会降低其传热性能。1998年, Costa等提出了在蓄热装置中使用不同结构的肋片管 。2000 年,Bauer提出用薄铝盘来盛装相变材料。2001年, Pyet等提出将相变材料封装在石墨中,以增加其传热性能。
国内的学者针对这些问题也做了许多研究。1983年,阮德水等人对典型的无机水合盐Na2 SO4·10H2O和NaCH3 COO ·3H2O 的成核作用进行了系统研究,较好地解决了无机水合盐的过冷问题。1985年,胡起柱等人用DSC法测定了新制备的Na2 SO4 ·10H2O-NaCl均匀固态物质的初始熔化热及上述样品在15 ±0. 1℃长时间保温后的熔化热,并从相平衡和结晶机理讨论了初始熔化热值较低的原因。1990年,孙鑫泉等人对Na2 SO4 ·10H2O的潜热蓄热及对熔化热的测定技术、计算公式进行了研究 。20世纪90年代中期,研究重点转向有机蓄热材料。2001年,肖敏等以苯乙烯- 丁二烯- 苯乙烯(SBS)为支撑材料,制备了定形相变材料, 并研究了材料的热物性 。2004年,张东等人以多孔介质颗粒为骨架材料,采用真空浸渗法制得了相变储能复合材料 ;陈云深、张寅平等人研制了交联定形相变储能材料,提高了蓄热材料的稳定性 。
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