蓄能型太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的研究進(jìn)展
太陽(yáng)能熱泵一般是指利用太陽(yáng)能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng),可同時(shí)提高太陽(yáng)能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。為了彌補(bǔ)太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和間斷性,在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)蓄能環(huán)節(jié),把太陽(yáng)能集熱器在晴朗白天吸收的部分太陽(yáng)輻射能儲(chǔ)存起來(lái),以備夜間或陰雨天使用。各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作。
20世紀(jì)50年代初,太陽(yáng)能熱利用的先驅(qū)者Jodan和Therkeld就指出了太陽(yáng)能熱泵的優(yōu)越性。近年來(lái),土耳其等國(guó)家也對(duì)太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行了大量的研究,在各地實(shí)施了多項(xiàng)太陽(yáng)能蓄能熱泵示范工程,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。
Badescu對(duì)與太陽(yáng)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(dāng)增大蓄熱器尺寸時(shí),熱泵COP和火用效率均下降,而每月的蓄熱量和每月壓縮機(jī)所需供能量增加。Yumrutas和Koska設(shè)計(jì)制作了一個(gè)帶蓄能罐的太陽(yáng)能熱泵供熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了氣候條件和某些運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)間在這兩個(gè)數(shù)值間浮動(dòng)。Kaygusuz研究了與相變蓄熱膠囊結(jié)合的住宅太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的性能,建立了實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)在從11月份到5月份整個(gè)采暖期內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),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(yáng)能熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行工況,并在分析解的基礎(chǔ)上采用數(shù)值計(jì)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能有著顯著影響 。
我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱泵的研究起步較晚,有關(guān)太陽(yáng)能熱泵蓄能技術(shù)的文獻(xiàn)和報(bào)道均在十幾年內(nèi)。曠玉輝等對(duì)太陽(yáng)能輔助直膨式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并對(duì)其各個(gè)運(yùn)行模式進(jìn)行了詳細(xì)的探討。結(jié)果顯示:該系統(tǒng)可以在不同氣候條件下長(zhǎng)期運(yùn)行,全年運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較。于國(guó)清等根據(jù)我國(guó)的氣候特點(diǎn),提出了一種季節(jié)蓄熱型太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng),以北京某小區(qū)作為研究對(duì)象確定了系統(tǒng)的設(shè)備容量,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。姜益強(qiáng)等以CaCl2·6H2O作為相變蓄熱材料,以哈爾濱地區(qū)應(yīng)用該系統(tǒng)的某別墅為例,對(duì)不同太陽(yáng)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(jìn)出口溫度、相變材料平均溫度及蓄熱裝置散熱損失進(jìn)行了模擬與分析。
韓宗偉等對(duì)太陽(yáng)能- 土壤源熱泵相變蓄熱供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式,并對(duì)該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。由以上分析可以看出,太陽(yáng)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(yáng)能集熱器面積,緩和太陽(yáng)能供熱與用戶所需負(fù)荷間的差異,提高供熱的可靠性。為了提高設(shè)備利用率,增加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能,熱泵機(jī)組可在夏季夜間利用蓄熱裝置進(jìn)行蓄冷運(yùn)行,以備白天空調(diào)之用。太陽(yáng)能蓄熱熱泵系統(tǒng),按蓄熱時(shí)間的長(zhǎng)短,可分為短期、中期和長(zhǎng)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(jiǎn)單,技術(shù)成熟,但有蓄能密度低和溫度波動(dòng)幅度大等缺點(diǎn);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(dòng)幅度小的特點(diǎn),是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。任何一個(gè)潛熱蓄熱系統(tǒng),至少包括以下兩個(gè)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(chǔ);
(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(diǎn)是蓄熱體積小,蓄熱釋熱過程溫度波動(dòng)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(jià)格高等問題。針對(duì)這些問題各國(guó)的研究者們相繼提出了不同的解決辦法。
20世紀(jì)80年代末, Fouda等對(duì)晶體鹽的過冷和相間隔離的問題進(jìn)行了研究。1984年,Kimura等使用NaCl來(lái)提高CaCl2·6H2O的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)含水量略高于理想配比會(huì)使鹽的穩(wěn)定性有很大提高 。1992年, Ryu等對(duì)一些核劑和增稠劑進(jìn)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(shí)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(huì)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(lái)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(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)這些問題也做了許多研究。1983年,阮德水等人對(duì)典型的無(wú)機(jī)水合鹽Na2 SO4·10H2O和NaCH3 COO ·3H2O 的成核作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究,較好地解決了無(wú)機(jī)水合鹽的過冷問題。1985年,胡起柱等人用DSC法測(cè)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(zhǎng)時(shí)間保溫后的熔化熱,并從相平衡和結(jié)晶機(jī)理討論了初始熔化熱值較低的原因。1990年,孫鑫泉等人對(duì)Na2 SO4 ·10H2O的潛熱蓄熱及對(duì)熔化熱的測(cè)定技術(shù)、計(jì)算公式進(jìn)行了研究 。20世紀(jì)90年代中期,研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向有機(jī)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(chǔ)能復(fù)合材料 ;陳云深、張寅平等人研制了交聯(lián)定形相變儲(chǔ)能材料,提高了蓄熱材料的穩(wěn)定性 。
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