趙海軍　戴劍鋒　付比　令潤(rùn)強(qiáng)

【摘要】設(shè)計(jì)了以封裝相變儲(chǔ)熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲(chǔ)熱池進(jìn)行儲(chǔ)熱，可進(jìn)行跨季節(jié)太陽能儲(chǔ)熱，或用于冬季供暖和供熱。分析了儲(chǔ)熱池的熱性能，并通過熱工計(jì)算給出了關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，核算表明太陽能附加項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)成本20.8萬元，替電靜態(tài)回收期為9.5年。

【關(guān)鍵詞】相變材料；儲(chǔ)熱池；過冷度

引言

傳統(tǒng)儲(chǔ)熱方式有微膠囊相變儲(chǔ)熱技術(shù)[1]、相變材料直接與建筑材料復(fù)合等方式[2]，其優(yōu)點(diǎn)是微膠囊顆粒微小、粒徑均勻且壁薄（0.2～10μm），可增大相變材料的比表面積，加快相變材料的熱傳遞，易與各種高分子材料混合構(gòu)成性能更加優(yōu)越的復(fù)合高分子相變材料。減少了相變材料與外界環(huán)境的反應(yīng)，提高了相變材料的穩(wěn)定性。但其不足之處是一經(jīng)使用無法靈活更換，且直接與建筑材料相復(fù)合的相變材料容易失去結(jié)晶水而無法繼續(xù)發(fā)生相變，導(dǎo)致循環(huán)次數(shù)降低，在大規(guī)模應(yīng)用上還是有一定的限制，包封性差等。將塑封相變儲(chǔ)熱材料管復(fù)合于墻體和地板中效果隨好，但儲(chǔ)熱量有限，不能完全滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本文設(shè)計(jì)了以封裝相變儲(chǔ)熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲(chǔ)熱池進(jìn)行儲(chǔ)熱，循環(huán)使用后材料的熱學(xué)性能穩(wěn)定，而且利用水的高對(duì)流系數(shù)，大大提高了充放熱效率，也解決了泄露和腐蝕污染等問題。

1、相變儲(chǔ)熱池設(shè)計(jì)

1.1儲(chǔ)熱單元結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)熱單元（結(jié)構(gòu)如圖1所示）由箱式單體上支撐座1、下支撐座2、箱式單體支撐架3和封裝儲(chǔ)熱材料的塑封管4構(gòu)成，將聚乙烯管排布于50×50cm2的底座上，用上下兩個(gè)多孔支撐板將其鑲嵌固定其間。該塑封管的高密度排列提高了可存儲(chǔ)的相變材料的有效體積，單位化的細(xì)管與箱式單體可更具需求靈活堆砌，可同時(shí)封裝不同相變溫度的儲(chǔ)熱材料。

儲(chǔ)熱單元儲(chǔ)熱時(shí)，塑封管中封裝相變材料，將儲(chǔ)熱單元浸入水中，通過太陽能集熱器加熱儲(chǔ)熱單元中的水，并與塑封管中的相變材料發(fā)生熱交換，使材料發(fā)生固-液相變，存儲(chǔ)太陽能。放熱時(shí)，相變材料又發(fā)生液-固相變，放出能量，通過傳熱把熱量交換給水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行供熱。

儲(chǔ)熱單元中塑封管采用錯(cuò)位密排結(jié)構(gòu)，其內(nèi)放置長(zhǎng)50cm、外徑3cm、壁厚1mm的塑封管，管間距4mm，可排布188根。儲(chǔ)熱單元的有效容積率為46.3%。

1.2儲(chǔ)熱池結(jié)構(gòu)

考慮到施工工藝簡(jiǎn)單和密封性能良好，設(shè)計(jì)圓柱形儲(chǔ)熱池，池內(nèi)放置儲(chǔ)熱單元128個(gè)排列兩層，每層64個(gè)單元按8行8列放置（見圖2）。為了儲(chǔ)熱單元的頂角不與儲(chǔ)熱池邊緣摩擦，則儲(chǔ)熱池半徑至少為3.0m。兩層儲(chǔ)熱單元堆積，考慮封頂需要一定空間，將池高設(shè)為1.2m。儲(chǔ)熱池儲(chǔ)熱材料的有效容積為7.3m3.

儲(chǔ)熱池體的建造以水泥墻為池內(nèi)壁，夾層保溫墻為池外壁，水泥鋪設(shè)地基，在其上用水泥柱支撐起水泥板和水泥墻構(gòu)成的蓄熱池內(nèi)腔，內(nèi)壁與外壁間形成空氣隔熱層。保溫層選取聚氨酯，施工方便，綜合造價(jià)低，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐沖擊性；使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)30-50年。

2、儲(chǔ)熱性能分析

為了提高充放熱效率，保證冬季供暖出水溫度不低于65℃（其他用途可根據(jù)需求溫度設(shè)計(jì)相變材料），儲(chǔ)熱池內(nèi)封裝的材料相變溫度應(yīng)在80-100℃，針對(duì)這一溫度范圍的一些材料，根據(jù)其熱物性和市場(chǎng)調(diào)研比較[3]，采用KAl（SO4）2·12H2O較經(jīng)濟(jì)。

KAl（SO4）2·12H2O的相 變 溫度85.8℃，密度1750kg/m3，相變潛熱為232kJ/kg。在聚乙烯管中封裝一定量的KAl（SO4）2·12H2O，將鉑電阻溫度傳感器插入管中并用橡膠塞密封，然后放入數(shù)顯恒溫水浴鍋，分別加入不同成份及組分的成核劑恒溫一段時(shí)間后從恒溫水浴鍋中取出，放在支架上自然冷卻。同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集儀每10s記錄一次冷卻溫度，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)用Origin8繪出步冷曲線，選出最好的實(shí)驗(yàn)配比[4]。

在分別添加硼砂Na2B4O7·10H2O、Na2SiO3·9H2O作為成核劑時(shí)，進(jìn)行加熱-冷卻實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的溶解-凝固曲線如圖3（a-b）所示。實(shí)驗(yàn)表明，加入不同的單一成核劑使KAl（SO4）2·12H2O的過冷度有所降低，但均不理想。成核劑太少時(shí)（如添加3wt %CH3COONa·3H2O），晶核的數(shù)量太少而不能完全抑制過冷；成核劑太多時(shí)（如分別添加5wt %、10 wt % Na2SiO3·9H2O），析出成核劑的粒子太多，粒子碰撞的幾率增大，容易形成更大的核，表面自由能增大，不利于抑制過冷。

加入兩種或兩種以上的成核劑，進(jìn)行加熱-冷卻實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的溶解-凝固曲線如圖5（c-d）所示。實(shí)驗(yàn)表明，添加多種成核劑后，儲(chǔ)熱材料的過冷度有了明顯的降低。添加3wt% Na2HPO4·12H2O +3wt%CH3COONa·3H2O抑制過冷效果較好，過冷度0.8℃；加入3wt%Na2HPO4·12H2O+2wt%Na2B4O7·10H2O+5wt%Na2SiO3·9H2O的效果最好，過冷度為0.667℃，并且Na2HPO4·12H2O，Na2B4O7·10H2O和Na2SiO3·9H2O都是儲(chǔ)能密度很大的儲(chǔ)熱材料。說明添加幾種成核劑影響成核的因素很多，有晶粒大小的不同、晶體結(jié)構(gòu)的不同、表面自由能大小的不同、酸堿性的不同、研磨的顆粒大小的不同、外部環(huán)境等因素的影響。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，管內(nèi)儲(chǔ)熱材料中添加成核劑3wt%Na2HPO4·12H2O+4wt%Na2B4O7·10H2O+3wt%Na2SiO3·9H2O，以達(dá)到最佳儲(chǔ)能效果。

3、結(jié)論

與傳統(tǒng)的相變材料儲(chǔ)能方式相比[5]，采用以封裝相變儲(chǔ)熱材料的聚乙烯管陣列為基本單元的儲(chǔ)熱池進(jìn)行儲(chǔ)熱，循環(huán)使用后材料的熱學(xué)性能穩(wěn)定，而且利用水的高對(duì)流系數(shù)，大大提高了充放熱效率，也解決了泄露和腐蝕污染等問題。

參考文獻(xiàn)

[1]王立新，蘇峻峰，任麗.相變儲(chǔ)熱微膠囊的研制.高分子材料科學(xué)與工程[J].2005（1）：276-279.

[2]殷志強(qiáng).太陽能光熱技術(shù)的進(jìn)展.太陽能[J].2011（18）：29-30.

[3]韓毓華，陳立偉.芒硝系太陽能蓄熱劑.化工時(shí)刊[J].1988（4）.

[4]Pincemin S， Olives R， Py X， Christ M. Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage. Solar Energy Materials & Solar Cells[J].2008（92）：603-613.

[5]Francis Agyenim， Neil Hewitt， Philip Eames. A review of materials， heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems （LHTESS）.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].2010（14）：615–628.