Weiguang Su等人對(duì)應(yīng)用于太陽(yáng)能輔助熱水儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的新型膠囊式相變材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明這種材料的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的能效有很大的提高。M．Mazman等分別以石蠟-硬脂酸、石蠟-棕櫚酸和硬脂酸-肉豆蔻酸為蓄熱材料，將其應(yīng)用于家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的蓄/放熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種相變材料均可不同程度地增加水箱的蓄熱量。
但目前的研究主要側(cè)重于生活熱水的利用，這對(duì)太陽(yáng)能熱利用方面仍有較大的局限性。本文提出一種新型相變蓄熱式水箱應(yīng)用于太陽(yáng)能組合系統(tǒng)[5]，可同時(shí)提供采暖和生活熱水，實(shí)現(xiàn)熱能梯級(jí)利用，為太陽(yáng)能組合系統(tǒng)的應(yīng)用提供一種新思路。
創(chuàng)新點(diǎn)及解決的問(wèn)題
本文提出一種新型相變蓄熱水箱，水箱內(nèi)部選取雙盤(pán)管逆流換熱形式，水在自然對(duì)流下會(huì)形成溫度分層，為了加大溫度分層同時(shí)提高相同容積下水箱的儲(chǔ)熱量，選取兩種不同相變溫度的相變材料，高相變溫度在上低相變溫度在下。相變蓄熱水箱接管圖如圖1所示。集熱系統(tǒng)走管側(cè)，水流向?yàn)樯线M(jìn)下出；采暖系統(tǒng)走管側(cè)，水流向?yàn)橄逻M(jìn)上出；生活熱水系統(tǒng)提取水箱內(nèi)部水，水流向?yàn)橄逻M(jìn)上出。蓄熱水箱箱體為304不銹鋼材質(zhì)，總高1.4m、直徑0.6m，單個(gè)蓄熱單元高0.2m、直徑0.5m，通過(guò)支架固定其中心高度分別為0.5m、0.9m處，內(nèi)部相變蓄熱單元水平剖面圖如圖1。
圖1：籠屜式相變蓄熱水箱接管圖
添加相變材料的相變蓄熱水箱與普通蓄熱水箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，兩水箱容量相同，兩組實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外氣象參數(shù)變化相似，實(shí)驗(yàn)初始溫度相近。
圖2：集熱量變化趨勢(shì)
圖2表示A/B兩組每小時(shí)集熱器的集熱量變化情況，圖中明顯看出集熱系統(tǒng)開(kāi)啟期間B組的小時(shí)集熱量遠(yuǎn)高于A組平均每小時(shí)集熱量B組是A組的3.7倍，說(shuō)明相變材料的加入有利于蓄熱水箱的蓄熱，同等情況下，相變蓄熱水箱可加大熱媒進(jìn)出口溫差。且兩組實(shí)驗(yàn)集熱量出現(xiàn)峰值的時(shí)間均比輻照強(qiáng)度峰值時(shí)間晚1-2h說(shuō)明集熱具有滯后性。
圖3：水箱上部溫度變化
圖3為水箱上部溫度變化，集熱系統(tǒng)開(kāi)啟，水箱上部溫度快速升溫，由于B組第一天太陽(yáng)輻照強(qiáng)度較高，經(jīng)3h加熱后B組水箱上部溫度高于A組。晚上17:00集熱系統(tǒng)關(guān)閉，同時(shí)伴隨大量的生活用水使用，導(dǎo)致水箱上部溫度迅速下降。夜間水箱放熱包括為采暖環(huán)路提供熱能補(bǔ)充及水箱自身熱損失。對(duì)比發(fā)現(xiàn)夜間A/B兩組水箱上部每小時(shí)溫降分別為0.44℃和0.22℃，室外溫度及室內(nèi)溫度變化基本一致情況下，相同時(shí)間段內(nèi)提供的采暖負(fù)荷相差不大，水箱自身保溫性能不變，相同時(shí)間段內(nèi)自身熱損失也基本相同，由于B組添加相變石蠟，夜間沒(méi)有熱源向水箱內(nèi)部提供熱量時(shí)，相變石蠟發(fā)生再次發(fā)生相變，將內(nèi)部存儲(chǔ)的潛熱能釋放，從而減小內(nèi)部溫度的波動(dòng)。
圖4：太陽(yáng)能保證率變化趨勢(shì)
圖5：EER變化趨勢(shì)
對(duì)比A/B兩組實(shí)驗(yàn)每天太陽(yáng)能保證率及系統(tǒng)能效比，如圖5和圖6，發(fā)現(xiàn)A組第3天與B組第2天的系統(tǒng)能效比EER相等，均為2.00，而B(niǎo)組在平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低于A組的情況下可實(shí)現(xiàn)B組的太陽(yáng)能保證率高于A組，說(shuō)明相變材料有助于提高系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率。對(duì)比A/B兩組實(shí)驗(yàn)均值，在太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度相似的情況下，添加相變材料會(huì)使太陽(yáng)能保證率提高72%，使系統(tǒng)能效比EER提高26%。
結(jié)論
（1）在太陽(yáng)能組合系統(tǒng)中，同等情況下，使用相變蓄熱水箱時(shí)集熱系統(tǒng)的小時(shí)集熱量遠(yuǎn)高于使用普通蓄熱水箱。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果表明：使用相變蓄熱水箱時(shí)集熱系統(tǒng)的集熱量為普通蓄熱水箱的3.7倍。
（2）添加相變材料可提高相同容積蓄熱水箱的蓄熱量，同時(shí)減小夜間蓄熱水箱的頂部高溫水溫降。相同測(cè)試期間普通蓄熱水箱上部高溫水夜間平均溫降為每小時(shí)下降0.44℃，相變蓄熱水箱上部高溫水夜間平均溫降為每小時(shí)下降0.22℃，溫降減少50%。
（3）在太陽(yáng)能組合系統(tǒng)中，相變蓄熱水箱有利于提高太陽(yáng)能保證率及系統(tǒng)能效比。在太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度相似的情況下，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)相變蓄熱水相會(huì)使太陽(yáng)能保證率平均提高72%，使系統(tǒng)能效比平均EER提高26%。
