相变蓄热在太阳能供热中的应用研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 7.67MB 69 页 15积分

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摘要

随着我国经济的发展，能源紧张以及环境污染问题日益突出，利用太阳能是

解决能源紧张以及减少环境污染的重要途径之一。由于太阳辐射热量的不稳定性，

蓄热装置就几乎成了太阳能热利用系统的一个必备部件。

本课题立足于提高太阳能有效利用率，提出了一种新型相变蓄热装置，并对

其蓄热特性进行了实验和理论方面的初步研究。概括地说，在本文中主要做了如

下工作：（1）建立太阳能相变蓄热热水系统模型，分析了全年太阳能供热系统的

效果和作用，比较了与水蓄热时太阳能热水系统的差别；（2）建立太阳能相变蓄

热采暖系统模型，分析了一年中最后一个星期的采暖的效果及与水蓄热比较的结

果；（3）提出一种新型的局部采暖方式——太阳能相变蓄热坐卧用具，搭建了蓄

热装置试验台，分析了多种因素对蓄热装置充热/放热特性的影响。

通过理论模拟和实验测试计算表明：（1）相变蓄热用在太阳能热水系统中，

太阳能集热效率可以提高，但程度不大，相变温度在 55℃左右的相变材料的全年

太阳能保证率较高；（2）相变蓄热用在太阳能采暖系统中的效果比较好，常规的

太阳能蓄热水箱冬季散热最大占到热负荷的 20%左右，蓄热体体积的减少可以明

显减少水箱的散热；（3）十水硫酸钠蓄热体系的相变温度为 30-32℃之间，充热

温度提高，蓄热体蓄热速率变快。太阳能直接供热时，集热面积和太阳能辐照量

是影响充热速率的主要因素，当太阳能不足时，可以使用辅助热源。

根据研究结果，对太阳能相变蓄热坐卧用具测试实验台的改进方案以及下一

步要深入研究的问题提出了建议。

关键词：太阳能相变蓄热热水系统采暖系统坐卧用具

ABSTRACT

With the development of the economy in our country, the problems of energy

shortage and environmental pollution are more and more serious. Use of solar energy is

one of the most important ways to solve these problems. As solar radiation is not

instable, thermal storage is a key component in solar heating systems.

In this thesis, in order to improve the solar energy utilization efficiency, a new type

of PCM heat storage devices was raised, and a preliminary study of the experimental

and theoretical aspects was done for heat storage properties. Generally speaking, the

works done in this thesis are as follows: (1) established PCM heat storage solar hot

water system model, and analyzed the full-year effect of solar hot water system and the

difference of between the solar hot water system when water heat storage and PCM heat

storage solar hot water system; (2) established PCM heat storage solar energy heating

system model, analyzed the effects of between solar heating system when water storage

and PCM heat storage at the last week of the year; (3) proposed a new type of local

heating methods: PCM heat storage solar energy sitting-lying device, built a test device

of heat storage, analyzed fill / release characteristics of heat storage device when a

variety of factors.

The results show that: (1) when PCM heat storage was used in solar water heating

systems, solar collectors can increase efficiency, but not significantly. PCMs with phase

change temperature around 55 ℃have a higher solar fraction; (2)PCM heat storage in

solar heating system have a better effect, the conventional solar heat storage tank have a

high heat loss in winter heat load typically accounting for around 20% ,and the volume

of the tank the heat loss can be reduced in winter significantly when the volume of the

tank became smaller; (3) Na2SO4•10H2O heat storage system have a phase change

temperature between 30-32 ℃. When filling temperature was raised, heat storage rate

is faster. In direct solar heating system, the collector area and the solar radiation were

major factors in heat-filling. When the solar energy is insufficient, the auxiliary heat

source was used.

Finally, some suggestions are given on the optimal design of PCM thermal storage

and the improvement of the testing rig for further research.

Key words: Solar Energy, Phase Change Heat Storage, Hot Water

System, Heating System, Sitting-Lying Device.

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................1

§1.1 课题研究背景 .......................................................................................1

§1.1.1 太阳能的利用 ........................................................................... 1

§1.1.2 相变蓄热 ................................................................................... 2

§1.2 国内外相变蓄热技术的研究现状 ...................................................... 4

§1.2.1 国内相变蓄热技术研究现状 ................................................... 4

§1.2.1 国外相变蓄热技术研究现状 ................................................... 5

§1.3 本课题的研究内容和意义 .................................................................. 6

§1.3.1 本课题的提出及研究内容 ....................................................... 6

§1.3.2 本课题研究意义 ....................................................................... 7

第二章太阳能相变蓄热热水系统 ..................................................................... 8

§2.1 太阳能热水系统 .................................................................................. 8

§2.1.1 太阳能热水系统概述 ............................................................... 8

§2.1.2 太阳能热水系统的分类 ........................................................... 8

§2.1.3 太阳能热水系统的主要运行方式 ........................................... 9

§2.2 太阳能相变蓄热热水系统模型 ........................................................ 10

§2.2.1 相变蓄热体模型 ..................................................................... 10

§2.2.2 热水系统模型 ..........................................................................11

§2.3 太阳能热水系统设计 ........................................................................ 12

§2.4 模拟计算 ............................................................................................ 15

§2.4.1 计算公式 ................................................................................. 15

§2.4.2 计算流程图 ............................................................................. 17

§2.5 气象数据 ............................................................................................ 18

§2.6 水蓄热与相变蓄热的结果比较 ........................................................ 19

§2.6.1 集热面积对系统的影响 ......................................................... 20

§2.6.2 蓄热体积对系统的影响 ......................................................... 20

§2.6.3 不同相变温度的材料对系统的影响 ..................................... 22

§2.7 本章小结 ............................................................................................ 25

第三章太阳能相变蓄热供暖系统 ................................................................... 26

§3.1 太阳能供暖系统 ................................................................................ 26

§3.1.1 太阳能供暖系统简介 ............................................................. 26

§3.1.2 太阳能供暖系统的运行原理 ................................................. 26

§3.1.3 太阳能供暖系统的分类 ......................................................... 27

§3.1.4 太阳能系统供暖系统方式的选择 ......................................... 28

§3.2 太阳能供暖系统模型 ........................................................................ 29

§3.3 两种供暖系统的设计 ........................................................................ 29

§3.3.1 气象参数 ................................................................................. 29

§3.3.2 建筑热负荷 ............................................................................. 30

§3.3.3 太阳能集热系统 ..................................................................... 30

§3.3.4 蓄热体 ..................................................................................... 30

§3.3.5 蓄热体及管路散热 ................................................................. 31

§3.3.6 辅助加热量 ............................................................................. 31

§3.3.7 模拟计算 ................................................................................. 31

§3.4 两种计算结果的比较 ........................................................................ 31

§3.4.1 水蓄热 ..................................................................................... 32

§3.4.2 相变蓄热 ................................................................................. 33

§3.5 本章小结 ............................................................................................ 34

第四章太阳能相变蓄热坐卧用具 ................................................................... 35

§4.1 太阳能相变蓄热坐卧用具的提出 .................................................... 35

§4.1.1 火炕 ......................................................................................... 35

§4.1.2 电热毯 ..................................................................................... 35

§4.1.3 提出太阳能相变蓄热坐卧用具的意义 ................................. 36

§4.2 太阳能相变蓄热坐卧用具模型 ........................................................ 37

§4.2.1 太阳能相变蓄热坐卧用具系统 ............................................. 37

§4.2.2 太阳能相变蓄热装置 ............................................................. 37

§4.3 太阳能蓄热床实验装置 .................................................................... 38

§4.3.1 太阳能集热系统 ..................................................................... 38

§4.3.2 相变蓄热系统 ......................................................................... 38

§4.3.3 数据采集系统 ......................................................................... 39

§4.4 实验内容 ............................................................................................ 41

§4.4.1 实验方案 ................................................................................. 41

§4.4.2 实验步骤 ................................................................................. 42

§4.5 测试数据分析 .................................................................................... 43

§4.5.1 蓄热体密闭保温充热工况 ..................................................... 43

§4.5.2 恒温充热工况 ......................................................................... 46

§4.5.3 散热工况 ................................................................................. 51

§4.5.4 太阳能直接充热的工况 ......................................................... 53

§4.6 本章小结 ............................................................................................ 58

第五章结论与展望 ........................................................................................... 60

§5.1 结论 .................................................................................................... 60

§5.2 对本课题的展望和建议 .................................................................... 60

参考文献 ............................................................................................................. 62

在读期间发表的论文和承担的科研项目及取得成果 ..................................... 65

致谢 ..................................................................................................................... 66

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

能源短缺和环境污染是当今世界所面临的两大难题。目前，我国的能源需求

直线上升，出现能源供应日趋紧张的局面。我国在建筑能耗方面，浪费严重，资

料显示，我国建筑能耗总量逐年上升，已占社会总能耗的 30%左右。另外，对能

源的大量开采和使用，造成了大气和海洋污染、生态环境恶化、全球气候变暖等

严重的健康和环境问题。因此，减少建筑能耗，引进清洁无污染的新能源，加快

推进我国节能和绿色建筑进程，已成为我国可持续发展的重大问题。

§1.1.1 太阳能的利用

太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大

约是 1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达 8×1013kW，相当于 6×109t标准煤。

按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约 1.892×106千亿 t，

是目前世界主要能源探明储量的一万倍。太阳的寿命至少尚有 40 亿年，相对于人

类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。相对于常规能源

的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开

发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，

大部分地区每年日照时数大约在 2000 小时以上。根据全国 700 个气象台站长期实

测积累的数据资料表明，我国陆地表面每年接收的太阳能辐射能约 50×1018kJ，全

国各地太阳年辐射总量达 3340～8400MJ/m2·a。

表1-1 我国太阳能资源带划分

资源带号

分区

太阳辐照量

(MJ/m2·a)

地区分布

资源丰富带

≥6700

内蒙古、塔里木盆地、青藏

资源较富带

5400～6700

高原新疆北部、东北西部、内蒙东部、陕甘宁

III

资源一般带

4200～5400

东北、内蒙呼盟、黄河中下游、长江下游、广东、

广西、福建、云南等

资源贫乏带

﹤4200

川、贵、桂、赣等部分地区

相变蓄热在太阳能供热中的应用研究

由于太阳辐射资源受气候、地理等环境条件的影响，因此其分布有很明显的

地域性，根据按接收太阳能辐射量的大小，全国大致可分为四类地区，如表 1-1

所示：一、二、三类地区，年日照时数大于 2000h，是我国太阳能资源丰富和较丰

富的地区，面积较大，约占全国总面积的 2/3 以上，具有利用太阳能的良好条件。

人类利用太阳能的历史极为悠久。早在公元前 1世纪，埃及的亚历山大城利

用太阳能将空气加热膨胀，把水由尼罗河抽到较高处，供农地灌溉用。1700 年，

意大利人利用太阳热能熔解钻石。进入二十世纪以后，太阳能热利用技术得到了

很大的发展。1907 年，弗朗克·舒曼(Franck Schumann)首次制成平板型集热器，

并于 1908 年在美国成立世界上第一个专门从事太阳能热利用的公司.1938 年，在

美国建成世界上第一座实验室采暖太阳房，利用太阳能为建筑物供暖，在节约大

量常规能源方面迈出了重要的一步。1974 年，日本执行了“阳光计划”。进入 90

年代后，太阳能利用出现了飞跃性的发展。1996 年，联合国在津巴布韦召开“ 世

界高峰太阳能会议” ，会后发表了《哈拉冒太阳能与持续发展宣言》，会上讨

论丁《世界太阳能 10 年行动计划》(1996-2005) ,《国际太阳能公约》，《世界太

阳能战略规划》等重要文件。

1997 年6月，美国总统克林顿宣布到 2010 年实现“百

万太阳能屋顶计划”。中国自 20 世纪 70 年代以来，太阳能利用有了较大的发展，

太阳能利用技术的研究列入国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关计划，

获得了一批研究成果并进行了不同程度的推广应用，太阳能工业已初步形成。中

国政府也制定了《新能源和可再生能源发展纲要》(1996-2010)[36]。

§1.1.2 相变蓄热

目前在太阳能供热采暖系统中常用的蓄热的方式按蓄热时间的长短分有短期

蓄热、季节性蓄热；按蓄热介质分有可逆化学反应蓄热、显热式蓄热、潜热式蓄

热。

短期蓄热，一般是为了实现当日太阳集热量的昼夜转移，通常采用水作为热

媒，大多采用蓄热水箱。短期蓄热，其蓄热量只满足 1～2日供热需要。短期蓄热

装置体积较小，投资小，在太阳能供热系统中应用十分广泛。

季节性蓄热是将夏、秋季丰富的太阳能转化为热能蓄存起来，到冬季时再使

用，以达到跨季节热量调节的目的，季节性蓄热主要有热水蓄热、砂砾－水蓄热、

地埋管蓄热、地下含水层蓄热，其中热水蓄热应用最为广泛。

化学反应蓄热是利用蓄热材料相互接触时发生可逆的化学反应来蓄热和放

热。例如，正反应吸热，热被蓄存起来；逆反应放热，则热被释放出去。化学蓄

热系统具有不少潜在的优点，如：能量密度高；反应物可以在环境温度下存放；

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摘要：

摘要随着我国经济的发展，能源紧张以及环境污染问题日益突出，利用太阳能是解决能源紧张以及减少环境污染的重要途径之一。由于太阳辐射热量的不稳定性，蓄热装置就几乎成了太阳能热利用系统的一个必备部件。本课题立足于提高太阳能有效利用率，提出了一种新型相变蓄热装置，并对其蓄热特性进行了实验和理论方面的初步研究。概括地说，在本文中主要做了如下工作：（1）建立太阳能相变蓄热热水系统模型，分析了全年太阳能供热系统的效果和作用，比较了与水蓄热时太阳能热水系统的差别；（2）建立太阳能相变蓄热采暖系统模型，分析了一年中最后一个星期的采暖的效果及与水蓄热比较的结果；（3）提出一种新型的局部采暖方式——太阳能相变蓄热坐卧...

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