太阳能供热系统中水-相变材料复合蓄热研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 7.26MB 82 页 15积分
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第一章 绪论
1
第一章 绪论
能源与环境问题是当今世界所面临的两大难题。其中能源是工业生产的命脉，
也是提高人类生活质量，促进经济发展，带动整个社会进步所必需的物质基础。
因而能源是可持续发展进程中的关键因素之一。但能源的形势不容乐观:一方面，
传统的不可再生能源越来越少，全球现有已探明的煤、石油、天然气的储量只够
人类几百年的使用;另一方面，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，如何开发和利用
能源，保护好人类赖以生存的地球环境，已成为一个事关人类社会可持续发展的
重大问题。
§1.1 中国能源发展现状
能源既是重要的必不可少的经济发展和社会生活的物质前提，它的大量消耗
也是产生污染物主要来源。中国目前已是世界贸易组织(WTO)的成员国之一，正
处于经济高速发展和全面建设小康社会的时期，而能源与环境问题已成为制约我
国经济社会健康、可持续的发展的瓶颈。
§1.1.1 我国能源短缺
随着中国经济迅速发展，人民生活水平的提高，社会的发展对能源的依赖越
来越严重。2001 年我国能源费用支出达 1.25 万亿元人民币，占 GDP 的13%。按
照目前的能源消耗方式预测，在 2020 年我国需要一次能源 32 亿吨标准煤以上，
能源消费比 2000 年增长 2.5 倍多[1]。
1980 年以来，我国的能源总消耗量每年增长约 5%，是世界平均增长率的近 3
倍。我国人均能源可采储量远低于世界平均水平，我国化石能源资源人均占有量
仅是世界的 1/2；其中石油和天然资源仅占世界人均量的 11.0%和4.0%；同时我国
人均一次能源消耗总量仅为 0.7 吨油当量，不到世界平均水平的一半，加之能源利
用技术落后，效率低下，在经济高速发展的情况下，中国的能源消耗速度可能比
其他国家更迅速，能源枯竭的威胁可能来的更早、更严重。目前，中国的能源储
量与未来几十年的发展需求之间已经存在一个巨大的缺口，而且这个缺口将会越
来越大。有专家预测我国能源的缺口量：在 21 世纪初期将超过 1亿吨标准煤，2030
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年约为 2.5 亿吨标准煤，到 2050 年约为 4.6 亿吨标准煤；而在石油需求上，我国
今后新增的石油需求量几乎要全部依靠进口，2003 年，进口原油 9000 多万吨，而
2020 年将达到２亿吨，差不多是需求的一半。长此以往，庞大的能源消耗不仅会
对我国能源部门产生巨大压力，而且也会给工商企业带来越来越重的成本负担。
当前，我国能源供求紧张充分表现在电力上。有关数据显示：2000年至2002
年，全国用电量增长速度分别达到11.3%、
9%、
11.6%。
2003年，全国用电量达18910
亿千瓦时，比上年增长15.8%，有21个省市拉闸限电；2004年上半年，我国电力需
求继续高速增长，1～4月份全社会用电量达6500亿千瓦时，同比增长16.1%，用电
紧张进一步加剧。拉闸限电停工停产，给中国的经济带来了巨大的损失，同时也
制约了中国经济的高速发展[1]。
§1.1.2 能源使用带来的环境问题
由于受自然资源客观条件限制，我国的能源生产与消费结构特殊，煤炭一直
占我国能源生产和消费总量的 75%左右。因此我国是世界上少数几个以煤为主要
能源的国家之一，尤其是火力发电部门，90%的燃料来源于煤。煤的大量消耗必然
会引起温室气体排放量的大量增加。目前我国 CO2排放量已位居世界第二，CH4、
N2O等温室气体的排放量也居世界前列。预测表明，到 2025～2030 年间，我国的
CO2排放总量很可能超过美国，居世界第一位；目前低于世界平均水平的我国人均
CO2排放量可能达到世界平均水平。
表1-1 中国碳排放持续增长（单位：百万吨碳）[2]
89 年
90 年
91 年
92 年
93 年
94 年
95 年
96 年
610.2
610.3
638.7
659.2
711.8
768.0
787.6
793.9
大量煤炭和石油的燃烧排放的污染物，使中国城市大气质量严重恶化，严重威
胁着城市的发展和人们的健康。主要污染物是烟尘、SO2、NOx 等。据全国 322 个
城市空气质量监测统计结果，大气中的二氧化硫和氮氧化合物含量超过国家空气
质量二级标准的城市有 233 个，占统计城市数的 72.4%。据统计酸雨影响了中国三
分之一以上的土地，经济损失高达国内生产总值的 2%。
第一章 绪论
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§1.2 太阳能热利用
要解决能源与环境问题，开发和利用可再生能源是当前人类必然的选择。太
阳能作为清洁的可再生能源，充分利用太阳能是解决能源与环境污染的重要途径
之一。
§1.2.1 太阳能资源综述
地球上的万物生长都有赖于太阳的光和热。太阳能资源的分布与各地的纬度、
海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量（单位为
kal/cm2.a 或kw/cm2.a ）和全年的日照总时数表示。就全球而言，美国西南部、非
洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世
界太阳能最丰富的地区。
§1.2.2 我国的太阳能资源状况
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为 50×1018kJ，
全国各地太阳年辐射总量达 3340～8400MJ/m2·a[3]。
表1-2 我国太阳能资源带划分[4]
资源带
号
名称
指标
(MJ/m2)
地区分布
I
资源丰富带
≥6700
内蒙古、塔里木盆地、青藏
II
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
IV
资源贫乏带
﹤4200
川、贵、桂、赣等部分地区
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
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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 1-2
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。
§1.2.3 我国太阳能利用发展现状
（1）太阳能热水
生活热水能耗将是建筑能耗中不可忽略的份额。而太阳能热水技术是目前太
阳能热利用中最为成熟的技术，用太阳能解决住宅的部分甚至全部生活热水是太
阳能在建筑中应用的首选。中国五金制品协会的统计资料[4]显示，目前中国城市家
庭中，每百户拥有淋浴热水器 66.61 台，
57.4%拥有燃气热水器，
31.3%拥有电热水
器，而拥有太阳能热水器的只有 7.6%，但发展十分迅速。太阳能热水器市场是一
个潜力巨大的市场。
太阳能热水器在我国经过 20 多年的发展，已成为我国阳光经济产业的支柱行
业。据统计[5]，全国太阳能热水器行业现有 3500 多家企业，2002 年太阳能热水器
年产量已超过 800 万平方米，年产值超过 100 亿元。我国现已成为世界上最大的
太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。
太阳能热水器的应用主要有几个方面：一、单户，供应卫生热水,这在中小城
市中发展很快,在农村的市场潜力也十分巨大；二、栋式，一栋建筑在屋顶上集中
设置，这在住宅、学校、公共浴室中的应用比较多；三、在游泳馆中的应用。
我国在《2000-2015 年新能源和可再生能源产业发展规划》中，预计到 2015
年全国家庭住宅太阳能热水器普及率达 20～30%，市场拥有量约 2.32 亿平方米；
形成一批年产 200～300 万平方米规模，并具有较强新产品开发能力的骨干企业[3]。
（2）太阳能采暖
太阳能采暖有主动式和被动式两种。主动式太阳能采暖系统是由水泵或风机
输送载热介质，将太阳能集热器收集的热量，输送至蓄热装置或散热器，主动式
系统的造价和运行维护费用均比较高。被动式太阳能采暖，是指靠冬季太阳高度
角低的自然特征，以房屋结构本身来完成集热、蓄热和释热功能的采暖系统，从
本质上来说，造价增加不多，节能效益显著。太阳能采暖技术，已列入建设部建
筑节能技术政策范畴和建筑节能“十五”计划和 2010 年规划。
我国被动太阳能房技术的研究始于 20 世纪 80 年代初，是在国际合作项目如
中德新能源村、联合国开发署（UNDP）支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的带
第一章 绪论
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动下发展起来的，参加项目的单位主要是高等学院暖通专业和能源相关的研究机
构。通过国家“七五”攻关，编纂了我国《被动太阳房热工设计手册》和《被动
太阳房建筑参考图集》，在“三北”地区建造了示范房[6]。1993 年不完全统计，已
推广 500 万㎡，主要分布在河北、辽宁、甘肃、内蒙古、青海和西藏等地农村，
每平方米已有建筑面积在采暖期可节约 20—40kg 标准煤。
（3）太阳能空调
一般的太阳能热利用项目，如采暖、热水等，在需求上其实与太阳能的提供
并不完全一致，当天气越冷，需要提供更多热量的时候，通常都是全年太阳辐射
强度比较低的时候，因此提供的能量往往不足。从这个角度看，太阳能空调的应
用是与太阳辐射强度的变化相吻合的。当太阳辐射越强，气温越高的时候，空调
负荷越大，此时太阳能空调往往能够达到其额定工况。
太阳能制冷空调的关键技术已经初步解决：（1）在太阳能集热器方面，真空
管集热器、平板集热器都已经在市场上推广应用；（2）在制冷剂方面，溴化锂吸
收式制冷机在 90 年代大量进入市场，低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热源
温度只需 60℃以上，特别适合于太阳能的利用；（3）在系统方面，已经积累了丰
富的经验。因此，太阳能空调应用在技术上是可行的。
目前，在我国已建成的太阳能空调项目有：（1）广东省江门市[7]一座多功能的
综合大楼，以平板型集热器（500 ㎡）收集太阳能产生热水，分别供应制冷和生活
热水。制冷机组为一台 100kW 的两级吸收式溴化锂制冷机，设计热源温度 75℃，
采取中央空调供冷方式，制取 9℃左右的冷冻水送到用户的风机盘管，然后返回冷
冻水箱。用一台燃油热水锅炉辅助加热。实际运行结果，制冷能力最高可达 112kW，
热源热水利用温差可高达 15℃，COP 测算大于 0.4，供冷结果表明，可以满足面积
超过 600 ㎡的办公和会议室空调。（2）山东省乳山市科普公园[8]内的太阳能馆，采
用了太阳能吸收式空调机供暖综合系统。采用热管式真空管集热器，采光面积 540
㎡，采用溴化锂吸收式制冷机及辅助燃油热水锅炉。在夏季测试中，系统在没有
辅助加热，在单纯利用太阳能的情况下，可以提供 100kW 左右的制冷功率，COP 变
化范围从 0.50 到 0.71，全天平均 COP 为 0.57 左右。
§1.3 蓄热技术
虽然我国有着十分丰富的太阳资源，但是太阳辐射热量随季节、昼夜变化很
大，同时还受到阴晴云雨等随机因素的强烈影响，故太阳辐射热量具有很大的不
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稳定性。要利用太阳能，必须要解决太阳能的间歇性和不可靠性问题。在太阳能
利用系统中设置蓄热装置是解决上述问题的最有效的方法之一。因此在太阳能利
用研究中蓄能问题占有特别重要的地位[9]。
随着能源问题越来越为人们所关注，蓄能研究的重要性也日益突出。蓄能可
以缓解能量供求双方在时间、强度以及空间上的不匹配，是合理利用能源及减轻
环境污染的有效途径，也是广义热能系统优化运行的重要手段。
目前在太阳能供热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。
下面分别进行简要介绍。
§1.3.1 短期蓄热
短期蓄热的目的，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[4]。
§1.3.2 季节性蓄热
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。相比短期蓄热，蓄热容量较大，可利用的太
阳能大幅增加，但投资很大，应用远不如短期蓄热广泛和成熟。
季节性蓄热主要有热水蓄热(Hot-water heat store)、砂砾－水蓄热
(Gravel–water heat store) 、地埋管蓄热（Duct heat store）、地下含水层蓄热(Aquifer
heat store)，其中热水蓄热应用最为广泛[10-12]。
§1.3.3 显热蓄热
显热蓄能[9]就是把物质因温度变化而产生的显热来贮存。显热蓄能时，蓄能材
料在蓄存和释放热能时，只有材料自身发生温度的变化。这种蓄能方式简单，成
本低，是目前较成熟的蓄能技术。但其储能密度低，储热装置体积庞大，在释放
热能时温度持续变化，要想温度定值输出必须采用温控装置。而且该蓄热方式要
求蓄热介质有较高的比热、长期的热循环稳定性、与污染物较好的共存性等。根
据蓄能介质的不同，可以分为液体介质蓄热和固体介质蓄热。
(1) 液体介质蓄热
水蓄能的蓄热性能最佳，而且水的资源丰富、价格便宜、粘度很低、无腐蚀
第一章 绪论
7
性，几乎不需要花费代价，在工业上应用极为广泛。但其缺点也十分明显，因为
水的蒸汽压力较高，在高温应用中必须为容器的绝热和耐压花费大量成本。
水的常见蓄能替代物还有石油提纯油和熔盐。就蓄能能力而言，它们只有水
的25～40%，但较低的蒸汽压力和超过300℃的工作温度使得它们也有着较高的应
用价值。为了安全和稳定起见，油的工作温度一般不宜超过350℃。一些无机盐的
熔融混合物可在高温800℃左右工作，但其强烈的腐蚀性应该给予足够的考虑。液
体金属也可以用于蓄能。
(2) 固体介质蓄热
与液体蓄能相比，固体蓄能[1]的优势在于：蓄能物质不会发生凝固或沸腾之类
的相变现象；消除了液体蓄能中诸如蒸汽压力、易燃易爆、腐蚀性等不利因素；
消除了容器泄漏的可能。
石块、金属、混凝土、砂子和砖块等均可用于低温或高温蓄能。蓄能能力最
好的固体物质当属生铁，但相对于石块、砖瓦而言较高的成本是其难以得到广泛
推广的原因。
岩石是除水以外应用最广的显热蓄热物质。岩石成本低廉，易于取得。虽然
岩石的比热只有水的四分之一，但密度大约是水的两倍半。在体积相同的时候，
岩石的蓄热能力大约是水的一半多一些。
粘土的热容量相对岩石来说比较高，导热系数比岩石低，较适合于蓄热。但
是，粘土蓄热会降低土壤的抗剪强度，从而可能产生地面下沉，并且蓄热温度一
般要限制在20～40℃之间。所以，粘土蓄热属于低温蓄热，需要热泵来提升温度。
§1.3.4 化学反应蓄热
化学反应[9]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；
有可能将热能存贮很长的时间；也可能在日照充足的地区生产可运输的“燃料”，
供其他地方使用。但是这种蓄热系统的缺点是，与显热式和潜热式蓄热系统相比，
系统很复杂，价格也高，目前仅在太阳能利用研究领域受到重视，还没有得到广
泛的工业应用。
§1.3.5 相变蓄热
相变蓄能[9]就是利用蓄能介质在发生相变时吸收或者放出热量来蓄存和释放
上海理工大学硕士论文—太阳能供热系统中水-相变材料复合蓄热研究
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热量。物质的潜热要比显热大得多，因此蓄能装置体积可以大为缩小。物质的相
变过程在一定温度下进行，变化范围极小，这个特性使得相变蓄能器能够保持基
本恒定的热力效率和供热能力。
相变蓄能有固－固相变、固－液相变、液－汽相变和固－汽相变四种相变形
式。在这四种相变过程中，相变潜热逐渐增大。液－汽相变和固－汽相变虽然可
以蓄存较多热量，但因气体占有的体积大，使得体系增大，设备复杂。因此，尽
管这两类相变过程中相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用。与此相反，固
－液相变和固－固相变，体积变化小，对容器要求低，目前的研究和利用最为广
泛。
相变材料(Phase Change Material, PCM)大致可分为三类：无机相变材料、有机
相变材料及混合相变材料。
（1）无机相变材料
无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金和其它无机物。无机相变
材料有较大的熔解热和固定的熔点，是中低温相变材料中重要的一类。最典型的
是结晶水合盐类，这类材料具有熔解热大、导热系数高、相变时体积小等优点。
但是这类材料易出现“过冷”和“相分离”现象，导致蓄热能力下降，而且与金
属储存容器不相容。降低过冷度的方法是添加微粒结构与盐类结晶物相类似的成
核剂和搅拌。解决析出的办法是添加增稠剂、加晶体结构改变剂、搅拌[1]。
（2）有机相变材料
有机相变材料包括石蜡、脂肪酸、脂、乙醇、乙二醇和其它有机物。有机相
变材料具有固体成型好、不易发生相分离和过冷现象、腐蚀性小、性能稳定等优
点。但是这类材料导热系数小，为了改善其导热性能，常在其中加入金属网格、
金属粉末[1]。
（3）混合相变材料
混合相变材料主要是有机和无机共熔相变材料的混合物。有机无机共熔混合
物是种类和应用范围最广的一类相变材料，将几种有机物配合成二元或多元相变
材料，也可以将有机物与无机物复合，形成复合相变材料，从而得到合适的相变
温度及相变热，以补充有机和无机相变材料的不足。其相变温度从 140～670℃可
供选择的相变材料达四千三百余种[1]。
第一章 绪论
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§1.3.6 国内外蓄热技术的研究现状
在相变材料的研发及应用方面，美、日、德、法等国处于领先地位。在美国，
1983 年，Telkes 博士在蓄热技术方面做了大量的工作。她对水合盐，尤其是水硫
酸钠（Na2SO4·10H2O）进行了长期的研究，对 Na2SO4·10H2O的相变寿命进行多达
1000 多次的试验，预测该材料可相变 2000 次。并在马萨诸塞洲建起了世界上第一
座 PCM 被动太阳房[9]。Telks，G.A.Lane，P.J Moses，R.L Cole，IA.Clark 和R.Viskanta
在相变材料配置和性能研究、相平衡、结晶、相变传热、相变材料性能改善、相
变材料封装方式、相变蓄热系统设计等方面做了大量工作，1993 年由 G.A.Lane 主
编的《太阳能蓄存：相变材料》（Solar heat storage: latent heat material）是对这一领
域以前工作的集大成之作。
在日本，70 年代早期，日本三菱电子公司和东京电力公司联合进行了用于采
暖和制冷系统的相变材料的研究。他们研究了水合硝酸盐、磷酸盐、氟化物和氯
化钙。东京科技大学工业和工程化学系的 Yoneda 等人研究了一系列可用于建筑物
取暖的硝酸共晶水合盐[1]。
在德国，西门子公司在 PCM 的研制中也很活跃，除了对水合盐 PCM 做了大
量的工作外，还研究了用于高温蓄热的在多孔陶瓷材料中充填 PCM 的技术。此外，
瑞典、法国、意大利和前苏联在蓄热相变材料的理论和应用方面做了大量的工作。
在我国，80 年代初开始研究蓄热材料，早期主要研究是针对相变蓄热材料中
的无机水合盐。80 年代，河北省科学院能源研究所唐钰成等人对相变蓄热材料进
行了量热研究，并研制和试验了太阳房相变蓄热器；河北省安国县设计建造了一
座农用太阳能温室，内部设置了用相变贮热材料制成的潜热蓄热增温器。90 年代，
杭州大学化学系孙鑫泉等人对 Na2SO4·10H2O体系的潜热蓄热及其融解行为、熔化
热的测定技术及计算公式进行了研究。
在相变问题的数值模拟和实验研究方面，这几年来，国内的研究也很活跃。
张寅平、江亿、康艳兵[13]对板式相变储换热器的储换热准则进行了研究，采
用温度-相变界面迭代法分析了相变界面和流体温度随时间和位置的变化规律，讨
论了当传热流体为气体时，在气体钡加肋片后的强化换热效果，得到了相变界面、
蓄冷量和流体温度的量纲公式。
康艳兵[14]等建立了一种相变蓄热同心套管传热模型，分析得出了相变材料在
相变过程中流体温度和相变界面随时间和轴向位置的变化规律。模型中考虑了相
变材料导热热阻和有效传热面积随时间和位置的变化，适用于流体入口温度和流
量随时间变化的情况。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论能源与环境问题是当今世界所面临的两大难题。其中能源是工业生产的命脉，也是提高人类生活质量，促进经济发展，带动整个社会进步所必需的物质基础。因而能源是可持续发展进程中的关键因素之一。但能源的形势不容乐观:一方面，传统的不可再生能源越来越少，全球现有已探明的煤、石油、天然气的储量只够人类几百年的使用;另一方面，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，如何开发和利用能源，保护好人类赖以生存的地球环境，已成为一个事关人类社会可持续发展的重大问题。§1.1中国能源发展现状能源既是重要的必不可少的经济发展和社会生活的物质前...

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