1 引言

近年来，有许多国内外学者[1-2]对相变储能在家庭生活用热中的应用都有深入研究。PAPADⅠMⅠTRATOS[3]等人研究了将相变材料封装在真空管内，并分析其换热优势。袁小永[4]对无机水合盐相变蓄热装置进行了深入研究，并分析了相变储能装置的可行性。本文设计了一种适合热泵进行储能的装置，并通过理论计算和实验对该装置性能进行分析。

2 系统装置

本文设计了一种以储能球为封装体的储能装置，其结构示意图如图1所示，以电能代替太阳能对储能装置进行储能。自来水或供暖循环回水接入装置冷水进口，热水出口得到所需热水或供暖循环供水。

图1 装置和内部结构示意图

3 实验分析

3.1 储能球传热分析

将完全融化的相变储能球置于恒温环境（23.5℃的空气中），测试球内三个点（距离球壳边缘分别5 mm、20 mm、35 mm）的温度分布状况，测试平台如图2所示。

图2 储能球热性能测试示意图及探头在球内布置示意图

放热曲线如图3所示，边缘的相变材料最先与外接低温的空气进行放热，传热较快，该部位的相变材料温度骤然下降，相变潜热在短时间内被释放；次边缘和球中心的相变材料放热较慢，相变平台较为明显。

图3 在23.5℃恒温环境下球内各点的温度曲线

3.2 装置蓄热性能

储能球和水的初始温度为24℃，装置电加热通过温控器行控制：启动温度为85℃，停止温度设置为90℃，可让相变材料充分吸收热量，直到潜热蓄满。

电加热功率为9 kW，水蓄热时间为10：07—17：32，时长7 h 25 min，实际耗电量为55 kW·h，按热损失8%计算，装置的实际储热量约为182 MJ。

装置的蓄热曲线如图4所示，从图中可看出当相变材料在吸收潜热的时候，水的升温趋势有所减缓，水中的能量有一部分被相变材料所吸收，水温达到90℃时，控制器控制电加热停止加热，待水的能量被相变材料吸收时其温度下降达到85℃时，电加热又重新开启，直到相变材料潜热吸收完时达到85℃左右，蓄热结束。

图4 蓄热器装置蓄热曲线

3.3 装置放热性能

该储能装置在能量储存满后，装置内水温及相变材料温度都在85℃左右，直接供应热水也可进行供暖，接下来降低其进行供热水及供暖性能测试。进行放热测试，自来水管接入蓄热器冷水进口，自来水平均温度为20℃，放热水流量为6.27 L/min，放热曲线如图5所示。

放热热水温度降低至50℃时，放热时长为1 h 57 min，热水量为734 L，总放热量为170 MJ；放热热水温度降低至45℃时，放热时长为2 h 5 min，热水量为784 L，总放热量为175 MJ。待储能球热量完全释放，当放出热水温度至50℃时，放热效率为90.9%，放热水温度至45℃时，放热效率为93.6%。

4 结论

通过理论计算，该装置的理论储热量约为188 MJ。从放热量来看，储能球的传热效果较好，装置的放热较为充分，装置中的热水和储能球的热量会被完全释放，残余热量较少。当放出热水温度至50℃时，放热效率为90.9%，放热水温度至45℃时，放热效率为93.6%。

图5 装置放热测试性能曲线

［1］管巧丽.太阳能-蓄热与地源热泵供热水系统的TRNSYS模拟与研究［D］.天津：天津大学，2009.

［2］袁小永，柯秀芳，徐勇，等.二次换热式相变蓄热水箱的蓄放热特性研究［J］.广东化工，2015，42（303）：22-25.

［3］PAPADⅠMⅠTRATOS A，SOBHANSARBANDⅠS，POZDⅠN tube solar collectors integrated with phase change materials［J］.Solar energy，2016，129（5）：10-19.

［4］袁小永.用于太阳能热水系统的无机水合盐相变蓄热装置研究［D］.广州：广东工业大学，2015.

文章来源：《实验力学》 网址: http://www.sylxzz.cn/qikandaodu/2021/0707/674.html