引言我国北方地区太阳能资源较为丰富，以太阳能作为能源为建筑供暖有助于我国的节能减排和可持续发展[1-2]。但太阳能属于间歇式能源，受昼夜、季节及天气等因素的影响，其能量呈间断性和不稳定性[3]。常规的太阳能供热系统往往需要配备相应的辅助热源或采用较大的蓄热装置。太阳能供热系统蓄热装置一般采用水蓄热，由于水蓄热为显热蓄热，效率低、蓄热能力有限，且占地面积较大，一定程度上限制了太阳能供热系统的推广及应用。近年来，开发新型相变蓄热熔盐材料与太阳能供热应用技术结合的低温相变蓄热技术研究成为各国研究热点[4-6]。低温相变蓄热技术根据太阳能、电热泵系统出水温度及供热需求，可在相关温度段（40~60 ℃）通过调整材料组分以选择相变温度，并与太阳能热水器、电热泵、工业余热等设备或技术组合形成多种清洁供暖解决方案。低温相变蓄热技术可大幅缩小常规蓄热器的占地尺寸，提高清洁能源供热的运行成本和可靠性。该技术的开发成本可接受，性能稳定、使用寿命长、温度适宜的低温相变蓄热装置产品具有重要的现实意义和广阔的应用前景[7-9]。为进一步提高太阳能供热系统的稳定性和灵活性，降低清洁取暖供热成本，本项目设计制备了一套与太阳能供热系统联用的低温相变蓄热装置。低温相变蓄热装置利用白天存储的太阳能集热系统采集的热量，在夜间为单个实验室房间供暖，并完成了多个完整的蓄放热过程。该蓄热装置在多个循环内均保持了较高的蓄热能力和传热性能，为太阳能供热的进一步推广应用奠定良好的基础。1低温相变蓄热装置简介低温相变蓄热装置原理如图1所示，实验系统实景如图2所示。它由在室外搭建的太阳能光热管集热系统，在实验室房间内布置的低温相变蓄热装置、储热水箱及散热末端组成，分别进行太阳能集热、蓄热和供热实验。低温相变蓄热装置外部为保温板围成的箱体，箱体内安装有翅片盘管，在翅片盘管与箱体间填充有低温相变材料，所选用的低温相变材料主要成分为Ca(NO3)2·4H2O，相变温度47 ℃、密度1 400 kg/m3、外观为白色晶体、潜热值可达 170 kJ/kg。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.006.F001图1低温相变蓄热装置原理10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.006.F002图2实验系统实景图设定房间采暖功率为60 Ｗ/ｍ2，该蓄热装置可以满足采暖面积为25 ｍ2、采暖时间为12ｈ的建筑供热需求，则此时总热量为：Q＝60×25×12/1 000=15 kWh，由此确定低温相变熔盐的重量及蓄热装置尺寸，蓄热装置具体结构尺寸如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.006.T001表1低温相变蓄热装置结构尺寸项目数值箱体长/m0.875箱体宽/m0.655箱体高/m0.48箱体内水平管子的数量/根100水平管长度/m0.76翅片数量/片42管径(外径)/m0.014管径(内径)/m0.01肋片总面积/m224.17实验过程由太阳能制热阶段、蓄热器蓄热阶段和蓄热器放热阶段三个阶段组成。由于本项目旨在研究低温相变蓄热装置蓄放热性能，故太阳能制热阶段不再赘述。为保持实验的连续性，维持蓄热过程相对稳定的温度，实验系统设置有蓄热水箱，并在蓄热水箱上装有电加热器，以满足实验期间太阳能光照不足时系统蓄热过程的用热需求。蓄热阶段：蓄热水箱内太阳能系统制取的高温水（50~62 ℃），在蓄放热循环泵的作用下在蓄热器翅片盘管内流动，与相变蓄热材料进行热量交换。高温水热量最终以相变潜热和显热形式储存在相变蓄热材料中。放热阶段：室内散热末端内的供暖水在蓄放热循环泵的作用下在蓄热器翅片盘管内流动，供暖回水吸收储存在相变材料中的热量被加热到一定温度，再进入室内散热末端，将热量传递到室内。2结果与分析2.1蓄热装置性能分析相变传热问题的控制方程以连续性假设为基础，并假定相变蓄热材料的每相都是均匀、各向同性的。蓄、放热过程热量的计算式为[10]：Q=cp,fVρf∫0t[Tin(τ)-Tout(τ)]dτ (1)式中：Q——蓄、放热量(kJ)；Cp, f——水的比热[kJ/（kg▪K）]；V——体积流量(m3/s);ρf——循环水的密度(kg/m3)；t——蓄放热时间(s)。当蓄热过程蓄热器内熔盐平均温度与蓄热器出水温度Tout(τ)趋于一致、放热过程蓄热器内熔盐平均温度与蓄热器进水温度Tin(τ)一致时，认为蓄放热过程结束；Tin(τ)和Tout(τ)分别为循环水入口温度和出口温度（℃）。蓄、放热量为蓄热器可储存或释放的总热量。低温相变蓄热材料一般存在一定的过冷度，导致放热过程中蓄热装置出水温度达不到蓄热材料的熔化温度；并且随着放热时间的增加，蓄热装置的出水温度逐渐降低。为了更好地反映蓄热装置的蓄放热完善程度，定义系统的有效放热量，为放热过程中蓄热装置出水温度高于tc时总的放热量，即：QC=cp,fVρf∫0tc[Tin(τ)-Tout(τ)]dτ (2)式中：Qc——蓄热器有效放热量(kJ)；tc——蓄热器放热过程中蓄热器出水温度(℃)；Tout(τ)——高于35 ℃时的时间(s)。2.2结果与讨论本研究结合建筑实际用热需求，对蓄热器循环水入口温度及系统循环次数对蓄热装置的蓄放热性能的影响进行了讨论。2.2.1循环水入口温度对蓄热装置蓄热性能的影响本项目的实验设计工况为：在不同的蓄热过程中，循环水入口温度分别为50、56和62 ℃，蓄热装置入口循环水体积流量保持不变，均为0.845 m³/h。在实验过程中实时记录装置内熔盐的不同截面温度，取其平均值。为了尽量使相变材蓄热料充分完成蓄热过程，本实验蓄热过程所有工况均进行150 min。不同循环水入口温度对蓄热装置蓄热性能的影响如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.006.F003图3循环水入口温度对蓄热装置蓄热性能的影响由图3可知，按照相变蓄热材料的升温速率，整个蓄热过程大致可分为3个阶段：蓄热初期的快速升温阶段、蓄热中期的温度平稳阶段及蓄热末期的快速升温阶段。在蓄热的第一个阶段，热量传递方式以导热为主，热量主要以显热的形式储存在固态相变蓄热材料中，故相变蓄热材料温度升温迅速，为固态显热蓄热阶段。在蓄热的第二个阶段，蓄热材料温度变化较小，但却储存了整个蓄热过程的大部分热量，主要是由于该阶段蓄热材料温度逐渐接近熔化点并开始以潜热的形式存储大量热量，为相变潜热蓄热阶段。在蓄热的第三个阶段，蓄热材料温度升高较快，主要是由于在该阶段蓄热材料几乎全部熔化，热量开始以显热的形式储存在液相蓄热材料，热量传递方式又恢复以导热为主的液态显热蓄热阶段。通过对比不同循环水入口温度的蓄热材料各测点平均温度随时间变化曲线可以发现，在保持循环水量不变的条件下，循环水入口温度越高，相变蓄热材料完全熔化所需时间越少。循环水入口温度为50、56、62 ℃时相变蓄热材料完全熔化所需时间分别为120、75、40 min，说明循环水入口水温越高对蓄热材料的熔化过程影响越大。因此，对于工程中实际运用的低温相变蓄热装置而言，热源温度越高，越有利于蓄热装置蓄热过程，蓄热效率就越高。2.2.2循环次数增加对蓄热装置蓄、放热性能的影响利用搭建的蓄放热系统，将太阳能系统制取的高温水将热量存储于相变蓄热装置，放热阶段将储存在相变蓄热装置中的热量通过室内散热末端传递到室内。本项目进行了10个蓄放热循环实验，以考察循环次数增加对蓄热装置蓄、放热性能的影响。放热过程中有效放热量及放热时间随循环次数增加的变化如图4所示。由图4可知，在10个蓄放热循环过程中，随着循环次数的增加，蓄热装置的总蓄热量及有效蓄热量均无明显的衰减；有效放热量占装置总放热量的比例一直高于84.3%；总放热时间均高于11.1 h，有效放热时间均高于8.3 h，说明蓄热装置循环蓄、放热性能较好，可以满足较长时间房间的用热需求。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.006.F004图4有效放热量及放热时间随循环次数增加的变化蓄热装置在蓄放热过程中熔盐平均温度随循环次数增加的变化如图5所示。为了表述方便，本实验将蓄热过程中熔盐平均温度与放热过程中熔盐平均温度的差值定义为循环过冷度。由图5可知，在10个蓄放热循环过程中，熔盐蓄热、放热过程平均温度波动较小，蓄热过程熔盐平均温度一般在44~46 ℃；放热过程熔盐平均温度一般在36~38 ℃，循环过冷度一般在7.3~8.6 ℃。循环过冷度略大，导致装置出水温度不高，一定程度上限制了蓄热装置的供热适应性。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.006.F005图5蓄放热过程熔盐平均温度随循环次数增加的变化3结语本项目设计搭建了一套与太阳能供热系统联用的低温相变蓄热装置，低温相变蓄热装置采用相变温度为47 ℃的相变材料，利用白天存储的太阳能集热系统采集的热量，在夜间为单个实验室房间供暖，并完成了10个完整的蓄放热过程实验。（1）按照相变蓄热材料的升温速率，整个蓄热过程大致可分为固态显热蓄热、相变潜热蓄热及液态显热蓄热三个阶段。固态显热蓄热阶段及液态显热蓄热阶段蓄热材料升温迅速、时间较短，相变潜热蓄热阶段蓄热材料温度变化较小，且存储了大部分热量。（2）在保持循环水量不变的条件下，循环水入口温度越高，相变蓄热材料完全熔化所需时间越少。对于工程中实际运用的低温相变蓄热装置而言，热源温度越高，越有利于蓄热装置蓄热过程，蓄热效率越高。（3）在10个蓄放热循环过程中，随着循环次数的增加，蓄热装置的总蓄热量及有效蓄热量均无明显的衰减；且有效放热量占装置总放热量的比例一直高于84.3%；总放热时间均高于11.1 h，有效放热时间均高于8.3 h，说明蓄热装置循环蓄、放热性能较好，可以满足较长时间段房间的用热需求。（4）在10个蓄放热循环过程中，熔盐蓄热、放热过程平均温度波动较小，蓄热过程熔盐平均温度一般在44 ~46 ℃，放热过程熔盐平均温度一般在36 ~38 ℃，循环过冷度一般在7.3 ~8.6 ℃之间。循环过冷度略大，导致装置出水温度不高，一定程度上限制了蓄热装置的供热适应性。