相变储能水箱研究综述

来源：SCI期刊网 分类：经济论文 时间：2022-05-09 09:39 热度：

　　摘要：对近些年来相变储能水箱的研究进行了回顾，根据相变储能水箱外观结构、相变材料安装方式、换热方式和辅助热源布置方式的不同，对相变储能水箱进行了分类。对相变储能水箱的热工性能、影响因素、研究方式和实验结论等进行了整理和分析，并归纳了不同材料结构和运行工况对相变储能水箱性能的影响，指出了目前相变储能水箱研究内容的不足。

　　关键词：相变储能水箱;相变材料;蓄热量;蓄热时间;热分层

　　0 引言

　　随着太阳能、风能、空气能等清洁能源 的 开 发和利用，全球对煤炭等化石能源的需求逐年降低，空气质量得到极大改善，节能减排已成为社会发展的重中之重。其中以太阳能为首的可再生能源，因为其清洁无污染、量大可再生等优势，受到了全世界的广泛关注。但在其推广和使用中仍然包含着许多问题，供给与需求的不匹配便是其中之一。以太阳能为例，建筑供热系统通过太阳能集热器收集热量来满足用户对热量的需求，但由于受到天气和地理条件的制约，使得太阳能的利用具有不稳定性和间断性，具体表现为时间上的差异和数量上的波动[1]。太阳能的收集只能在日间进行，而对收集到的热量 的 使 用 通 常 是 全 天 的。此 外，由 于 天 气 变化、季节交替等环境原因，太阳能在一天当中的收集量是不固定的，而建筑的热能使用量却相对保持不变，因此 需 要 一 种 储 能 装 置 将 多 余 热 量 储 存 起来，并在需要的时候释放，从而实现供需平衡。相变储能 水 箱 是 一 种 在 传 统 水 箱 中 加 入 相 变 材 料(PCM)，以水 和 PCM 作 为 蓄 热 介 质，通 过 显 热 蓄热和潜热蓄热的方式来进行热量储存的装置。相变储能水箱的工作原理主要分为蓄热和放热2个过程，每个过程参考相变蓄热器的蓄放 热 阶 段[2]，又可分为显热、潜热及显热3个阶段。对于只含有PCM 的装置，蓄放热过程只进行潜热的储存和释放。相变储能水箱具有换热和蓄热能力，与相变储能换热器相比，相变储能水箱中的水既作为换热流体又作为储能工质，而后者中的水则主要作为换热流体;与相变蓄热器相比，两者并无太大差别，但相变储能水箱承担着水箱的作用，而相变蓄热器则通常需要与水箱联合供热。由于相变储能水箱与传统水箱相比具有放热时间长、蓄热量大、水箱内热分层效果好等特点[39]，因而得到了广泛应用。相变储能水箱在供热系统中使用广泛，形式众多，但尚无明确分类。本文通过对近几年来文献中有关相变储能水箱的研究内容进行分类整理，对相变储能水箱进行分类，分析介绍不同类型水箱的蓄放热性能，并对未来相变储能水箱的研究方向作出设想和展望。

　　1 相变储能水箱分类

　　相变储能水箱可依据结构等进行不同的分类，如图1所示。根据其箱体外观结构可大体分为圆柱形和长方体形2类。

　　根据其相变材料的安装方式可分为封装式和贴附式。其中封装式是指利用宏封装方式，将相变材料装入封装单元后放入水箱内的热媒中。另外封装式水箱因封装单元形状不同又可分为圆柱型[10]、球型[11]、板型[12]、波纹型[13]等。根据排列方式的不同可分为顺序排列式和交错排列式。贴附式是指将相变材料置于贴附在侧壁上的封装板中。

　　根据换热方式不同可分为直接换热式和间接换热式。直接换热是指热媒直接流入相变储能水箱，与水箱内的水混合并与相变材料换热后流出，热源侧、用户侧及水箱共用一种热媒;间接换热是指水箱内的 水 与 供 热 系 统 内 的 热 媒 分 开，互 不 掺混，系统热媒通过换热盘管与水箱换热。

　　根据辅助热源的布置方式可分为内嵌式和外置式。其中内嵌式是指在水箱内部嵌入电加热器等辅助热源，当箱体内水温较低时为其加热;外置式是指将辅助热源布置在水箱外，加热水箱内流出的热媒。

　　2 相变储能水箱性能研究

　　在相变储能水箱的实验研究和实际应用中，圆柱形和长方体形水箱较为常见。当水箱外形为圆柱形时，相 变 材 料 的 布 置 可 以 为 贴 附 箱 壁 的 贴 附式，也可为顺序排列或交错排列的封装式，但交错排列居多且具有更好的热工性能。当水箱外形为长方体形时，相变材料的布置除上述方式外还可以有折流板型。至于封装单元的形状，则主要以圆柱型、板型和球型为主。

　　对相变储能水箱性能的研究主要是对水箱的蓄放热性能进行分析。主要包括两方面：一是对相变材料种类、用量、位置高度、封装材料种类、封装形式及水箱内部结构的研究，为材料结构研究;二是对水箱在不同运行工况下特性的研究，为运行工况研究。如图2所示。

　　2.1 材料结构研究

　　国内外诸多学者在进行相变储能水箱与传统水箱的对比研究中发现，在储能水箱中加入相变材料后可以有效地缩短蓄热时间、增加蓄热量，同时延长了放热时间，增加了放热量。相变储能水箱能够同时进行显热储存和潜热储存，并实现大跨度的间歇供暖[14]。汪 玺 等 人 的 研 究 表 明，在 用 热 量 相同的情况下，使用相变材料可以减小水箱体积，节约制造成本，节省建筑空间，具备较高的经济性[6]。

　　相变材料的选择对相变储能水箱的性能有着显著的影响。相变材料可依据相变形式进行分类，目前常用的相变材料主要为固固相变材料和固液相变材料[1517]。由于固液相变材料具有蓄热密度大和温度波动小等诸多优点，因此常被选用在相变储能水箱中。但其仍存在易泄漏、过冷和相分离等缺点。Mazman等人研究了3种复合型相变材料，即石蜡和硬脂酸(PS)、石蜡和棕榈酸(PP)、硬脂酸和肉豆蔻酸(SM)对水箱的影响。结果表明，石蜡和硬脂酸(PS)对系统的热性能增强效果最好[7]。Qin等人研究了3种不同的非复合相变材料，即低熔点金属、三水合乙酸钠和石蜡。研究发现，相变材料的导热系数越大，水箱释放的能量就越多，低熔点金属的导热性好，具有较好的性能[18]。此外，在 复 合 型 与 非 复 合 型 相 变 材 料 的 对 比 研 究 中，Nkwetta等 人 利 用 TRNSYS 进 行 模 拟，研 究 了90%三水乙酸钠+10%石墨、100%工 业 级 颗 粒 石蜡、RT58-Rubitherm 对水箱蓄放热性能的影 响，得出90%三水乙酸钠+10%石墨效果最好[19]。表1对近年来国内外学者研究采用的相变材料类型及其物性进行了归纳总结，可以看出相变储能水箱多采用有机固液相变材料，其中以石蜡应用较多。所选相变材料的相变温度多在40～60℃之间。此外，各种复合相变材料正逐渐被制备、研究，其往往具有更好的热性能。

　　相变材料的用量也是影响相变储能水箱性能的重要因素。于海 涛 等 人 的 研 究 表 明，随 着 PCM蓄热单元体积的增大，水箱放热时间延长，放热量增加，放热 效 率 也 随 之 提 高[24]。但这种提升是有限的，李慧星等人的研究指出，当相变材料的体积超过某临界值时，水箱的蓄放热效果会因相变材料无法完全融 化 而 下 降[37]。此 外，由于水箱体积一定，随着相变材料的不断增加，导致相变单元的位置间 距 发 生 变 化。Abdelsalam 等 人 分 析 了 不 同PCM 模块体积分数和间距对 水 箱 性 能 的 影 响，结果表明：当热边界层不被干扰时，水箱的热性能基本不受 PCM 间 距 的 影 响;水箱平均水温和 PCM与水的传热 系 数 随 着 PCM 体积分数的增大而降低;蓄 热 速 率 则 随 PCM 体 积 分 数 的 增 大 而 增 大，但当体积分数超过0.15时，便可以忽略其对蓄热速率的影响[28]。

　　相变材料的位置对改善水箱热分层、提高水箱利用率有着积极的作用，多位学者针对相变层位置对水箱性能的影响进行了研究。周利强等人对球型封装单元在水箱的不同位置高度进行了实验，探究了相变材料位置对水箱热分层效果的影响，即当水箱进水口位于底部时，相变球体的高度越低，热分层效 果 越 好[35]。Qin等 人 研 究 发 现，当 相 变 球体位置较低 时，相 变 材 料 融 化 更 完 全[18]。不 同 于上述实验研究，Nkwetta等人分析了冷水从一段由顶部延伸到底 部 的 管 道 进 入 水 箱 时，PCM 3种 位置(顶部、中间、底部)对水箱性能的影响。结果表明，PCM 布置在顶部时效果更好[19]。因此可以推测，水箱内的热分层效果与相变材料的位置有关，而相变材料的位置取决于水箱进水口位置。

　　相变储能水箱的相变材料通常被封装入蓄热单元中。封装单元的材料、尺寸及排列方式等同样对水箱性能有着一定的影响。如表1所示，封装单元的材料多为金属和聚氯乙 烯(PVC)。Reddy等人对3种 PCM 封装单元(高密度聚乙烯(HDPE)、铝(Al)和 低 碳 钢(MS))进 行 了 研 究，发 现 封 装 材料的改变对蓄热性能影响不明显[8]。在对 贴 附 式水箱的研究中，李安桂等人发现，水箱侧壁的相变材料在不同的倾斜角度下对水箱热性能有着不同的影响，当倾斜角度为105°时，由于底部靠近水箱外侧较难凝固的放热“死区”面积较小，此时放热性能最佳[36]。在封装式水箱中，封装单元以圆柱型、球型和 板 型 为 主，如 图 3 所 示[10，32，34]。圆 柱 型 单元，管径越大，封装影响因子越小[31]。封装单元交错排列时的水箱性能要优于顺序排列[25]。但曲世琳等人模拟发现，顺排时蓄热装置的出口温度比叉排时高[23]。由此 可 知，封 装 单 元 排 列 方 式 对 水 箱性能的影响仍需进一步研究。

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　　除上述对相变材料和封装单元的研究外，在相变储能水箱结构方面的设计改进也可以在一定程度上改善其蓄放热性能。例如，对换热方式的研究表明，水箱直接换热比间接换热的太阳能利用率更大，但间接 换 热 可 在 一 定 程 度 上 促 进 水 箱 的 热 分层，从而提 高 放 热 效 率[41]。Murali等 人 分 析 了 进水口位于侧壁和底侧时对水箱放热效果的影响，实验表明，带 扩 散 器 开 放 式 底 部 入 口 具 有 更 好 的 性能[13]。另外，在水 箱 内 装 配 均 流 板 能 起 到 一 定 的稳流作用，抑制水箱内温度局部过冷和过热，使装置内的流场分布更均匀，促进水箱热分层[26]。

　　2.2 运行工况研究

　　对于相变储能水箱运行工况的研究主要是对热媒进口流量和进口温度的分析。

　　热媒进口流量的变化会对水箱内的温度分布产生一定的影响。王登甲等人实验发现，传统水箱进水流速越 小，分 层 效 果 越 好，热 利 用 率 越 高[42]。而对相变储能水箱的研究所得结论与传统水箱不尽相同，Reddy等人研究表明：当进口流量较小时，传统水箱的分层程度大于相变蓄热水箱;而当流量增大时，扰动增强，相变材料对进口水流的稳流和分流作用更明显，从而使得传统水箱的分层程度小于相变储能水箱[8]。虽然流量的增大可以有效改善水箱内的分层效果，但当流量过大时，相变材料无法及时释放潜热，分层效果会变差[32]。同样，袁小永等人的研究指出，水流量的提升虽然可以促进对流换热，但 其 对 潜 热 释 放 是 不 利 的[43]。从 蓄 热方面看，流量增大，虽然会使得水箱的蓄热时间缩短，但流量的变化对蓄热性能影响不大，因为只有当从层流过渡到湍流时对流传热系数才会得到很大提高[2]。此外，相变储能水箱进口流速在蓄热时应尽量取大，放热时尽量取小[25]。

　　热媒进口温度也对水箱性能有着重要影响。显热储存的蓄热时间随着热媒进口温度的升高而延长，加入相变材料后蓄热时间随热媒进口温度的升高而缩短;显热储存的热分层只受热媒流量的影响，加入相变材料后水箱的热分层则同时受到热媒流量和进口温度的影响[9]。汪玺等人对相 变 储 能水箱的蓄热性能进行了分析，在蓄热时，较大的温差能加快相变材料的蓄热速率，但相变材料的潜热蓄热量是一定的，因此取热温差有一定的限值，当超 出 限 值 时，水 箱 就 会 失 去 相 变 潜 热 蓄 热 的 意义[22]。在水箱的 放 热 过 程 中，随着放热温差的增大，水箱放热时间延长，放热量增加，放热效率则随放热温差的增大而降低[24]。

　　3 新型相变储能水箱

　　根据相变 储 能 水 箱 以 上 的 诸 多 特 点，近 些 年来，许多新型的相变储能水箱被研发并投入使用。相变储能水箱的设计发明总体趋势可归结为对已有性能的合理利用和对水箱结构的增强设计。例如，由于水箱内存在热分层现象，王智平等人研发了一种内置相变储热材料的高效温度分层换热储能水箱，如图4所 示[44]。该 水 箱 中 放 置 了3层 换热盘管，将水箱温度分为了3层，从上到下依次为高温区、中温区、低温区。可以通过开启相应的水箱进出口从而满足对进水和供水不同的需求。该设计使得水箱内可以长时间维持热分层，提高了水箱的有效蓄热量。而在水箱结构设计方面，为了方便对蓄热装置进行维护和清理，以及对相变材料进行更换，朱庆国等人设计了一种插装式相变储热水箱，如图5所示[45]。此种水箱的内胆可以拆卸，便于水箱的维护和清理。同时，蓄热管的设置采用了螺旋延伸的方式，有效地提升了相变材料的储量和热效率。在强化相变材料与热媒的换热方面，卢敬霞等人发明 了 一 种 相 变 储 能 扩 容 水 箱，如 图 6 所示[46]。其相变储 能 单 元 为 一 种 内 肋 片 管，安 置 在均流板上，水通过均流板上的均流孔，在相变单元周围形成均匀绕流，使水流分布均匀，充分与相变材料接触，能在一定程度上提高换热效果。此外，刘馨等人设计了一种可变储热量的相变水箱，如图7所示[47]。该水箱内部安装有连杆装置，通过改变连杆上套筒的位置，改变储能棒的浸水深度，进而改变蓄热量，通过此种方式可使水箱适用于多种系统。——论文作者：冯国会☆ 王天雨△ 王 刚

文章名称：相变储能水箱研究综述

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