中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：本工作以Na2CO3-K2CO3/MgO為儲(chǔ)熱介質(zhì)，采用模塊化集成思路建立了加熱功率100 kW的電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。采用物理方法制備復(fù)合儲(chǔ)熱材料，借助掃描電子顯微鏡技術(shù)(SEM)和差示掃描量熱法(DSC)等表征測(cè)試手段分析了復(fù)合儲(chǔ)熱材料的組分分布與儲(chǔ)熱特性。基于儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程的時(shí)間-溫度測(cè)試曲線引入儲(chǔ)熱/放熱進(jìn)度函數(shù)，并通過(guò)研究系統(tǒng)不同位置儲(chǔ)熱模塊的進(jìn)度函數(shù)曲線變化趨勢(shì)，闡明了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱/放熱過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)熱過(guò)程中熱風(fēng)熱量的傳遞是從儲(chǔ)熱模塊中心向頂部聚集，再逐漸向四周擴(kuò)散；而放熱過(guò)程中冷風(fēng)吸熱是沿風(fēng)道方向從前部模塊的中心，依次向前部模塊、中部模塊與后部模塊的表面進(jìn)行。中部與后部?jī)?chǔ)熱模塊內(nèi)的熱量從中心向底部、側(cè)部和頂部等表面區(qū)域傳遞后向四周擴(kuò)散。對(duì)基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的進(jìn)度函數(shù)變化進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)以復(fù)合相變材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)系統(tǒng)具有更快的儲(chǔ)熱和放熱進(jìn)程。系統(tǒng)的供熱水溫度設(shè)定為70～80 ℃，復(fù)合相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的穩(wěn)定供熱時(shí)間為1100 min，比鎂鐵氧化物儲(chǔ)熱系統(tǒng)提高了37.5%。本項(xiàng)工作有助于推動(dòng)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，為研究電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)換熱過(guò)程提供參考依據(jù)。
當(dāng)前我國(guó)熱能供應(yīng)方式主要以消耗化石能源的燃煤鍋爐為主，然而大量化石燃料的燃燒不僅產(chǎn)生過(guò)多的二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致全球氣候變暖；同時(shí)其排放的化學(xué)污染物和粉塵進(jìn)一步造成了大氣污染。因此，近年來(lái)國(guó)家大力倡導(dǎo)采用可再生能源逐步替代化石能源。然而可再生能源如太陽(yáng)能和風(fēng)能等存在間歇性和不穩(wěn)定性，無(wú)法滿足用戶對(duì)能源的穩(wěn)定可控需求，從而限制了其大規(guī)模利用。儲(chǔ)能技術(shù)是連接能源供需兩側(cè)的橋梁和紐帶，可以實(shí)現(xiàn)能源的“斷點(diǎn)續(xù)傳”，有助于消納棄光棄風(fēng)，助力提高可再生能源應(yīng)用比例，同時(shí)也可以提高能源系統(tǒng)的可靠性、靈活性，有利于工業(yè)過(guò)程降耗提效。熱能是整個(gè)能源鏈的核心，全球能源預(yù)算的90%都圍繞著熱量的轉(zhuǎn)換、傳輸和儲(chǔ)存。因此，作為儲(chǔ)能技術(shù)中的一個(gè)重要方向，儲(chǔ)熱技術(shù)在近年來(lái)得到了快速發(fā)展。儲(chǔ)熱技術(shù)依據(jù)儲(chǔ)熱原理差異可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱(相變)儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。其中相變儲(chǔ)熱技術(shù)具有較高的儲(chǔ)熱密度、較低的儲(chǔ)熱成本且已具備商業(yè)化應(yīng)用的條件，有望在大規(guī)模清潔能源供熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，也稱固體蓄熱電鍋爐或蓄熱式電鍋爐，其主要原理為把電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱介質(zhì)內(nèi)，在需要時(shí)通過(guò)熱交換對(duì)外供熱。為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和減小占地面積，其儲(chǔ)熱介質(zhì)的最高儲(chǔ)熱溫度一般為400～800 ℃。近年來(lái)隨著新能源電力占比的逐步增加，電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)在清潔供熱領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，并對(duì)清潔能源消納和電網(wǎng)調(diào)峰等作出了巨大貢獻(xiàn)。尹浩等提出了基于高密度復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料電熱鍋爐的分時(shí)配比供熱系統(tǒng)，結(jié)合冬季供熱的負(fù)荷系數(shù)隨室外環(huán)境溫度的變化規(guī)律，提出了分時(shí)配比供熱系統(tǒng)的優(yōu)化原則。結(jié)合城市供熱的示范工程，研究發(fā)現(xiàn)分時(shí)配比供熱系統(tǒng)與全蓄熱式供熱系統(tǒng)相比初始投資節(jié)省33%，與傳統(tǒng)直熱式電鍋爐相比運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省46%。劉圣冠等針對(duì)不同蓄熱介質(zhì)的蓄熱式電鍋爐的供熱進(jìn)行了比較分析，并通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用證明了蓄熱式電鍋爐供熱技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和風(fēng)電消納潛力。吳佳睿等設(shè)計(jì)了一種高溫相變蓄熱電鍋爐以代替市政熱水的應(yīng)急系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)熱水產(chǎn)量為100 t/d，不僅可承受用水高峰時(shí)段帶來(lái)的壓力，而且相比利用市政蒸汽加熱生活用水的方式具有明顯成本優(yōu)勢(shì)。
本工作采用模塊化集成思路搭建加熱功率100 kW的電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，并基于儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程的時(shí)間-溫度測(cè)試曲線，引入儲(chǔ)熱/放熱進(jìn)度函數(shù)以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)/放熱性能。通過(guò)研究系統(tǒng)不同位置儲(chǔ)熱模塊的進(jìn)度函數(shù)曲線變化趨勢(shì)以闡明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱/放熱過(guò)程。同時(shí)，對(duì)基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的進(jìn)度函數(shù)變化進(jìn)行比較分析并通過(guò)供熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)在大規(guī)模清潔供暖領(lǐng)域的應(yīng)用建立基礎(chǔ)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱性能評(píng)價(jià)
1.1 儲(chǔ)熱材料制備和表征
電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)熱介質(zhì)為復(fù)合相變材料。復(fù)合相變材料由Na2CO3-K2CO3和氧化鎂組成，首先，按照一定比例稱量150 ℃充分干燥后的Na2CO3與K2CO3球磨30 min，隨后將特定質(zhì)量比的氧化鎂加入球磨罐后繼續(xù)球磨，直至復(fù)合材料為顏色均一的粉末；然后，再向復(fù)合相變材料粉末中加入少量去離子水進(jìn)行捏合造粒；最后，復(fù)合物在25 MPa的壓力下成型后，于窯爐中以5 ℃/min的升溫速率升至750 ℃并恒溫3 h，再自然冷卻至室溫，得到復(fù)合相變磚(圖1)。
圖1 復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚的制備工藝
復(fù)合相變磚的微觀形貌采用日本HITACHI公司的S4800掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行成像。圖2為復(fù)合相變磚的SEM圖。SEM圖表明復(fù)合相變磚表面存在部分缺陷，這是由于儲(chǔ)熱磚成型的脫模過(guò)程導(dǎo)致的。分別以Na、K和Mg作為Na2CO3、K2CO3和MgO的特征元素得到元素分布圖，可以看出本制備工藝條件下復(fù)合材料內(nèi)各組分分布較為均勻。復(fù)合相變磚的相變溫度、潛熱等參數(shù)通過(guò)法國(guó)Setaram公司的DSC131 evo差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行測(cè)定。圖3為復(fù)合鹽Na2CO3-K2CO3和復(fù)合相變磚的DSC測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯瑥?fù)合鹽與MgO復(fù)合后，相變溫度變化較小，而潛熱明顯下降，復(fù)合相變磚的相變溫度為702 ℃，潛熱為102.4 J/g。為了比較不同蓄熱介質(zhì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱性能的影響，本研究選擇了鎂鐵氧化物儲(chǔ)熱磚作為系統(tǒng)的另一種儲(chǔ)熱介質(zhì)。兩種儲(chǔ)熱磚的性能參數(shù)見表1。
圖2 復(fù)合相變材料的SEM測(cè)試結(jié)果
圖3 復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚與Na2CO3-K2CO3復(fù)合材料的DSC曲線
表1 儲(chǔ)熱材料的性能參數(shù)
1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成包括電加熱器、儲(chǔ)熱模塊、循環(huán)風(fēng)機(jī)、換熱器、水泵和冷卻塔(模擬熱用戶)，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。主要運(yùn)行原理為：低谷電時(shí)段，系統(tǒng)內(nèi)的電加熱器利用低谷電將電能轉(zhuǎn)換為熱能，以空氣作為傳熱介質(zhì)，變頻風(fēng)機(jī)將電加熱器轉(zhuǎn)換的熱量存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱模塊內(nèi)的復(fù)合相變材料中，同時(shí)部分循環(huán)空氣被電加熱器加熱后流經(jīng)換熱器實(shí)現(xiàn)向供熱管網(wǎng)的熱力輸送。用電高峰時(shí)段，關(guān)閉電加熱模塊，利用經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓的空氣將復(fù)合相變材料內(nèi)的熱量釋放，在換熱器處將循環(huán)水加熱以持續(xù)滿足供熱需求。
圖4 電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖
本研究中，基于流程圖搭建了加熱功率100 kW的電熱相變儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，見圖5。其中，系統(tǒng)中電加熱器與儲(chǔ)熱模塊之間采用分離式布置，熱用戶則通過(guò)冷卻塔進(jìn)行模擬，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。系統(tǒng)采用380 V電壓供電，電加熱器表面最大溫升830 ℃，最大儲(chǔ)熱容量1 MWh；系統(tǒng)以循環(huán)水的形式輸出熱能，水系統(tǒng)管徑為DN25，流量為0.85 m3/h，流速為0.5 m/s，熱水換熱器輸出功率30 kW，供熱水溫度為70～80 ℃，回水溫度為40～50 ℃，供熱循環(huán)水溫差30 ℃；儲(chǔ)熱箱體尺寸：3620 mm×1280 mm×1380 mm，采用內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為巖棉(厚度150 mm)，散熱量低于3%；循環(huán)風(fēng)機(jī)采用變頻控制，頻率調(diào)節(jié)范圍5～50 Hz，功率4 kW，最大風(fēng)量1800 m3/h，最大風(fēng)壓3.5 kPa。
圖5 電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物圖
表2 電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)
儲(chǔ)熱箱體內(nèi)儲(chǔ)熱模塊由相互交錯(cuò)搭接的儲(chǔ)熱磚組成，按照空氣流向劃分為前部、中部和后部?jī)?chǔ)熱體。對(duì)于每個(gè)儲(chǔ)熱體，在其橫截面?zhèn)鹊牟煌恢玫膬?chǔ)熱磚內(nèi)設(shè)置了溫度測(cè)點(diǎn)，分別為側(cè)部(A)、頂部(B)、中心(C)和底部(D)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示，所有測(cè)點(diǎn)之間的直線距離均為345 mm。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量各儲(chǔ)熱體不同位置的溫度變化，測(cè)量?jī)?chǔ)熱模塊不同位置的儲(chǔ)/放熱進(jìn)程。
圖6 儲(chǔ)熱模塊截面溫度測(cè)點(diǎn)分布
A：側(cè)部；B：頂部；C：中心；D: 底部
1.3 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱性能評(píng)價(jià)
為了確定復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚的相變溫度區(qū)間，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)放熱實(shí)驗(yàn)前，本工作首先對(duì)復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚進(jìn)行靜態(tài)加熱升溫與自然冷卻降溫實(shí)驗(yàn)，使用高溫馬弗爐將復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚加熱至800 ℃并保溫一段時(shí)間，之后關(guān)閉馬弗爐使其在爐內(nèi)自然冷卻降溫，加熱與降溫曲線如圖7所示。復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚在升溫過(guò)程和降溫過(guò)程中都能在700 ℃附近觀察到明顯的相變等溫過(guò)程，熔化的起始溫度為684 ℃，終止溫度為711 ℃，復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚的儲(chǔ)熱過(guò)程包括顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱兩個(gè)部分，在加熱過(guò)程中儲(chǔ)存大量熱量。
圖7 復(fù)合相變儲(chǔ)熱磚的加熱與降溫曲線
對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱與放熱特性評(píng)估一般方法是建立溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)曲線可以直觀顯示系統(tǒng)儲(chǔ)熱或放熱的進(jìn)程。然而對(duì)于溫度和時(shí)間起止點(diǎn)并不相同的儲(chǔ)放熱過(guò)程，僅通過(guò)時(shí)間-溫度曲線難以比較其動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱/放熱性能的優(yōu)劣。因此在本項(xiàng)研究中，引入了進(jìn)度函數(shù)Q以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)/放熱性能，見式(1)～(4)。進(jìn)度函數(shù)定義為在一個(gè)儲(chǔ)/放熱時(shí)間周期內(nèi)，當(dāng)前溫度和終止溫度的溫差與過(guò)程起止溫差之間的比值，反映了系統(tǒng)的實(shí)際儲(chǔ)/放熱進(jìn)程。圖8為典型的進(jìn)度函數(shù)-時(shí)間函數(shù)(Q-t)曲線圖。圖中表明，儲(chǔ)熱和放熱進(jìn)程函數(shù)的數(shù)值區(qū)間為[0，1]，初始值為1，隨著儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程的進(jìn)行而下降至0。根據(jù)函數(shù)定義可得，儲(chǔ)熱或放熱進(jìn)程函數(shù)數(shù)值越小，儲(chǔ)熱或放熱過(guò)程的進(jìn)程越快，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱或放熱性能越好。
圖8 典型的進(jìn)度函數(shù)-時(shí)間函數(shù)(Q-t)曲線
式中，Qs和Qe分別為儲(chǔ)熱或放熱過(guò)程的進(jìn)度函數(shù)，數(shù)值區(qū)間為[0，1]；T、Tmax、Tmin分別為儲(chǔ)/放熱過(guò)程的瞬時(shí)溫度、最高溫度和最低溫度；t、Δts、Δte分別表示儲(chǔ)/放熱過(guò)程時(shí)間、總儲(chǔ)熱時(shí)間和總放熱時(shí)間；ts和te分別為儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程的時(shí)間函數(shù)，數(shù)值區(qū)間為[0，1]。
2 結(jié)果與討論
2.1 儲(chǔ)熱模塊的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)(放)熱性能研究
在循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，熱風(fēng)從電加熱器側(cè)經(jīng)儲(chǔ)熱模塊向換熱器側(cè)流動(dòng)，其熱量依次被前部、中部和后部的儲(chǔ)熱體吸收，在不同儲(chǔ)熱體中形成了溫度梯度，這導(dǎo)致了其儲(chǔ)/放熱進(jìn)程的差異。圖9為儲(chǔ)熱模塊儲(chǔ)熱過(guò)程的進(jìn)度函數(shù)曲線。由圖可知，在一個(gè)儲(chǔ)熱時(shí)間周期內(nèi)，前部、中部和后部?jī)?chǔ)熱體的儲(chǔ)熱進(jìn)程并不一致。前部?jī)?chǔ)熱體中心位置的儲(chǔ)熱材料具有更快的儲(chǔ)熱進(jìn)程，而其頂部、底部和側(cè)面儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱進(jìn)程相對(duì)較慢；對(duì)于中部和后部?jī)?chǔ)熱體，與前部?jī)?chǔ)熱體相比，頂部?jī)?chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱進(jìn)程變化較小，而其他位置儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱進(jìn)程逐漸變慢并趨于一致。由此可以推測(cè)，熱風(fēng)的熱量在儲(chǔ)熱初始階段主要在儲(chǔ)熱模塊中心部位進(jìn)行傳遞，隨著傳熱時(shí)間的延長(zhǎng)先向頂部聚集，再逐漸向四周擴(kuò)散。
圖9 儲(chǔ)熱模塊儲(chǔ)熱過(guò)程的進(jìn)度函數(shù)變化
圖10為儲(chǔ)熱模塊放熱過(guò)程的進(jìn)度函數(shù)曲線。在一個(gè)放熱時(shí)間周期內(nèi)，前部?jī)?chǔ)熱體中心位置的儲(chǔ)熱材料具有更快的放熱進(jìn)程，底部、側(cè)面和頂部?jī)?chǔ)熱材料的放熱進(jìn)程依次下降；隨著放熱過(guò)程的進(jìn)行，與前部?jī)?chǔ)熱體相比，中部和后部?jī)?chǔ)熱體所有位置的放熱進(jìn)程均變慢；其中中部?jī)?chǔ)熱體底部的放熱進(jìn)程快于其他位置，儲(chǔ)熱體側(cè)部、中心和頂部的放熱進(jìn)程減緩明顯并逐漸趨于一致；對(duì)于后部?jī)?chǔ)熱體，底部放熱進(jìn)程較快，而頂部呈現(xiàn)放熱進(jìn)程先增快后減緩的趨勢(shì)，側(cè)部和中心的放熱進(jìn)程相對(duì)較慢最終趨于一致。由此可以推測(cè)，對(duì)于前部?jī)?chǔ)熱模塊，放熱過(guò)程中冷風(fēng)吸熱的過(guò)程是從儲(chǔ)熱模塊中心向底部聚集，隨傳熱時(shí)間的延長(zhǎng)，再緩慢向四周進(jìn)行吸熱。對(duì)于中部和后部?jī)?chǔ)熱模塊，由于風(fēng)道被前部模塊遮擋，冷風(fēng)從模塊四周進(jìn)行吸熱，模塊內(nèi)部的熱量由中心向四周傳遞。
圖10 儲(chǔ)熱模塊放熱過(guò)程的進(jìn)度函數(shù)變化
在一個(gè)放熱時(shí)間周期內(nèi)，前部中心位置的復(fù)合相變磚具有更快的放熱進(jìn)程，而底部、側(cè)面和頂部?jī)?chǔ)熱材料的放熱進(jìn)程依次減慢；隨著放熱過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，與前部?jī)?chǔ)熱體相比，中部和后部所有位置的復(fù)合相變磚的放熱進(jìn)程均變慢；其中底部位置復(fù)合相變磚的放熱進(jìn)程快于其他位置，其他位置的復(fù)合相變磚的放熱進(jìn)程減緩明顯并逐漸趨于一致。由此可以推測(cè)，三個(gè)儲(chǔ)熱模塊從前到后依次進(jìn)行放熱，而儲(chǔ)熱模塊內(nèi)的熱量先從中心依次向底部、側(cè)部和頂部傳遞，再隨熱空氣帶入換熱器中。
2.2 儲(chǔ)熱材料對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)(放)熱性能的影響
圖11為分別基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物兩種儲(chǔ)熱介質(zhì)的系統(tǒng)儲(chǔ)熱模塊的進(jìn)度函數(shù)曲線。實(shí)驗(yàn)中選擇儲(chǔ)熱模塊中部?jī)?chǔ)熱體的中心部位進(jìn)行溫度測(cè)量，并通過(guò)式(1)～(4)轉(zhuǎn)換為進(jìn)度函數(shù)。由圖可知，基于復(fù)合相變材料的儲(chǔ)熱體具有更快的儲(chǔ)熱和放熱進(jìn)程，表明復(fù)合相變材料的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)/放熱性能優(yōu)于鎂鐵氧化物。
圖11 不同儲(chǔ)熱材料對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)(放)熱進(jìn)度函數(shù)的影響
在相同系統(tǒng)操作條件下，采用鎂鐵氧化物和復(fù)合相變材料分別作為儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行供熱實(shí)驗(yàn)，為了充分利用儲(chǔ)熱介質(zhì)的相變潛熱與顯熱，將蓄熱介質(zhì)的最高加熱溫度設(shè)置為800 ℃，設(shè)定供熱水溫度為70～80 ℃，循環(huán)水溫差為30 ℃，兩種材料的質(zhì)量均為3 t。鎂鐵氧化物與復(fù)合相變材料的總儲(chǔ)熱量分別參考公式(5)、(6)進(jìn)行計(jì)算。
其中，Qoxide與QPCM分別為鎂鐵磚氧化物與復(fù)合相變材料的總儲(chǔ)熱量；moxide與mPCM分別為鎂鐵磚氧化物與復(fù)合相變材料的質(zhì)量，均為3 t；Cp,oxide、Cp,s與Cp,l分別為鎂鐵磚氧化物的固態(tài)比熱容、復(fù)合相變材料的固態(tài)比熱容與液態(tài)比熱容；Tmax、Tmin、TPCM,initial與TPCM,termination分別為儲(chǔ)熱介質(zhì)的最高溫度、最低溫度、復(fù)合相變材料的相變起始溫度與相變終止溫度；ΔH為復(fù)合相變材料的相變潛熱。以此計(jì)算，當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)加熱至800 ℃時(shí)，相比于鎂鐵磚氧化物，復(fù)合相變材料的總儲(chǔ)熱量提高31.8%。
如圖12所示，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎂鐵氧化物作為儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)，供暖循環(huán)水溫差迅速達(dá)到設(shè)定值，但起始階段有較大波動(dòng)，穩(wěn)定供熱800 min后供熱能力下降。當(dāng)復(fù)合相變材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)，供熱循環(huán)水溫差緩慢達(dá)到設(shè)定值且無(wú)較大波動(dòng)，穩(wěn)定供熱時(shí)間達(dá)到1100 min，比以鎂鐵氧化物作為儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)提高37.5%，與總儲(chǔ)熱量提高值接近，表明與鎂鐵氧化物儲(chǔ)熱系統(tǒng)相比，以復(fù)合相變材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更好的供熱性能。
圖12 基于不同儲(chǔ)熱材料的電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的供熱能力比較
熱效率是儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)熱、放熱效果評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱效率參考公式(7)～(9)進(jìn)行計(jì)算。
式中，η為系統(tǒng)的熱效率；Ql與Qh分別為供熱系統(tǒng)輸出熱水的放熱量與系統(tǒng)蓄熱過(guò)程電加熱裝置的用電量；Cp,water為水的比熱容；mwater為輸出熱水的質(zhì)量；ΔTwater為供熱循環(huán)水的加熱溫差；tout與tin分別為系統(tǒng)穩(wěn)定供熱水時(shí)間與系統(tǒng)的蓄熱時(shí)間；P為電加熱裝置的加熱功率。以此計(jì)算使用復(fù)合相變材料與使用鎂鐵磚作為蓄熱介質(zhì)的系統(tǒng)熱效率分別為94.84%與93.31%，說(shuō)明更換蓄熱介質(zhì)對(duì)于系統(tǒng)自身的熱效率幾乎沒有影響。
3 結(jié)論
本工作通過(guò)模塊化集成思路建立了加熱功率100 kW的電熱相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。基于儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程的時(shí)間-溫度測(cè)試曲線引入了儲(chǔ)熱/放熱進(jìn)度函數(shù)以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)/放熱性能，并對(duì)基于復(fù)合相變材料和鎂鐵氧化物的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的進(jìn)度函數(shù)變化進(jìn)行了比較分析，得出以下結(jié)論：
（1）基于儲(chǔ)熱模塊不同位置的進(jìn)度函數(shù)曲線分析得到了儲(chǔ)熱和放熱過(guò)程路徑，即儲(chǔ)熱過(guò)程中熱風(fēng)熱量的傳遞是從儲(chǔ)熱模塊中心向頂部聚集，再逐漸向四周擴(kuò)散；而放熱過(guò)程中冷風(fēng)吸熱是沿風(fēng)道方向從前部模塊的中心，依次向前部模塊、中部模塊與后部模塊的表面進(jìn)行。中部與后部?jī)?chǔ)熱模塊內(nèi)的熱量從中心向底部、側(cè)部和頂部等表面區(qū)域傳遞后向四周擴(kuò)散。
（2）基于儲(chǔ)熱模塊中部?jī)?chǔ)熱體的中心位置的進(jìn)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果，初步表明復(fù)合相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)比鎂鐵氧化物儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有更快的儲(chǔ)熱和放熱進(jìn)程；此外系統(tǒng)供熱實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的穩(wěn)定供熱時(shí)間達(dá)到1100 min，與鎂鐵氧化物儲(chǔ)熱系統(tǒng)相比提高了37.5%，但蓄熱介質(zhì)改變對(duì)系統(tǒng)自身的熱效率沒有影響。
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