相变蓄热技术在热泵中的应用

相变蓄热技术在热泵中的应用汪南，杨硕，朱冬生（华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州， 510640）摘要：本文综述了蓄热技术的研究进展及其在热泵中的应用，并重点介绍了一种相变蓄热式热泵热水器，最后对这种技术的发展进行了展望。

关键词：蓄热相变热泵热水器0 前言能源是一个国家经济增长和社会发展的重要物质基础，随着人类对能源的需求量不断增大，能源问题越来越引起人们的重视。

但是，大多数能源存在间断性和不稳定性的特点，导致大量热能在时间与空间匹配上的不平衡性，从而使得一方面能源短缺，另一方面又有大量余热被白白浪费。

因此，合理利用能源、提高能源利用率是当务之急。

蓄能技术就是采用适当的方式，利用特定的装置，将暂时不用的或者多余的热能通过一定的储能材料储存起来，等到需要时再利用的方法，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。

相变蓄热技术在太阳能、工业余热、废热利用以及电力调峰等方面具有很大的潜在应用优势，近年来引起了众多科研工作者的重视。

1 蓄热技术的研究进展1983年，美国Telkes博士在蓄热技术方面做了大量工作[1]。

她对水合盐，尤其是十水硫酸钠(Na2S04•10H2O)进行了长期的研究，对Na2S04•10H2O的相变寿命进行了多达1000次的实验，并预测该材料可相变2000次，并在马萨诸塞州建起了世界上第一座PCM被动太阳房。

20世纪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。

在相变材料应用方面，他们特别强调制冷和空调系统中的储能。

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，从中筛选出性能较好的MgCl2•6H20和Mg(NO3)2•6H2O共晶盐(熔点59.1℃)。

位于Ibaraki的电子技术实验室对相变温度范围为200～300℃的硝酸盐及它们的共晶混合物进行了研究。

德国GawronK和Schroder J在对-65～0℃的温度范围内相变性能的研究后，推荐在储冷中采用NaF-H20共晶盐(-3.5℃)；在低温储热或热泵应用中采用KF•4H20；在建筑物采暖系统中，采用CaCl2•6H20(29℃)或Na2HP04(35℃)。

Krichel绘制了大量PCMs的物性图表。

他认为石蜡、水合盐和包合盐(elath-rate)是100℃以下储能用相变材料的最佳候选材料。

我国对蓄热相变的理论和应用也进行了广泛的研究[2-9]，中国科学技术大学从1978年开始进行相变储热的研究，陈则韶、葛新石、张寅平等人[10～12]在相变材料热物性测定和相变过程导热分析方面做了大量工作，申请了多项专利。

1983年，华中师范大学阮德水等[13]对典型的无机水合盐Na2S04•10H2O和NaCH3COO•3H2O的成核作用进行了系统研究，较好地解决了无机水合盐的过冷问题；胡起柱等人用DNS法测定了新制备的Na2S04•10H2O、NaCl均匀固态物质的初始熔化热及上述样品在15℃±0.1℃长时间保温的熔化热，并从相平衡和结晶机理讨论了初始化热值较低的原因；1984年，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，并研制和实验了太阳房相变蓄热器；1990年，哈尔滨船舶工程学院周云峰、温淑芝等人研制的蓄热材料，是由结晶碳酸钠、结晶硫酸钠、尿素、硫酸钾、水和结晶剂组成。

它具有良好的蓄热性能，原料成本低、无毒、无腐蚀性，生产时对环境不造成任何污染，产品可以数年循环使用，适用于各种温室冬季采暖，节约能源。

此研究发明1987年获得了国家专利。

1992年，清华大学阮德水、李元哲等人对相变蓄热材料在太阳房中的应用进行了基础研究(国家“八•五”科技攻关课题)，此相变蓄热材料是以Na2S04•10H2O为基质的低共熔物，选择适合的容器，此蓄热装置1986～1987年冬在清华大学对比实验室进行了测试，1989～1990年冬在北京温泉乡被动太阳房中进行了应用实验。

实验结果表明：相变蓄热材料在白天有效储存多余太阳热能，夜间向室内供热，减少太阳房温度波动，提高了室内温度。

近年来，国内学者在组合相变材料，复合相变材料，定形相变材料等方面都进行了深入的研究，取得了一些进展。

2 蓄热技术在热泵中的应用2.1 热泵热水器的工作原理热泵是一种能量提升装置, 它从周围环境中吸收热量, 再把它传递给被加热对象(温度较高物体)。

它在工作中, 本身消耗一部分能量, 把环境介质中储存的能量加以挖掘, 通过制冷剂循环系统提高温度进行利用, 而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分, 因此, 利用热泵可以节约大量高品位能源。

常规热泵包括地源热泵、水源热泵、空气源热泵等几种形式，作为空调技术其应用已经很普遍.热泵热水器是热泵在供应热水方面的应用，即通过高温的制冷剂来加热水到一定的温度来提供热水。

热泵热水器被认为是继燃气热水器、电热水器、太阳能热水器之后的第四种热水器，其工作原理如图1所示。

热泵热水器由压缩机、蒸发器、加热器(冷凝器)、膨胀阀、热水循环泵、储水罐和控制器这几部分组成。

制冷剂蒸进人到压缩机后，被压缩成高温高压的蒸气，进入到冷凝器，将热量传递给储水罐里的水，使水升温，冷凝器内的工质蒸气变成液体，经膨胀阀成为低压液体，进人到蒸发器，吸收空气中的热量，变成低压蒸气，再进人到压缩机，完成一个循环。

假设压缩机所做的功(来源厂电能)为W.蒸发器所吸收的热量为Q1 ,则冷凝器向水释放的热量为Q2，它们之间的关系式为:Q2 =Q1+W能效比COP= Q2 /W>1从上面的分析可以看出热泵热水器的加热量要大于所消耗的电能，C 0 P值一般都在3以上，可见其节能效果是很明显的。

由于热泵成本构架原因(含有空调的整个热泵系统，包括压缩机、冷凝器、蒸发器等关键部件，义要加上一个储水罐以及需要填充工质等，输入功率大，制造成本较高)，决定价格必然较高，新产品市场启动难度不小，普及推广极其困难。

热泵热水器打开市场，消费者的节能环保观念普及是一个方面，而安装尺寸与占用空间同样是人们到底是选择燃气热水器、电热水器还是选择热泵热水器所需要考虑的问题。

我国的居民住宅以单元房为主，面积有限，不便于室内安装一个体积尺寸庞大的热泵热水器的立式储水罐。

因此热泵热水器的发展遇到了很多的问题。

2.2 相变蓄热技术在热泵热水器的应用华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室朱冬生教授课题组在深入研究了热泵热水器和蓄热技术的基础上，提出把两种技术的优势结合起来，提出了相变蓄热式热泵热水器的设想，并申请了专利[14]。

材料采用石蜡，相变温度在60度左右。

本课题研究的高效相变蓄热热泵热水器不但继承了常规热泵热水器节能和能使用低谷廉价电力的优点，还克服常规热泵热水器的问题与不足。

由于可以较大程度减小压缩机的功率与尺寸，从而可以大幅度减少热泵热水器的成本和销售价格；用与冷凝器结合在一起质量轻、体积小、可灵活布置的相变蓄热箱替代了常规热泵热水器体积庞大的立式储水箱，甚至可以在房屋装修时将相变蓄热箱置于墙体内，非常适合于国内单元式住宅安装。

图2为相变蓄热式热泵热水器的工作原理图，它由蒸发器、压缩机、储能系统和膨胀阀组成，储能系统内又由相变材料石蜡、储能换热板、取热换热板及翅片组成，储能换热板与取热换热板交错布置，板与板之间由翅片连接，翅片之间则由石蜡充满。

相变蓄热式热泵热水器工作时分为两个阶段。

储能阶段：关闭进、出水阀门，利用压缩机排出的高温高压工质与相变储能材料石蜡通过储能换热板进行热量交换，热泵工作产生的热量以显热和相变潜热的形式储存于石蜡之中。

放热阶段：打开进、出水阀门。

这里有两种方式，若石蜡所储热量足够多时，可让压缩机停止工作，让自来水通过储能装置中的取热换热板，利用石蜡所储热量将水加热到所需温度；若石蜡所储热量还不够时，则让压缩机继续工作，将通过储能装置的自来水继续流经加热换热器与工质换热，从而达到将自来水加热到所需温度的目的。

新型的高效相变蓄热式热泵热水器具有以下优点：(l)将固液相变储热节能技术与高效供热的热泵技术进行了有机结合。

(2)可以较大程度减小压缩机的功率与尺寸，从而可大幅减少热泵热水器的成本构架(包括压缩机、冷凝器、蒸发器等关键部件及需要填充工质等)。

(3)用质量轻、体积小、可灵活布置的相变储热箱替代了常规热泵热水器体积庞大的立式储水箱，甚至可以在房屋装修时将相变储热箱置于墙体内，非常适合于国内单元房浴室安装。

(4)可利用低谷电储热，且储热温度低，与环境温差小，最大幅度减轻了散热损失。

(5)由于采用了小功率压缩机，减轻了对电线容量的依赖，旧房改造也可考虑安装使用。

(6)由于采用了分段加热与逆流高效换热技术，有效降低了加热过程中的传热温差，使得平均冷凝压力低于常规热泵系统，提高了系统的能效比。

（7）由于热量通过相变材料为中介传输，水电分离。

产品安全可靠。

3 结论随着经济的发展和人民生活水平的提高，居民能源消费量迅速增长，其中，生活热水占有很大比重。

目前，生活热水通常是用消耗燃气、电力等高品位能源的热水器来获得，对产生生活热水的热水器进行节能研究，对于促进居民生活能源的合理利用与开发以及整个社会的节能与环保有着重要的意义。

因此，将热泵技术与蓄热技术结合，研制高效相变蓄热热泵热水器，具有巨大的社会效益和经济效益。

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