國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
【項(xiàng)目背景及意義】
隨著全球能源需求的增長(zhǎng)，環(huán)境污染日益加劇，人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)考驗(yàn)。世界各國(guó)均在謀求轉(zhuǎn)型，開(kāi)發(fā)利用新能源、節(jié)約能源與提高能源利用效率已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽(yáng)能作為最清潔的可再生能源，在所有的可再生能源中，分布最廣且易得，受到全世界的廣泛關(guān)注，并大力發(fā)展太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)。中國(guó)是太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家。我國(guó)陸地面積年接收太陽(yáng)能輻射能約為50×1015 MJ，全國(guó)各地太陽(yáng)能年輻射總量為 3350～8370 MJ/m2，有三分之二以上的國(guó)土面積年日照時(shí)數(shù)大于2000 h/a，輻射總量高于5016 MJ/m2。因此，在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)展光熱、光電、光化學(xué)等太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)具有良好的基礎(chǔ)。
太陽(yáng)能是太陽(yáng)連續(xù)不斷向宇宙空間發(fā)射的電磁輻射能，目前我國(guó)太陽(yáng)能利用比較成熟的技術(shù)有太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能光伏發(fā)電。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成較為完整的工業(yè)體系，成為太陽(yáng)能熱水器生成和使用大國(guó)。每平方米平板太陽(yáng)能集熱器平均每個(gè)正常日照日，可產(chǎn)生相當(dāng)于2.5度電的熱量，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤170～180 Kg，可實(shí)現(xiàn)CO2的排放量減少700 Kg。根據(jù)中國(guó)太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，2017年全年我國(guó)太陽(yáng)能集熱器及系統(tǒng)銷(xiāo)售量達(dá)3723萬(wàn)m2(26061 MWth)，同比下降5.7%，保有量達(dá)到4.78億m2(334460 MWth)；雖然傳統(tǒng)產(chǎn)品的銷(xiāo)售降幅收窄，但是保有量增幅趨緩[1]。近年來(lái)太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)開(kāi)始下滑，主要原因是傳統(tǒng)太陽(yáng)能產(chǎn)品技術(shù)門(mén)檻低、技術(shù)缺乏創(chuàng)新，無(wú)法進(jìn)入城市擴(kuò)大市場(chǎng)。
太陽(yáng)能熱水器一般是由集熱器、保溫水箱、連接管路、閥門(mén)、輔助加熱器以及控制單元等主要部件組成。保溫水箱是用于存儲(chǔ)白天集熱裝置加熱的水，以滿(mǎn)足客戶(hù)在需要的時(shí)候使用。傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器的使用壽命極大的受到單根真空管影響；熱水器在工作時(shí)，水箱里面的水與所有的真空集熱管聯(lián)通，只要其中任一根真空管破裂，那么整個(gè)熱水器將無(wú)法使用，而且水箱中的水會(huì)完全漏出。傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器無(wú)法與現(xiàn)代城市建筑結(jié)合，實(shí)現(xiàn)熱水器與建筑一體化；保溫水箱是太陽(yáng)能熱水器的重要組成部分，由于水箱的存在，熱水系統(tǒng)的安裝極大的受到周?chē)h(huán)境限制，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器與建筑的完美結(jié)合。傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器無(wú)法與現(xiàn)代城市建筑協(xié)調(diào)統(tǒng)一也是造成太陽(yáng)能熱水器一直未能在城市中廣泛使用的主要原因。傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器管內(nèi)存水過(guò)多，管內(nèi)水溫上升緩慢；由于真空管內(nèi)部空間比較大，系統(tǒng)中水流的循環(huán)流動(dòng)完全是靠各部位溫度不同而形成的自然循環(huán)，所以一般的熱水裝置管中熱水無(wú)法完全取出，致使系統(tǒng)熱水利用效率低。此外，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器還存在支架承壓大、管子易炸裂、在嚴(yán)寒地區(qū)使用易結(jié)凍等缺點(diǎn)。
太陽(yáng)熱水器與現(xiàn)代建筑結(jié)合是太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的必由之路。作為新一代太陽(yáng)能熱水器，無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器是為克服傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器的缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的新型太陽(yáng)能熱水器，采用相變材料儲(chǔ)熱的熱水器能有效解決傳統(tǒng)熱水器水箱過(guò)大等問(wèn)題[2],它的主要特點(diǎn)是沒(méi)有水箱，熱量全部?jī)?chǔ)存在真空管的內(nèi)部，是一種集成“集熱-儲(chǔ)熱-加熱”功能于一體的太陽(yáng)能熱水器，能夠?qū)崿F(xiàn)熱水系統(tǒng)與建筑的完美結(jié)合。它無(wú)水箱，不占空間，安裝方便，承壓可直接走水，得熱量比傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器要高。它以高(得熱效率高)、低（熱損失低）、新(熱水新鮮)、省(省空間、省電、省水)、方便(安裝方便、使用方便)的特點(diǎn)越來(lái)越受行業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。
儲(chǔ)熱材料是相變無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器的主要部分，相變材料具有優(yōu)越的潛熱性能，但絕大部分熱導(dǎo)系數(shù)較小，故需采取必要的相變儲(chǔ)熱措施。有研究者提出利用非金屬礦物的礦物特性，將非金屬礦物與相變材料復(fù)合，依靠導(dǎo)熱性能較好的多孔礦物介質(zhì)骨架增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱傳熱能力，制備基于多孔礦物介質(zhì)的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)石墨、珍珠巖、硅藻土、埃洛石、高嶺土等[4]非金屬礦物展開(kāi)了大量的研究，利用這些礦物的天然特性，裝載石蠟、硬脂酸、熔融鹽、形變低共熔物等相變材料制備復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，復(fù)合材料具有很好熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)方法相比，采用礦物具有導(dǎo)熱強(qiáng)化效果均勻、制備簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]。課題組已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了以蛭石、椰殼炭、二氧化硅、石墨烯、膨脹石墨等為載體的高效太陽(yáng)能儲(chǔ)熱材料，儲(chǔ)熱容量高達(dá)130 kJ·kg-1，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1.0 W·m-1·K-1以上。
綜上所述，在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)高效無(wú)水箱熱水器新技術(shù)是面對(duì)能源轉(zhuǎn)型，解決常規(guī)熱水器高能耗問(wèn)題以及節(jié)約能源的有效途徑之一，因此，無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器的研發(fā)具有非常重要的意義。本項(xiàng)目擬根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源特點(diǎn)以及居民用水特征，開(kāi)發(fā)基于高效相變儲(chǔ)熱材料的無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器整體優(yōu)化技術(shù)，并開(kāi)展工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用。
【國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)】
太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展始于18世紀(jì)60年代瑞士，1891年，第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值的熱水器在美國(guó)問(wèn)世。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步于1958年，國(guó)內(nèi)學(xué)者一直從事于太陽(yáng)能吸收利用以及熱水器的整體設(shè)計(jì)，到1987年國(guó)內(nèi)已形成全玻璃真空集熱管和熱管真空管集熱工業(yè)，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)達(dá)到新高度。因此，國(guó)內(nèi)真空集熱管占據(jù)太陽(yáng)能熱水器95%以上的市場(chǎng)，而國(guó)外太陽(yáng)能市場(chǎng)卻基本為平板太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)能熱水器按照集熱器類(lèi)型（圖1）可以分為平板式、真空管式、熱管真空管式太陽(yáng)能熱水器，其中真空管式太陽(yáng)能熱水器在農(nóng)村地區(qū)占有廣闊市場(chǎng)。但傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器在與建筑結(jié)合方面未能有重大突破，限制了太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展，現(xiàn)階段普遍解決方案為分體安裝。
圖 1 太陽(yáng)能熱水器分類(lèi)及發(fā)展
相變無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器的研究起步較晚，是針對(duì)于傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器缺陷而研發(fā)的一款產(chǎn)品，尤其是在太陽(yáng)能熱水器建筑一體化方面的缺陷。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變太陽(yáng)能熱水器的研究主要集中在相變儲(chǔ)熱裝置以及相變儲(chǔ)熱材料上。按照集熱器與儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否緊湊可以分為分體式太陽(yáng)能熱水器和一體化太陽(yáng)能熱水器。
一體化無(wú)水箱相變太陽(yáng)能熱水器是采用緊湊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將集熱裝置、儲(chǔ)熱裝置集成于一體的相變太陽(yáng)能熱水器。如徐柏恒[6]發(fā)明的“一種儲(chǔ)熱式無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器(見(jiàn)圖2 b)”，該熱水器集“集熱器、儲(chǔ)熱裝置”為一體，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，減少了中間換熱環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)者們通常把相變材料封裝在真空管內(nèi)，同時(shí)管路分布在相變材料中，利用真空管涂層對(duì)相變材料加熱，取熱時(shí)利用泵或自來(lái)水流提供動(dòng)力，管內(nèi)流入冷水直接進(jìn)行取熱；或者采用平板集熱器，通過(guò)太陽(yáng)直曬相變材料捕獲太陽(yáng)能，同時(shí)把管路均勻填埋于相變材料中。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎美觀，并且安裝方便，安裝運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，能與現(xiàn)有建筑完美的結(jié)合。相變儲(chǔ)熱材料是相變無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器的關(guān)鍵部分，相變材料具有優(yōu)越的潛熱性能且溫度較恒定[7]，但多數(shù)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)小，影響相變太陽(yáng)能熱水器的換熱性能，故需對(duì)儲(chǔ)熱裝置采取必要的強(qiáng)化傳熱措施。可以直接在相變裝置中添加翅片，肋片等強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，或者在相變材料中添加泡沫金屬、金屬粉末、石墨烯等熱導(dǎo)系數(shù)大的材料增加儲(chǔ)熱裝置的換熱性能。此外，也可以利用膨脹石墨(EG)、蛭石(VMT)、珍珠巖等多孔礦物質(zhì)吸附石蠟、硬脂酸等相變物質(zhì)制成熱導(dǎo)系數(shù)大的復(fù)合型相變材料。
圖 2 熱水器換熱結(jié)構(gòu)(a 相變水箱盤(pán)狀螺旋換熱結(jié)構(gòu)；b 儲(chǔ)熱式無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器結(jié)構(gòu)圖；注：1-太陽(yáng)能能真空管；2-儲(chǔ)熱材料；3-電加熱器；4-進(jìn)水管；5-出水管；6-換熱器。)
分體式太陽(yáng)能熱水器是在傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器基礎(chǔ)上，采用集熱器、儲(chǔ)熱器分開(kāi)安裝，通過(guò)傳熱介質(zhì)將太陽(yáng)能集熱器中吸收的熱量傳導(dǎo)到相變儲(chǔ)熱裝置存儲(chǔ)利用的一類(lèi)熱水器。相變儲(chǔ)熱水箱以及的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出數(shù)種不同形狀的相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)，比如圖2 a中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的盤(pán)狀螺旋換熱結(jié)構(gòu)[8]。綜合目前學(xué)者工作，熱水器用相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)一般可分為兩類(lèi)：(1)系統(tǒng)采用具有內(nèi)部換熱器的集總封裝方式對(duì)相變材料封裝。比如，儲(chǔ)熱裝置采用管簇式儲(chǔ)熱器，換熱流體的管路均勾分布在相變材料中，管內(nèi)流換熱流體，管外為相變材料。在加熱和取熱時(shí)，釆用強(qiáng)制循環(huán)，利用水泵提供動(dòng)力換熱流體通過(guò)金屬壁面與相變材料換熱。(2) 相變材料采用分封裝。通常采用填充床式儲(chǔ)熱器，包括多種的圓柱體堆積床相變儲(chǔ)熱裝置、球體堆積床相變儲(chǔ)熱裝置。利用泵提供動(dòng)力，換熱流體流入填充床式儲(chǔ)熱器，采用直接接觸換熱方式，對(duì)相變單元材料進(jìn)行加熱和取熱。分體式太陽(yáng)能熱水器因水箱與集熱器分開(kāi)安裝，集熱裝置可以去除笨重水箱，因此可以實(shí)現(xiàn)建筑與熱水器的完美結(jié)合，但是安裝運(yùn)行費(fèi)用高、安裝麻煩、熱利用效率低。
分體式太陽(yáng)能熱水器與一體化相變太陽(yáng)能熱水器均能實(shí)現(xiàn)與建筑的完美結(jié)合，但分體式成本較高、熱利用效率較低。因此，本項(xiàng)目擬采用本項(xiàng)目組已開(kāi)發(fā)的高效太陽(yáng)能儲(chǔ)熱材料(專(zhuān)利申請(qǐng)號(hào)：201510996234.X，發(fā)明人：李傳常，楊立新，陳薦)以及初步制作的試驗(yàn)無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器樣機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析、相變材料與集熱管道匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)、集熱管及連接管道匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)等手段，制作一臺(tái)出水溫度穩(wěn)定、熱水供量充足等性能優(yōu)良且安裝方便無(wú)水箱太陽(yáng)能熱水器。
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