一種熱泵儲能裝置的實驗分析＊

劉 鋒，徐育成，丁錦宏

（廣東省河源市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東 河源517000）

1 引言

近年來，有許多國內(nèi)外學(xué)者[1-2]對相變儲能在家庭生活用熱中的應(yīng)用都有深入研究。PAPADⅠMⅠTRATOS[3]等人研究了將相變材料封裝在真空管內(nèi)，并分析其換熱優(yōu)勢。袁小永[4]對無機水合鹽相變蓄熱裝置進行了深入研究，并分析了相變儲能裝置的可行性。本文設(shè)計了一種適合熱泵進行儲能的裝置，并通過理論計算和實驗對該裝置性能進行分析。

2 系統(tǒng)裝置

本文設(shè)計了一種以儲能球為封裝體的儲能裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，以電能代替太陽能對儲能裝置進行儲能。自來水或供暖循環(huán)回水接入裝置冷水進口，熱水出口得到所需熱水或供暖循環(huán)供水。

圖1 裝置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗分析

3.1 儲能球傳熱分析

將完全融化的相變儲能球置于恒溫環(huán)境（23.5℃的空氣中），測試球內(nèi)三個點（距離球殼邊緣分別5 mm、20 mm、35 mm）的溫度分布狀況，測試平臺如圖2所示。

圖2 儲能球熱性能測試示意圖及探頭在球內(nèi)布置示意圖

放熱曲線如圖3所示，邊緣的相變材料最先與外接低溫的空氣進行放熱，傳熱較快，該部位的相變材料溫度驟然下降，相變潛熱在短時間內(nèi)被釋放；次邊緣和球中心的相變材料放熱較慢，相變平臺較為明顯。

圖3 在23.5℃恒溫環(huán)境下球內(nèi)各點的溫度曲線

3.2 裝置蓄熱性能

儲能球和水的初始溫度為24℃，裝置電加熱通過溫控器行控制：啟動溫度為85℃，停止溫度設(shè)置為90℃，可讓相變材料充分吸收熱量，直到潛熱蓄滿。

電加熱功率為9 kW，水蓄熱時間為10：07—17：32，時長7 h 25 min，實際耗電量為55 kW·h，按熱損失8%計算，裝置的實際儲熱量約為182 MJ。

裝置的蓄熱曲線如圖4所示，從圖中可看出當(dāng)相變材料在吸收潛熱的時候，水的升溫趨勢有所減緩，水中的能量有一部分被相變材料所吸收，水溫達到90℃時，控制器控制電加熱停止加熱，待水的能量被相變材料吸收時其溫度下降達到85℃時，電加熱又重新開啟，直到相變材料潛熱吸收完時達到85℃左右，蓄熱結(jié)束。

圖4 蓄熱器裝置蓄熱曲線

3.3 裝置放熱性能

該儲能裝置在能量儲存滿后，裝置內(nèi)水溫及相變材料溫度都在85℃左右，直接供應(yīng)熱水也可進行供暖，接下來降低其進行供熱水及供暖性能測試。進行放熱測試，自來水管接入蓄熱器冷水進口，自來水平均溫度為20℃，放熱水流量為6.27 L/min，放熱曲線如圖5所示。

放熱熱水溫度降低至50℃時，放熱時長為1 h 57 min，熱水量為734 L，總放熱量為170 MJ；放熱熱水溫度降低至45℃時，放熱時長為2 h 5 min，熱水量為784 L，總放熱量為175 MJ。待儲能球熱量完全釋放，當(dāng)放出熱水溫度至50℃時，放熱效率為90.9%，放熱水溫度至45℃時，放熱效率為93.6%。

4 結(jié)論

通過理論計算，該裝置的理論儲熱量約為188 MJ。從放熱量來看，儲能球的傳熱效果較好，裝置的放熱較為充分，裝置中的熱水和儲能球的熱量會被完全釋放，殘余熱量較少。當(dāng)放出熱水溫度至50℃時，放熱效率為90.9%，放熱水溫度至45℃時，放熱效率為93.6%。

圖5 裝置放熱測試性能曲線