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中国科学技术大学博士学位论文：热能贮存和应用中若干热物理问题研究 摘要 用于建筑物空气调节、热水供应、物料干燥的低温热能需求总量巨大。由于 时间和强度上的不匹配性，来自太阳能收集、地热能、工业余热等低温热能难以 直接满足实际需求。从提高能源利用效率和节能的角度，基于热能贮存的热泵技 术是缓解这一矛盾的可行途径。 本文研究低温热能贮存和热泵应用中几个相关的方面，内容涉及热能贮存的 方式和贮能系统效率分析、水源热泵的性能和应用研究、贮能材料的热物性测量 和预示。 潜热贮能中的传热问题研究 针对相变材料( p c m ) 物性数据缺乏的现状，研究热针法测量导热系数。通 过测量原理的分析对热针法进行优化；改进测试电路提高温度测量的精度。改进 后的热针法可以快速简便地测量p c m 在固液两态下的导热系数。实验结果表明 测试时间不超过2 0 秒，对导热系数为o 1 0 6 w m _ k 。1 的样品测量不确定度为3 。 相变胶囊是微尺度封装的新型p c m 。本文运用显热容法求解相变问题，分 析相变胶囊在对流边界条件下的蓄放热特性。结果表明微尺度封装具有显著的传 热强化效果、相变胶囊在蓄放热过程中热流稳定，小温差条件下仍能保持高效换 热。这些优异性能主要源于相变胶囊的尺度特性。 目前潜热贮能的理论研究主要集中在过程分析，很少有关于系统效率的报 道。本文通过对管内流体换热式相变贮能系统的研究，综合系统的换热有效度和 p c m 潜热的利用率，探讨与系统效率相关的因素。尽管系统的尺度特性、流体 流动状态和换热温差等条件是系统设计的重要依据，但p c m 内部的传热强化才 是提高系统效率的关键因素。 水源热泵的性能研究和应用 根据建筑节能这一社会需求，建立太阳能辅助水箱蓄热式热泵供暖的实验系 统。实验研究了自行设计的水源热泵( w s h p ) 机组的性能及其与供热温度的关 系。综合实验结果，分析研究了设计中的不足之处和提高性能的措施。作为w s h p 的一个应用，实验研究了在夏季机组作为室内空调制冷和热水供应的工作特性。 结合热力学第一和第二定律，分析了w s h p 兼作室内空气调节和热水供应的 节能效果。通过对比一台空气源热泵热水器和制冷空调机联合运行的功耗，论证 了一机两用的热泵系统具有高性价比和显著的节能效果。这一分析也证明了空气 源热泵空调系统余热回收的节能意义。 s e v e r a 1 t h e r m o p h y s i c a l p r o b l e m s a s s o c i a t e dw i t ht h et h e r m a le n e r g ys t o r a g ea n di t sa p p l i c a t i o n s 根据合肥地区的气候和地理特征，建立季节性贮能的地表水源热泵模型。综 合考虑建筑物冷热负荷、蒸汽压缩式热泵循环和池水一土壤传热分析，研究了土 壤类型、水池容积、隔热层等设计参数对系统性z 月匕l - - , 的影响。对比仅用于夏季空调 和冬季供热的运行模式，季节性交替的热能贮存和提取可以显著提高热泵空调系 统的效率。 多元材料体系的热物性预示 复合材料、多孔介质等多元材料的导热性能预测是人们长期关注的问题，目 前已有的模型均建立在特定的材料基础上，且性能预测常常需要经验参数的修 正。假设多元材料中各个组分在空间上符合随机分布特征，本文提出预测宏观有 效导热系数的随机混合模型( r m m ) 。其突出优点是概念简明、算法简单、且不 依赖任何经验参数。 颗粒填充强化复合材料的导热性能是一种常用的方法，综合实验数据，对不 同的材料体系，这一方法的实际效果相差甚远。借助r m m ，本文专题探讨与导 热强化相关的因素。导热强化的效果不仅仅与填充颗粒的导热性能相关，更重要 的是临界填充密度和填充颗粒的表面特征。这一分析合理地解释了实验结果的差 异。作为推论，只要材料选择恰当，用高导热颗粒填充大幅提高p c m 导热性能 是完全可行的。 土壤类含湿多孔介质的结构复杂，其传热传质规律是土壤长期贮能和地下换 热器设计的必要依据。目前已有的预测导热系数的模型都是从二元材料演化而 来，由于缺乏对结构因素的考虑，各模型中都包含有经验参数。对比一系列实验 数据，r m m 很好地预示了导热系数与孔隙率和含湿量的定量关系。在孔隙率小 于0 6 时，r m m 具有很高的预测精度。在验证r m m 的基础上，研究孔隙率和 含湿量对多孔介质热传输特性和热贮存特性的影响。对比土壤的冻结和未冻结两 种状态，物态变化对土壤的传输特性参数有显著的影响，但对热贮存特性的影响 很小。 关键词：潜热贮能：季节性贮能：水源热泵；热力学分析； 贮能效率；传热强化：热针法；随机混合模型： 中国科学技术大学博士学位论文：热能贮存和应用中若干热物理问题研究 a b s t r ac t t h eh u g eq u a n t i t yo ft h e r m a le n e r g yi sd e m a n d e df o ra i r - c o n d i t i o n i n go f b u i l d i n g s ，h o tw a t e r s u p p l ya n dd r y i n gp r o c e s s e s t h es u p p l yo ft h e r m a le n e r g yc a nn o tf u l f i l ls u c had e m a n d ，i nt e r m s o ft h em i s m a t c hb o t hi nt i m ea n di n t e n s i t y i nv i e wo ft h ee f f i c i e n c yo ft h ee n e 艰yu t i l i z a t i o na n d e n e r g y s a v i n g ，ap o t e n t i a lw a yi st ou s et h eh e a tp u m pw i t ht h e r m a le n e r g ys t o r a g e i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a lt h e r m o p h y s i c a lp r o b l e m sr e l a t e dt ot h et h e r m a le n e r g ys t o r a g e a n dt h ew a t e rs o u r c eh e a tp u m p ( w s h p ) a r ei n v e s t i g a t e d t h ec o n t e n t sc o n s i s to ft h em o d e so f t h e r m a le n e r g ys t o r a g ea n dt h e i re f f i c i e n c i e s ，t h ep e r f o r m a n c eo fw s h pa n di t s a p p l i c a t i o n s ，a n d t h em e a s u r e m e n ta n dp r e d i c t i o no ft h e r m a lp r o p e r t i e so fe n e r g ys t o r a g em a t e r i a l s h e a tt r a n s f e rp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h ei a t e n th e a ts t o r a g e t h eh o tp r o b em e t h o di si n v e s t i g a t e df o rm e a s u r e m e n to ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h e p h a s ec h a n g em a t e r i a l s ( p c m s ) ，f o rt h el a c ko ft h ed a t ao ft h e r m a lp r o p e r t i e s t w oi m p r o v e m e n t s a r ep r o p o s e d t h ef i r s ti st oo p t i m i z et h ep r o b ed e s i g n ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s ；t h es e c o n di st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t t h ei m p r o v e dh o tp r o b ec a nc o n v e n i e n t l yb eu s e df o rm e a s u r i n gt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f p c m s ，b o t hi nl i q u i da n ds o l i ds t a t e s f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e l a t i v em e a s u r e m e n t u n c e r t a i n t yi sa b o u t3 a n dt h em e a s u r e m e n tt i m ei sl e s st h a n2 0s e c o n d s m i c r o e n c a p s u l a t e dp c m sh a v eb e e nr e c e i v i n gm u c ha t t e n t i o nr e c e n t l y b a s e dt h ea p p a r e n t h e a tc a p a c i t ym e t h o df o rs o l v i n gt h es t e f a np r o b l e m ，t h eh e a tc h a r g ea n dd i s c h a r g eo ft h e e n c a p s u l a t e dp c m sa r ei n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o e n c a p s u l a t e d p c m sc h a r a c t e r i z et h ed e s i r a b l eb e h a v i o r ss u c ha st h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，t h es t a b l eh e a t f l o wa n dh i g h e f f i c i e n c y o fh e a te x c h a n g eu n d e rs m a l l t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e a l lt h e s e a d v a n t a g e sm a i n l yc o m ef r o mi t ss c a l ec h a r a c t e r i s t i c t h ep r o c e s so ft h el a t e n th e a ts t o r a g eh a sb e e ns t u d i e dw i d e l y h o w e v e r , f e wr e p o r t sa r e a d d r e s s e dt ot h ee f f i c i e n c yo ft h el a t e n th e a ts t o r a g es y s t e m i nt h i sw o r k ，t h es y s t e mw i t h i n t e r n a l l yf l o w i n gl i q u i di si n v e s t i g a t e d c o m b i n e dt h eh e a te x c h a n g ee f f e c t i v e n e s sa n du t i l i z a t i o n f a c t o ro ft h el a t e n th e a t ，t h es y s t e m a t i ce f f i c i e n c yi sd i s c u s s e d a l t h o u g ht h es c a l ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h es y s t e m ，t h ef l o ws t a t eo ft h ef l u i da n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh e a ts o u r c ea n dt h es t o r a g e t e m p e r a t u r e sa r ei m p o r t a n tf o rt h es y s t e md e s i g n ，i ti st h ek e yt oe n h a n c et h eh e a tt r a n s f e ri n s i d e t h e p c m p e r f o r m a n c eo fw s h pa n di t sa p p l i c a t i o n c o n s i d e r i n gt h ed e m a n do ft h ee n e r g y - s a v i n go fb u i l d i n g s ，as o l a r - a i d e dh e a tp u m ps y s t e m ， i nw h i c haw a t e rt a n ki su s e df o rs t o r a g eo ft h ec o l l e c t e ds o l a re n e r g yf o rt h eh e a ts u p p l yi nt h e w i n t e r , i ss e tu p t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew s h pi se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d ，w i t hr e s p e c tt o v a r i o u st e m p e r a t u r e so ft h eh e a ts u p p l y a sa na d d i t i o n a la p p l i c a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e w s h ps i m u l t a n e o u s l ys e r v e df o ra i r - c o n d i t i o n i n ga n dh o tw a t e rs u p p l yi sa l s oe x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e di nt h es u m m e r at h e r m o d y n a m i ca n a l y s i si s g i v e nt ot h ew s h pf o rm u l t i f u n c t i o n a la p p l i c a t i o n s c o m p a r e dw i t ht h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft w oa i r - s o u r c eh e a tp u m p s ，s e r v e df o rr e f r i g e r a t i o na n d h e a ts u p p l ys e p a r a t e l y , as i n g l eh e a tp u m ps e r v e df o rb o t hf u n c t i o n ss h o w st h ea d v a n t a g e o f e n e r g y s a v i n g s u c har e s u l ta l s od e m o n s t r a t e st h ei m p o r t a n c eo f t h er e c o v e r yo ft h ew a s t eh e a to f t h ea i rs o u r c ea i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fa i r - c o n d i t i o n i n ga n dc l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c si nh e f e i ，c h i n a ，a m o d e lo ft h es u r f a c ew a t e rh e a tp u m ps y s t e mw i t hs e a s o n a le n e r g ys t o r a g ei sp r e s e n t e d b a s e do n t h eh e a t l o a do ft h eb u i l d i n g s ，t h ev a p o rc o m p r e s s i o nh e a tp u m pc y c l ea n dt h eh e a t t r a n s f e r a n a l y s i sb e t w e e nt h ep o n da n dt h es o i l ，t h em a i nd e s i g np a r a m e t e r s ，s u c ha st h e s o i lt y p e s ，t h e v o l u m eo ft h ew a t e rp o n da n dt h et h i c k n e s so ft h ei n s u l a t i n gc o v e r , a r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r e dt o t h eo p e r a t i o nm o d e si nw h i c ht h es y s t e mo n l yr u n si nt h es u m m e ra n dt h ew i n t e rs e p a r a t e l y , t h e p r o p o s e ds e a s o n a le n e r g yc h a r g ea n dd i s c h a r g ec a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h e h e a tp u m ps y s t e m p r e d i c t i o no ft h e r m a lp r o p e r t i e so fm u l t i p h a s em a t e r i a l s i th a sb e e nr e c e i v i n gc o n t i n u o u sa t t e n t i o nt op r e d i c te f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( e t c ) o f m u l t i p h a s em a t e r i a l s ，s u c ha st h ec o m p o s i t e sa n dt h ep o r o u sm e d i a m a n ye x i s t i n gm o d e l sa r e o n l ya v a i l a b l et os p e c i a lm a t e r i a l s ，a n dt h ee m p i r i c a lp a r a m e t e r sa r eo f t e nn e e d e dt om o d i f yt h e o r e d i c t i o n a s s u m i n gar a n d o md i s t r i b u t i o no f t h ec o m p o n e n t s ，ar a n d o m l ym i x e dm o d e l ( r m m ) i sd e v e l o p e di nt h i sw o r k i ti ss i m p l ei nc o n c e p t i o na n de a s yo fc a l c u l a t i o n ，a n dt h ep r e d i c t i o n d o e sn o td e p e n du p o na n ye m p i r i c a lp a r a m e t e r s f i l l i n gt h ec o n d u c t i v ep a r t i c l e st ot h em a t r i xi so f t e na d o p t e dt oe n h a n c et h eh e a tc o n d u c t i o n p e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h e r ei sas i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei np r a c t i c a le f f e c t sa m o n g v a r i o u sk i n d so f c o m p o s i t e s f a c t o r sr e l a t e dt ot h eh e a tc o n d u c t i o ne n h a n c e m e n ta r ea n a l y z e db yu s i n gt h er i v i m i ts h o w st h a tt h eh e a tc o n d u c t i o ne n h a n c e m e n ti s n o to n l yr e l a t i v et ot h ec o n d u c t i v i t yo ft h e p a r t i c l e s ，b u ta l s od e p e n d su p o nt h ec r i t i c a lf i l l i n gr a t i oa n dt h ec o n t a c t s t a t eb e t w e e nt h ep a r t i c l e s a sac o n s e q u e n c e ，i ti sa na p p l i c a b l ew a yt os i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ee t co fp c m s ，p r o v i d e dt h e f i l l i n gp a r t i c l ei ss e l e c t e dp r o p e r l y k n o w l e d g eo ft h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h es o i l i si m p o r t a n tf o rl h el o n g t e r me n e r g y s t o r a g ea n dt h ed e s i g no f t h eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ro ft h eg r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p m a n y o fe x i s t i n gm o d e l sf o rp r e d i c t i n ge t co fm o i s tp o r o u sm e d i aa r ed e r i v e df r o mt h et w o p h a s e s v s t e m d u et ot h el a c ko ft h ec o n s i d e r a t i o no ft h es t r u c t u r a lf a c t o r , t og e tt h er e l i a b l er e s u l t sb y u s i n gm o s to ft h ea v a i l a b l em o d e l s ，i ti sn e c e s s a r yt ok n o wt h ee m p i r i c a lp a r a m e t e r si na d v a n c e c o m p a r e dw i t has e r i e so fe x p e r i m e n t a ld a t a , t h ep r o p o s e dr m mg i v e sf i n ep r e d i c t i o n sw h e n t h e p o r o s i t yo ft h em e d i ai sl e s s0 6 a f t e rt h ev a l i d a t i o no f t h er m m ，e f f e c t so ft h ep o r o s i t ya n dt h e d e g r e eo ft h es a t u r a t i o no nt h eh e a tt r a n s p o r ta n dh e a ts t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d f r o m t h ec o m p a r i s o no ft h ep r o p e r t i e sb e t w e e nt h ef r o z e na n du n f r o z e ns t a t e so fs o i l ，i ts h o w st h a tt h e s t a t e sh a v es t r o n ge f f e c to nt h et r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，b u ts l i g h to nt h eh e a ts t o r a g ep r o p e r t y k e y w o r d s ：l a t e n th e a ts t o r a g e ；s e a s o n a le n e r g ys t o r a g e ；e f f i c i e n c yo f t h et h e r m a le n e r g ys t o r a g e ； w a t e rs o u r c eh e a tp u m p ；t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；h o tp r o b em e t h o d ； r a n d o m l ym i x e dm o d e l 中国科学技术大学博士学位论文：热能贮存和应用中若干热物理问题研究 符号说明 中国科学技术大学博士学位论文( 2 0 0 6 ) 张海峰 第一章绪论 用于建筑物空气调节、热水供应、物料干燥的低温热能需求总量巨大。由于 时间和强度上的不匹配性，来自太阳能收集、地热能、工业余热等低温热能难以 直接满足实际需求。从提高能源利用效率和节能的角度，基于热能贮存的热泵技 术是缓解这一矛盾的可行途径。 1 1 热台皂禾l j 用幂口节能 能源形势 能源是指直接或间接提供能量的物质资源，是人类社会生存的物质基础。能 源的开发和利用是社会发展的动力，其水平又是人类文明的重要标志之一。 我国经济的持续增长对能源生产和能源消费提出了更高的要求。作为世界能 源生产和消费大国，2 0 0 2 年我国能源年产总量为1 3 9 亿吨标煤，居世界第三位， 能源消费总量1 4 8 亿吨标煤，居世界第二位。然而，我国目前的能源利用效率 低，环境污染严重。每个单位g d p 所需要的能源消耗为世界平均水平的3 4 倍， 是日本、德国等发达国家的5 - 6 倍。二氧化硫和二氧化碳排放量分别居世界第一 位和第二位。 1 3 】 作为一个发展中国家，人口众多，人均能源储备低，中国正面临着巨大的能 源压力。一方面，经济要保持较高速度的增长，能源需求正处于持续增长阶段； 另一方面，又必须考虑生态环境保护和社会可持续发展。 2 0 0 6 年2 月，在国务院颁布的国家科学技术发展的中长期规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 【4 】中，突出了能源的战略地位，能源被列为1 1 个重点领域的首位。在规划 的总体部署中，能源与环境被作为首要的战略重点，并明确指出： 根据全面建设小康社会的紧迫需求、世界科技发展趋势和我国国力，必须把 握科技发展的战略重点。一是把发展能源、水资源和环境保护技术放在优先位置， 下决心解决制约经济社会发展的重大瓶颈问题。二是 能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。我国目前能源供需矛盾尖锐， 结构不合理；能源利用效率低；一次能源消费以煤为主，化石能的大量消费造成 严重的环境污染。今后15 年，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效 利用，对能源科技发展提出重大挑战。 对于能源问题的发展思路，规划指出： 第一章绪论 ( 1 ) 坚持节能优先，降低能耗。攻克主要耗能领域的节能关键技术，积极发 展建筑节能技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率。( 2 ) 推进能源结 构多元化，增加能源供应。在提高油气开发利用及水电技术水平的同时，大力发 展核能技术，形成核电系统技术自主开发能力。风能、太阳能、生物质能等可再 生能源技术取得突破并实现规模化应用。( 3 ) 促进煤炭的清洁高效利用，降低环 境污染。大力发展煤炭清洁、高效、安全开发和利用技术，并力争达到国际先进 水平。( 4 ) 我国的能源战略，并非权宜之计，而是切实考虑到社会和经济的可持续发展。 放眼世界，能源正受到日益深入的重视。例如，2 0 0 6 年度美国的国情咨文 5 】中， 对能源政策的调整引起了世人关注。作为世界能源消费量第一的国家，美国将在 以后二十年中减少7 5 从中东的石油进口；积极推进通过开发新技术寻找更洁 净、低廉、可靠的替代能源；将能源技术研究经费增加2 2 ：逐步加大对酒精、 煤炭发电、太阳能、风力发电等在能源结构中的比例。 低温热能的利用 自然界中各种形式的能源通过直接或间接地提供能量为人类所有，能源的利 用过程实质上是能量的传递与形式转换的过程。按热力学的观点，任何其它形式 的能源都可以转化为热能。在一次能源中，热能所占的比例很小。但是，热能利 用却是绝大多数能源利用过程中的必要环节。例如，化石燃料的燃烧、太阳能收 集、核能等通常均先以热能的形式再转换为机械能和电能。因此，能源的开发和 利用是与热能的转换和利用密切相关的。 热能利用有直接和间接利用两种基本方式。热能的直接利用是指直接用热能 加热物体，热能的形式不发生变化，例如传统的蒸煮和取暖、工业热处理、建筑 物空气调节、农副产品、木材、纸张的干燥等。热能的间接利用表现为动力利用， 即转换为机械能或电能以满足人类生产和生活对动力的需要。 与动力利用不同，很多实际的热利用不需要太高的热源温度。例如，用于供 暖的热水温度为5 0 7 0 0 c 。农产品干燥需要的热空气温度为4 0 - 5 0 0 c 。但是，它 们需求的总量很大，在能源结构中占相当的比例。建筑物的供暖、空调、通风、 照明等约占我国总能耗的3 0 。在英国，农副产品干燥的能耗约为总能耗的1 1 。 随着我国农村城镇化和农业产业化，可以预期建筑能耗和农产品干燥能耗必将大 幅增大。 中国科学技术大学博士学位论文( 2 0 0 6 ) 张海峰 低温热能可以主要来自于太阳能的收集、地热、工业余热等。低温热能均存 在能量密度较低、稳定性较差等缺点，在许多情况下人们还不能合理地利用。 以太阳能为例，到达地球表面的太阳辐射能为整个世界能源总需求的1 万 倍。但太阳能的能量密度很低，这些辐射能大部分直接转换为低温热能，被地球 表面的水体和土壤吸收。 根据热力学原理，化石能源通过燃烧再转换为机械能和电能，必有余热释放。 很多工业过程中，均有大量的废水和废气释放。这些余热虽然总量较大，但温度 不高，即能够转换为机械能和电能的可用能较低，传统上被认为无价值而直接排 放。事实上，这些余热若能低成本、高效地回收，不仅具有显著的节能意义，同 时也可以减少对环境的热污染。 建筑物的空气调节是典型的季节性热负荷，然而低温热能的供给在时间和强 度上无法满足使用要求。因此，寻求低温热能的低成本、高效贮存的方法，有望 为解决供需矛盾提供可行的途径。 当前热能利用中的突出浪费是“降级使用”，即把化石燃料直接燃烧，用于 获取温度不高的热能，并用于采暖、空调、干燥等生产生活需求，同时大量的低 温余热被白白浪费。 热泵是一种使热量由低温物体转移到高温物体的能量利用设备。大气、地下 水、土壤、地表水等可以作为热泵的低温热源，其供热可用于采暖、热水供应、 人工水体加热、农产品干燥等。 热泵有许多用途，其节能效果显著，与电取暖相比，可以节省电能7 0 ；与 燃料燃烧产生1 0 0 0 c 以下的热能相比，节省燃料5 0 以上。综合利用低温热能 贮存和热泵技术，既可以节省一次能源消耗，又可以提高一次能源利用的终端用 能效率。 第一章绪论 1 2 国内外热能贮存和热泵研究综述 热能贮存通常可以分为短期、中期、长期的直接贮存和化学贮能。热能短期 贮存技术上较容易实现，以水、石块等为材料的储热技术已得到较广泛的应用。 但短期贮能的能量密度较低，储量有限，且时间较短。化学贮能是利用某些物质 在可逆反应中的吸热和放热过程来达到热能的贮存和提取，化学贮能是一种高密 度的贮能方式，但还存在技术上困难，尚难实际应用。中期和长期贮存是相对于 短期贮存而言的。中期贮能时间约为几天至几十天，长期贮能也称季节性贮能， 贮能时间可达数月以上。【6 1 0 相变贮能 相变贮能是利用贮能材料的物态变化以贮存热能，与显热贮能相比具有贮能 密度高、充释热温度稳定等优点。因此，相变贮能在电网昼夜负荷调节、建筑物 的空气调节、太阳能利用、工业余热回收等方面具有广阔的应用前景。f 1 0 1 4 1 相变贮能的不足之处主要表现为：1 ) 目前用于贮能的材料化学稳定性较差； 2 ) 相变材料中潜热较大的许多水合盐均存在不同程度的过冷现象；3 ) 相变材料的 导热性能较差；4 ) 材料相变前后有明显的体积膨胀。为了克服上述不足，近年来 相变材料的制备和传热强化得到了广泛的重视。 将相变材料采用薄膜封装成微尺度的相变胶囊，可以增大比表面积，起到强 化传热的作用。封装后相变材料和环境隔离，有利于提高其化学稳定性。文献1 5 1 中介绍了一种相变胶囊的制备方法；文献 1 6 中研究了在衣服中添加相变胶囊对 人体在恶劣气候条件下的保护作用；文献【1 7 中报道了相变胶囊在气化床上的应 用研究；文献【1 8 】研究了添加相变胶囊的功能流体的特性。 常用的固液相变材料在相变前后的体积变化约为1 0 ，在很多场合下，相 变材料和器壁间会存在间隙，对换热的影响很大。对相变材料的定形处理方法， 是近年来研究的热点问题。文献 1 9 】中介绍了以多孔石墨为基体的定形方法，相 变材料的填充密度约为4 0 6 0 ，此外石墨基体大大增强了材料的导热性能。文 献 2 0 1 中报道了以石蜡和高密度聚乙烯( h d p e ) 制备的新型定形相变材料，h d p e 框架可将融解后的石蜡固定以防止泄漏，定形后的石蜡质量比可达7 5 。由于 h d p e 的导热系数较石蜡高，这种定形技术亦有传热强化的作用。文献 2 1 2 3 】 报道了定形相变材料的在建筑节能中的应用情况。 针对相变材料的导热性能较差，寻求强化传热的方法一直是人们所关注的问 题。专著【1 0 】中介绍了两种方法，一是填充高导热颗粒，二是加入导热的金属网 格。前者的材料制备简单，但其效果通常不显著：后者只需要很小的填充密度就 中国科学技术大学博士学位论文( 2 0 0 6 ) 张海峰 可达到很好的效果，但是三维的金属网格在实际应用中的报道还不多。采用金属 肋强化传热是一种经典的方法，文献 2 4 ，2 5 中进行了较详细的研究。文献 2 6 中 研究了考虑液相自然对流后的肋传热强化效果。近年来，采用添加丝状导热纤维 强化传热的方法很受关注，该方法材料制备较简单，传热强化效果较好。文献 2 7 3 0 】中，对此方法进行了理论和实验研究。 在应用领域，相变贮能在建筑节能、温室养殖、人体保护、军事伪装、空间 站热控等方面均有应用理论和实验研究的报道 31 3 7 】。 相变材料的热物性是材料制备、传热分析和贮能效率的基本参数。相变材料 的相变温度、潜热、比热等参数通常可由差式扫描量热仪( d s c ) 测量。文献 3 8 ，3 9 1 报道了一些简便实用的测量方法。但对于相变材料的热传输特性参数，如导热系 数和液态的粘度等，少有报道。文献 1 2 】列举了数百种相变材料，但同时给出固 液两相导热系数的不足2 0 种，而粘度数据基本是空缺的。 季节性贮能 长期贮能要求贮能介质应该具有容量足够大、贮存温度受环境的影响小、对 环境无破坏和污染等特点。地表浅层水和土壤是较理想的贮能介质。 土壤全年的温度波动小，深层土壤的温度约为当地年平均温度，是热泵空调 系统的理想热源或热汇。土壤具有良好的蓄热性能，冬季从土壤中提取的热量和 夏季向土壤中排放的热量可以相互补偿。利用土壤长期贮存热能，并作为热泵系 统的高低温热源，已得到广泛应用。 土壤蓄热亦有其不足之处，地下换热器的换热能力受土壤热物性的影响较 大。土壤的导热性能有限，连续运行使得换热器周围的土壤温度变化较大，影响 系统工作的稳定性。地下换热器的换热量有限，因此要求换热器的数量和总面积 较大，初次投资大。 土壤作为一种天然的多孔介质，其物性与温度、压力、成分、几何结构等多 种因素相关，其传热传质特性的研究一直受到人们的关注。文献 4 0 4 8 】中研究了 土壤的热物性以及地下盘管周围的土壤传热传质特性；文献 4 9 研究了不同类型 的土壤对热泵供暖系统性能的影响。 除了直接利用土壤作为长期贮能的介质，地表水季节性贮能也是可行的途 径。这种结合地表水一土壤共同贮能的方式，比单纯的土壤贮能有一定的优势。 其一，热能提取较为方便，不用在土壤里埋设大量换热器，因为地表水自身既可 以作为贮能介质，也可以作为换热介质。其二，此方式对太阳能的贮存非常方便。 据报道，德国、丹麦等纬度较高的欧洲国家，利用地表水池长期贮存太阳能用作 供暖已经得到实际应用 5 0 】。 第一章绪论 目前，季节性贮能的主要目的是为热泵空调系统提供热源，以提高热泵的性 能系数。长期贮能的温度通常在4 0 。c 以下。如果需要直接应用，则需要较高的 贮存温度，文献 5 1 中报道了利用深井灌注贮存太阳能，其贮存温度可高达9 0 。c 。 水源热泵 热能的中长期贮存中，需要考虑到贮能效率、贮存温度、经济性和实用性等 综合因素。因此通常中长期贮能的贮能温度不会太高。从使用的角度上看，长期 贮能虽然贮能总量大，但贮存温度很难直接满足使用需求。利用热泵技术，以少 量的电能投入，提升温度较低的热能以满足使用需求，是经济实用的途径。 水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源( 如地下水、河流和湖泊) ，或者 是人工再生水源( 工业废水、地热尾水等) 的既可供热又可制冷的高效节能空调 系统。利用热泵实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏 季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量“取”出来， 提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中 去。 广义地说，当对象是水体或含水物质，且以水作为热泵机组的冷热载体时， 都可以将之归类为水源热泵。水源热泵具有如下优点： 1 利用地表或浅层水源作为热泵的冷热源，其总量近乎是无限的，过程中不会 有水质污染，是一种清洁可再生的能源利用方式。 2 表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，是较理想的热泵热源和空调冷 源。水源热泵的电能利用效率要比空气源热泵高出4 0 以上。水体的温度波 动范围远小于空气的波动，使得热泵机组运行更稳定可靠，保证了系统的高 效性和经济性。且不存在空气源热泵的冬季除霜等问题。 3 水源热泵使用电能，电能本身为一种清洁能源，虽然发电需消耗一次能源并 导致污染物和