國內外研究現狀和發展動態
【項目背景及意義】
隨著全球能源需求的增長，環境污染日益加劇，人類社會的可持續發展面臨著嚴峻的能源危機考驗。世界各國均在謀求轉型，開發利用新能源、節約能源與提高能源利用效率已成為社會關注的焦點。太陽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注，并大力發展太陽能光熱產業。中國是太陽能資源豐富的國家。我國陸地面積年接收太陽能輻射能約為50×1015 MJ，全國各地太陽能年輻射總量為 3350～8370 MJ/m2，有三分之二以上的國土面積年日照時數大于2000 h/a，輻射總量高于5016 MJ/m2。因此，在全國范圍內發展光熱、光電、光化學等太陽能產業具有良好的基礎。
太陽能是太陽連續不斷向宇宙空間發射的電磁輻射能，目前我國太陽能利用比較成熟的技術有太陽能熱水器和太陽能光伏發電。經過多年的發展，我國太陽能熱水器產業已經形成較為完整的工業體系，成為太陽能熱水器生成和使用大國。每平方米平板太陽能集熱器平均每個正常日照日，可產生相當于2.5度電的熱量，每年可節約標準煤170～180 Kg，可實現CO2的排放量減少700 Kg。根據中國太陽能熱利用產業聯盟的統計，2017年全年我國太陽能集熱器及系統銷售量達3723萬m2(26061 MWth)，同比下降5.7%，保有量達到4.78億m2(334460 MWth)；雖然傳統產品的銷售降幅收窄，但是保有量增幅趨緩[1]。近年來太陽能熱水器市場開始下滑，主要原因是傳統太陽能產品技術門檻低、技術缺乏創新，無法進入城市擴大市場。
太陽能熱水器一般是由集熱器、保溫水箱、連接管路、閥門、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白天集熱裝置加熱的水，以滿足客戶在需要的時候使用。傳統太陽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，水箱里面的水與所有的真空集熱管聯通，只要其中任一根真空管破裂，那么整個熱水器將無法使用，而且水箱中的水會完全漏出。傳統太陽能熱水器無法與現代城市建筑結合，實現熱水器與建筑一體化；保溫水箱是太陽能熱水器的重要組成部分，由于水箱的存在，熱水系統的安裝極大的受到周圍環境限制，故無法實現太陽能熱水器與建筑的完美結合。傳統太陽能熱水器無法與現代城市建筑協調統一也是造成太陽能熱水器一直未能在城市中廣泛使用的主要原因。傳統太陽能熱水器管內存水過多，管內水溫上升緩慢；由于真空管內部空間比較大，系統中水流的循環流動完全是靠各部位溫度不同而形成的自然循環，所以一般的熱水裝置管中熱水無法完全取出，致使系統熱水利用效率低。此外，傳統的太陽能熱水器還存在支架承壓大、管子易炸裂、在嚴寒地區使用易結凍等缺點。
太陽熱水器與現代建筑結合是太陽能熱水器發展的必由之路。作為新一代太陽能熱水器，無水箱太陽能熱水器是為克服傳統太陽能熱水器的缺點而開發的新型太陽能熱水器，采用相變材料儲熱的熱水器能有效解決傳統熱水器水箱過大等問題[2],它的主要特點是沒有水箱，熱量全部儲存在真空管的內部，是一種集成“集熱-儲熱-加熱”功能于一體的太陽能熱水器，能夠實現熱水系統與建筑的完美結合。它無水箱，不占空間，安裝方便，承壓可直接走水，得熱量比傳統的太陽能熱水器要高。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)的特點越來越受行業內人士的關注。
儲熱材料是相變無水箱太陽能熱水器的主要部分，相變材料具有優越的潛熱性能，但絕大部分熱導系數較小，故需采取必要的相變儲熱措施。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合，依靠導熱性能較好的多孔礦物介質骨架增強相變材料導熱傳熱能力，制備基于多孔礦物介質的復合相變儲熱材料[3]。國內外學者已對石墨、珍珠巖、硅藻土、埃洛石、高嶺土等[4]非金屬礦物展開了大量的研究，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合相變儲熱材料，復合材料具有很好熱穩定性和化學穩定性，與傳統方法相比，采用礦物具有導熱強化效果均勻、制備簡便、成本低等優點[5]。課題組已經成功開發了以蛭石、椰殼炭、二氧化硅、石墨烯、膨脹石墨等為載體的高效太陽能儲熱材料，儲熱容量高達130 kJ·kg-1，導熱系數可達1.0 W·m-1·K-1以上。
綜上所述，在國內開發高效無水箱熱水器新技術是面對能源轉型，解決常規熱水器高能耗問題以及節約能源的有效途徑之一，因此，無水箱太陽能熱水器的研發具有非常重要的意義。本項目擬根據我國太陽能資源特點以及居民用水特征，開發基于高效相變儲熱材料的無水箱太陽能熱水器整體優化技術，并開展工程現場實踐應用。
【國內外研究現狀和發展動態】
太陽能熱水器的發展始于18世紀60年代瑞士，1891年，第一臺有實用價值的熱水器在美國問世。國內相關研究起步于1958年，國內學者一直從事于太陽能吸收利用以及熱水器的整體設計，到1987年國內已形成全玻璃真空集熱管和熱管真空管集熱工業，我國太陽能熱水器產業達到新高度。因此，國內真空集熱管占據太陽能熱水器95%以上的市場，而國外太陽能市場卻基本為平板太陽能熱水器。太陽能熱水器按照集熱器類型（圖1）可以分為平板式、真空管式、熱管真空管式太陽能熱水器，其中真空管式太陽能熱水器在農村地區占有廣闊市場。但傳統太陽能熱水器在與建筑結合方面未能有重大突破，限制了太陽能熱水器的發展，現階段普遍解決方案為分體安裝。
圖 1 太陽能熱水器分類及發展
相變無水箱太陽能熱水器的研究起步較晚，是針對于傳統太陽能熱水器缺陷而研發的一款產品，尤其是在太陽能熱水器建筑一體化方面的缺陷。目前，國內外學者對相變太陽能熱水器的研究主要集中在相變儲熱裝置以及相變儲熱材料上。按照集熱器與儲熱系統結構是否緊湊可以分為分體式太陽能熱水器和一體化太陽能熱水器。
一體化無水箱相變太陽能熱水器是采用緊湊結構的設計，將集熱裝置、儲熱裝置集成于一體的相變太陽能熱水器。如徐柏恒[6]發明的“一種儲熱式無水箱太陽能熱水器(見圖2 b)”，該熱水器集“集熱器、儲熱裝置”為一體，使得系統結構緊湊，減少了中間換熱環節。設計者們通常把相變材料封裝在真空管內，同時管路分布在相變材料中，利用真空管涂層對相變材料加熱，取熱時利用泵或自來水流提供動力，管內流入冷水直接進行取熱；或者采用平板集熱器，通過太陽直曬相變材料捕獲太陽能，同時把管路均勻填埋于相變材料中。此結構設計新穎美觀，并且安裝方便，安裝運行維護費用低，能與現有建筑完美的結合。相變儲熱材料是相變無水箱太陽能熱水器的關鍵部分，相變材料具有優越的潛熱性能且溫度較恒定[7]，但多數相變材料導熱系數小，影響相變太陽能熱水器的換熱性能，故需對儲熱裝置采取必要的強化傳熱措施。可以直接在相變裝置中添加翅片，肋片等強化傳熱結構，或者在相變材料中添加泡沫金屬、金屬粉末、石墨烯等熱導系數大的材料增加儲熱裝置的換熱性能。此外，也可以利用膨脹石墨(EG)、蛭石(VMT)、珍珠巖等多孔礦物質吸附石蠟、硬脂酸等相變物質制成熱導系數大的復合型相變材料。
圖 2 熱水器換熱結構(a 相變水箱盤狀螺旋換熱結構；b 儲熱式無水箱太陽能熱水器結構圖；注：1-太陽能能真空管；2-儲熱材料；3-電加熱器；4-進水管；5-出水管；6-換熱器。)
分體式太陽能熱水器是在傳統太陽能熱水器基礎上，采用集熱器、儲熱器分開安裝，通過傳熱介質將太陽能集熱器中吸收的熱量傳導到相變儲熱裝置存儲利用的一類熱水器。相變儲熱水箱以及的設計，國內外學者提出數種不同形狀的相變儲熱結構，比如圖2 a中結構簡單的盤狀螺旋換熱結構[8]。綜合目前學者工作，熱水器用相變儲熱結構一般可分為兩類：(1)系統采用具有內部換熱器的集總封裝方式對相變材料封裝。比如，儲熱裝置采用管簇式儲熱器，換熱流體的管路均勾分布在相變材料中，管內流換熱流體，管外為相變材料。在加熱和取熱時，釆用強制循環，利用水泵提供動力換熱流體通過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熱器，包括多種的圓柱體堆積床相變儲熱裝置、球體堆積床相變儲熱裝置。利用泵提供動力，換熱流體流入填充床式儲熱器，采用直接接觸換熱方式，對相變單元材料進行加熱和取熱。分體式太陽能熱水器因水箱與集熱器分開安裝，集熱裝置可以去除笨重水箱，因此可以實現建筑與熱水器的完美結合，但是安裝運行費用高、安裝麻煩、熱利用效率低。
分體式太陽能熱水器與一體化相變太陽能熱水器均能實現與建筑的完美結合，但分體式成本較高、熱利用效率較低。因此，本項目擬采用本項目組已開發的高效太陽能儲熱材料(專利申請號：201510996234.X，發明人：李傳常，楊立新，陳薦)以及初步制作的試驗無水箱太陽能熱水器樣機的基礎上，通過現場試驗數據采集分析、相變材料與集熱管道匹配優化設計、集熱管及連接管道匹配優化設計等手段，制作一臺出水溫度穩定、熱水供量充足等性能優良且安裝方便無水箱太陽能熱水器。
【主要參考文獻】
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[2] 鄒得球, 詹建, 李樂園等. 熱水器用相變儲熱材料的研究進展[J]. 化工進展, 2017,36(1):268-273.
[3] 李傳常, 羅杰, 江杰云, 楊逸男, 楊華明. 基于礦物特性的太陽能儲熱材料研究進展[J]. 中國材料進展, 2012, 31(9): 51-56.
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[6] 徐柏恒 一種儲熱式無水箱太陽能熱水器[P]. CN 201120520054.2, 2012-11-21.
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[8] Ahmadi R, Hosseini MJ, Ranjbar AA, Bahrampoury R. Phase change in spiral coil heat storage systems[J]. Sustainable Cities and Society, 2018,38:145-57.
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