国内外研究现状和发展动态
【项目背景及意义】
随着全球能源需求的增长，环境污染日益加剧，人类社会的可持续发展面临着严峻的能源危机考验。世界各国均在谋求转型，开发利用新能源、节约能源与提高能源利用效率已成为社会关注的焦点。太阳能作为最清洁的可再生能源，在所有的可再生能源中，分布最广且易得，受到全世界的广泛关注，并大力发展太阳能光热产业。中国是太阳能资源丰富的国家。我国陆地面积年接收太阳能辐射能约为50×1015 MJ，全国各地太阳能年辐射总量为 3350～8370 MJ/m2，有三分之二以上的国土面积年日照时数大于2000 h/a，辐射总量高于5016 MJ/m2。因此，在全国范围内发展光热、光电、光化学等太阳能产业具有良好的基础。
太阳能是太阳连续不断向宇宙空间发射的电磁辐射能，目前我国太阳能利用比较成熟的技术有太阳能热水器和太阳能光伏发电。经过多年的发展，我国太阳能热水器产业已经形成较为完整的工业体系，成为太阳能热水器生成和使用大国。每平方米平板太阳能集热器平均每个正常日照日，可产生相当于2.5度电的热量，每年可节约标准煤170～180 Kg，可实现CO2的排放量减少700 Kg。根据中国太阳能热利用产业联盟的统计，2017年全年我国太阳能集热器及系统销售量达3723万m2(26061 MWth)，同比下降5.7%，保有量达到4.78亿m2(334460 MWth)；虽然传统产品的销售降幅收窄，但是保有量增幅趋缓[1]。近年来太阳能热水器市场开始下滑，主要原因是传统太阳能产品技术门槛低、技术缺乏创新，无法进入城市扩大市场。
太阳能热水器一般是由集热器、保温水箱、连接管路、阀门、辅助加热器以及控制单元等主要部件组成。保温水箱是用于存储白天集热装置加热的水，以满足客户在需要的时候使用。传统太阳能热水器的使用寿命极大的受到单根真空管影响；热水器在工作时，水箱里面的水与所有的真空集热管联通，只要其中任一根真空管破裂，那么整个热水器将无法使用，而且水箱中的水会完全漏出。传统太阳能热水器无法与现代城市建筑结合，实现热水器与建筑一体化；保温水箱是太阳能热水器的重要组成部分，由于水箱的存在，热水系统的安装极大的受到周围环境限制，故无法实现太阳能热水器与建筑的完美结合。传统太阳能热水器无法与现代城市建筑协调统一也是造成太阳能热水器一直未能在城市中广泛使用的主要原因。传统太阳能热水器管内存水过多，管内水温上升缓慢；由于真空管内部空间比较大，系统中水流的循环流动完全是靠各部位温度不同而形成的自然循环，所以一般的热水装置管中热水无法完全取出，致使系统热水利用效率低。此外，传统的太阳能热水器还存在支架承压大、管子易炸裂、在严寒地区使用易结冻等缺点。
太阳热水器与现代建筑结合是太阳能热水器发展的必由之路。作为新一代太阳能热水器，无水箱太阳能热水器是为克服传统太阳能热水器的缺点而开发的新型太阳能热水器，采用相变材料储热的热水器能有效解决传统热水器水箱过大等问题[2],它的主要特点是没有水箱，热量全部储存在真空管的内部，是一种集成“集热-储热-加热”功能于一体的太阳能热水器，能够实现热水系统与建筑的完美结合。它无水箱，不占空间，安装方便，承压可直接走水，得热量比传统的太阳能热水器要高。它以高(得热效率高)、低（热损失低）、新(热水新鲜)、省(省空间、省电、省水)、方便(安装方便、使用方便)的特点越来越受行业内人士的关注。
储热材料是相变无水箱太阳能热水器的主要部分，相变材料具有优越的潜热性能，但绝大部分热导系数较小，故需采取必要的相变储热措施。有研究者提出利用非金属矿物的矿物特性，将非金属矿物与相变材料复合，依靠导热性能较好的多孔矿物介质骨架增强相变材料导热传热能力，制备基于多孔矿物介质的复合相变储热材料[3]。国内外学者已对石墨、珍珠岩、硅藻土、埃洛石、高岭土等[4]非金属矿物展开了大量的研究，利用这些矿物的天然特性，装载石蜡、硬脂酸、熔融盐、形变低共熔物等相变材料制备复合相变储热材料，复合材料具有很好热稳定性和化学稳定性，与传统方法相比，采用矿物具有导热强化效果均匀、制备简便、成本低等优点[5]。课题组已经成功开发了以蛭石、椰壳炭、二氧化硅、石墨烯、膨胀石墨等为载体的高效太阳能储热材料，储热容量高达130 kJ·kg-1，导热系数可达1.0 W·m-1·K-1以上。
综上所述，在国内开发高效无水箱热水器新技术是面对能源转型，解决常规热水器高能耗问题以及节约能源的有效途径之一，因此，无水箱太阳能热水器的研发具有非常重要的意义。本项目拟根据我国太阳能资源特点以及居民用水特征，开发基于高效相变储热材料的无水箱太阳能热水器整体优化技术，并开展工程现场实践应用。
【国内外研究现状和发展动态】
太阳能热水器的发展始于18世纪60年代瑞士，1891年，第一台有实用价值的热水器在美国问世。国内相关研究起步于1958年，国内学者一直从事于太阳能吸收利用以及热水器的整体设计，到1987年国内已形成全玻璃真空集热管和热管真空管集热工业，我国太阳能热水器产业达到新高度。因此，国内真空集热管占据太阳能热水器95%以上的市场，而国外太阳能市场却基本为平板太阳能热水器。太阳能热水器按照集热器类型（图1）可以分为平板式、真空管式、热管真空管式太阳能热水器，其中真空管式太阳能热水器在农村地区占有广阔市场。但传统太阳能热水器在与建筑结合方面未能有重大突破，限制了太阳能热水器的发展，现阶段普遍解决方案为分体安装。
图 1 太阳能热水器分类及发展
相变无水箱太阳能热水器的研究起步较晚，是针对于传统太阳能热水器缺陷而研发的一款产品，尤其是在太阳能热水器建筑一体化方面的缺陷。目前，国内外学者对相变太阳能热水器的研究主要集中在相变储热装置以及相变储热材料上。按照集热器与储热系统结构是否紧凑可以分为分体式太阳能热水器和一体化太阳能热水器。
一体化无水箱相变太阳能热水器是采用紧凑结构的设计，将集热装置、储热装置集成于一体的相变太阳能热水器。如徐柏恒[6]发明的“一种储热式无水箱太阳能热水器(见图2 b)”，该热水器集“集热器、储热装置”为一体，使得系统结构紧凑，减少了中间换热环节。设计者们通常把相变材料封装在真空管内，同时管路分布在相变材料中，利用真空管涂层对相变材料加热，取热时利用泵或自来水流提供动力，管内流入冷水直接进行取热；或者采用平板集热器，通过太阳直晒相变材料捕获太阳能，同时把管路均匀填埋于相变材料中。此结构设计新颖美观，并且安装方便，安装运行维护费用低，能与现有建筑完美的结合。相变储热材料是相变无水箱太阳能热水器的关键部分，相变材料具有优越的潜热性能且温度较恒定[7]，但多数相变材料导热系数小，影响相变太阳能热水器的换热性能，故需对储热装置采取必要的强化传热措施。可以直接在相变装置中添加翅片，肋片等强化传热结构，或者在相变材料中添加泡沫金属、金属粉末、石墨烯等热导系数大的材料增加储热装置的换热性能。此外，也可以利用膨胀石墨(EG)、蛭石(VMT)、珍珠岩等多孔矿物质吸附石蜡、硬脂酸等相变物质制成热导系数大的复合型相变材料。
图 2 热水器换热结构(a 相变水箱盘状螺旋换热结构；b 储热式无水箱太阳能热水器结构图；注：1-太阳能能真空管；2-储热材料；3-电加热器；4-进水管；5-出水管；6-换热器。)
分体式太阳能热水器是在传统太阳能热水器基础上，采用集热器、储热器分开安装，通过传热介质将太阳能集热器中吸收的热量传导到相变储热装置存储利用的一类热水器。相变储热水箱以及的设计，国内外学者提出数种不同形状的相变储热结构，比如图2 a中结构简单的盘状螺旋换热结构[8]。综合目前学者工作，热水器用相变储热结构一般可分为两类：(1)系统采用具有内部换热器的集总封装方式对相变材料封装。比如，储热装置采用管簇式储热器，换热流体的管路均勾分布在相变材料中，管内流换热流体，管外为相变材料。在加热和取热时，釆用强制循环，利用水泵提供动力换热流体通过金属壁面与相变材料换热。(2) 相变材料采用分封装。通常采用填充床式储热器，包括多种的圆柱体堆积床相变储热装置、球体堆积床相变储热装置。利用泵提供动力，换热流体流入填充床式储热器，采用直接接触换热方式，对相变单元材料进行加热和取热。分体式太阳能热水器因水箱与集热器分开安装，集热装置可以去除笨重水箱，因此可以实现建筑与热水器的完美结合，但是安装运行费用高、安装麻烦、热利用效率低。
分体式太阳能热水器与一体化相变太阳能热水器均能实现与建筑的完美结合，但分体式成本较高、热利用效率较低。因此，本项目拟采用本项目组已开发的高效太阳能储热材料(专利申请号：201510996234.X，发明人：李传常，杨立新，陈荐)以及初步制作的试验无水箱太阳能热水器样机的基础上，通过现场试验数据采集分析、相变材料与集热管道匹配优化设计、集热管及连接管道匹配优化设计等手段，制作一台出水温度稳定、热水供量充足等性能优良且安装方便无水箱太阳能热水器。
【主要参考文献】
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[2] 邹得球, 詹建, 李乐园等. 热水器用相变储热材料的研究进展[J]. 化工进展, 2017,36(1):268-273.
[3] 李传常, 罗杰, 江杰云, 杨逸男, 杨华明. 基于矿物特性的太阳能储热材料研究进展[J]. 中国材料进展, 2012, 31(9): 51-56.
[4] C. Li, L. Fu, J. Ouyang, A. Tang, H. Yang. Kaolinite stabilized paraffin composite phase change materials for thermal energy storage[J]. Applied Clay Science, 2015, 115: 212-220.
[5] H. Zhang, J. Baeyens, G. Cáceres, J. Degrève, Y. Lv. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2016, 53: 1-40.
[6] 徐柏恒 一种储热式无水箱太阳能热水器[P]. CN 201120520054.2, 2012-11-21.
[7] Teamah HM, Lightstone MF, Cotton JS. Potential of cascaded phase change materials in enhancing the performance of solar domestic hot water systems[J]. Solar Energy, 2018,159:519-30.
[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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