相变乳液复合太阳能热水系统的性能研究与经济性分析

摘要

相变材料复合太阳能热水（SWH-PCM）系统是将传统的太阳能热水系统与相变材料相结合。该技术不仅可以提高传统太阳能热水（SWH）系统的集热效率，还可以在时间和空间上对系统收集的热量进行贮存。目前针对SWH-PCM系统的研究大多集中于利用定型相变材料对集热器或水箱的性能进行改善，少部分关于功能型流体在太阳能热水系统中的应用也只停留在对功能型流体本身进行性能研究的层面。然而实际辐射条件下功能型流体在太阳能热水系统中的集热、流动情况还需要与传统SWH系统进行比较才能看出新系统的特性。本文制备了适用于SWH-PCM系统的复合石蜡乳液作为流动介质，与传统SWH系统进行对比得到新系统的运行特性。并以单户热水系统作为研究对象，分析了不同热水系统的经济效益和环境效益。 根据相转化法制备了石蜡乳液，但其存在14.23℃的过冷度，且导热系数仅有 0.4485W·m-1·K-1。通过添加石墨烯作为成核剂将复合乳液的过冷度降低至0.27℃，且导热系数提高了20.22%。300次的冷热循环实验后测量复合乳液的粒径、相变焓值及粘度，各项测量结果均证明该复合乳液的稳定性较好。 根据太阳能热水系统原理搭建实验台，通过误差分析研究实验台的可靠性。分别以自制的复合石蜡乳液和水作为流动介质来搭建 SWH-PCM 系统实验台和SWH 系统实验台。首先研究了不同流体对集热特性的影响，通过分析得到SWH-PCM系统在相变材料尚未融化时具有较高的平均蓄热量。通过改变辐射照度和流量，得到两个系统在辐射照度升高时总蓄热量均有所增加，但是热效率呈现出不同的趋势。对于流量的增加，SWH-PCM系统的蓄热量和热效率均有所减少，同时 SWH 系统的蓄热量和热效率则基本没有发生变化。说明相比于 SWH系统，SWH-PCM系统不仅在蓄热量和热效率方面占有优势，并且最佳流量较低，可以进一步降低系统的成本。 最后，针对提出的SWH-PCM系统，以电热水系统、燃气热水系统和SWH系统为对比，通过比较单位热水成本、累计折现值、动态投资回收期、内部收益率等经济性指标来分析该系统的经济性。通过计算所减少二氧化碳等污染物的排放量，得到该系统可以减少相应化石能源的使用，具有良好的环保效益。

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