基于化學熱泵的太陽能綜合利用系統(tǒng)

赫明春 席振乾

（山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南250061）

1 研制背景及意義

據(jù)測算，使用一平方米太陽能熱水器，相當于每年節(jié)約120公斤標準煤。2007年發(fā)改委的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中明確提出到2020年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到約3億平方米，加上其他太陽能熱利用，年替代能源量達到6000萬噸標準煤。資料顯示，太陽能熱水器銷售量在2007年已經(jīng)達到1200萬平方米，并以每年20%-30%的速度迅猛發(fā)展。太陽能熱水器不但設(shè)備簡單易用，而且為國家節(jié)約了大量資源，是家用設(shè)備從常規(guī)能源體系轉(zhuǎn)向可再生、綠色能源體系的一項成功案例。

與此同時，市場上新興的熱泵熱水器與傳統(tǒng)熱水器相比已有較大的節(jié)能效果，但是其制熱效率受到環(huán)境條件的制約，效率較低。并且由于光照時間與光照強度的不穩(wěn)定性，太陽能熱水器往往不能和用戶需求相契合，白白損失了大量的能量。

基于以上背景，我們希望通過太陽能與化學熱泵的巧妙結(jié)合來補足目前主流太陽能熱水器的缺點，大幅度提高太陽能的使用效率，實現(xiàn)全方位、多功能的利用，不僅可以加熱生活用水，而且可以制冷制熱。化學熱力循環(huán)系統(tǒng)也可以實現(xiàn)不受時間限制的高密度、高轉(zhuǎn)化率的儲能。沒有污染、造價不高的太陽能化學熱泵系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)供熱空調(diào)系統(tǒng)大量消耗常規(guī)能源的缺點，響應了國內(nèi)建設(shè)不耗能生態(tài)建筑的號召，對解決環(huán)境危機和能源短缺有相當?shù)囊饬x。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

本設(shè)計充分利用了化學熱泵與太陽能結(jié)合的作用，將化學熱泵的作用最大化，這不僅實現(xiàn)了普通熱泵的供暖作用，還能夠用于制冷和蓄熱。

2.2 工作原理

整個循環(huán)過程可分為解離期和絡(luò)合期。在解離期,處于中溫TM(約40－45℃)的氯化鈣二甲醇絡(luò)合物被高溫 TH(約 110－130℃)熱源加熱至接近TH,發(fā)生解離反應,吸收熱量QH,釋放出氣體工質(zhì)甲醇。該氣體被冷卻降溫至中溫TM,冷凝放出熱量QM2,變成液體甲醇,隨后循環(huán)進入絡(luò)合期。蒸發(fā)器中液態(tài)甲醇在低溫TL(約10－5℃)下蒸發(fā),從環(huán)境中吸收熱量QL,取得制冷效應。汽化的甲醇與解離的產(chǎn)物氯化鈣發(fā)生絡(luò)合反應放出熱量QM1,同時床層逐漸被冷卻至TM,至此完成一個循環(huán)。其結(jié)果是系統(tǒng)消耗了高溫熱量QH,除了直接傳熱給中溫熱源TM外,還從低溫熱源TL中吸收熱量QL,產(chǎn)生額外供熱量,達到增熱和制冷的目的。

2.3 工質(zhì)對選擇

以氯化鈣甲醇絡(luò)合物作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)有許多優(yōu)點：

（1）甲醇有較低的冰點（－98℃）,熱泵循環(huán)既可用于供熱,又可用于致冷;

（2）甲醇蒸氣有較高的冷凝溫度（64.7℃）,即使夏季氣溫高達40℃,以空氣作冷卻劑也足以將甲醇蒸氣冷凝下來;

（3）室溫下甲醇有較高的飽和蒸氣壓,使氯化鈣吸收甲醇蒸氣時不致產(chǎn)生較大的負壓,不必像水基熱泵那樣需要較粗的管路系統(tǒng),在稍低于大氣壓下工作也可免除高壓帶來的危險。

2.4 裝置簡介

如圖1所示，此系統(tǒng)由兩個循環(huán)系統(tǒng)組成。一個是太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng),一個是化學熱力循環(huán)系統(tǒng)。

運行過程如下：

1中的甲醇液體溫度約為40-50℃，經(jīng)過12進入6內(nèi)，此時甲醇溫度可降至-15℃左右，7通過傳熱介質(zhì)進入6與甲醇進行熱交換，6中甲醇蒸發(fā)吸熱，此時可以起到制冷作用。

圖1 基于化學熱泵的太陽能綜合利用系統(tǒng)圖示

打開11后，甲醇蒸氣通過11進入5中，與5中的無水氯化鈣結(jié)合形成氯化鈣二甲醇放出大量的反應熱。此時，3中的冷水進入5，吸收反應放出的熱量后升溫至45℃左右，回到3中供用戶使用。

4在吸收太陽能之后通過傳熱介質(zhì)進入5中，5中的絡(luò)合物吸熱至一定程度后分解，反應產(chǎn)生溫度約為130℃甲醇蒸氣。蒸氣通過10后進入分叉管，由于10只能單向通過，從而保證了蒸發(fā)后的甲醇不會冷凝回流至5。關(guān)于進入分叉管的甲醇蒸氣，在冬季，室內(nèi)溫度低，則關(guān)閉8打開9，甲醇蒸氣通過2將溫度傳遞給水，可將水加熱至約50-60℃，繼而通過暖氣片給室內(nèi)供暖。而在夏季，由于不需要供暖，則關(guān)閉9打開8使甲醇降溫冷凝后直接進入貯存在1中。從而完成一個循環(huán)過程。

3 應用前景

3.1 利用甲醇作為循環(huán)工質(zhì)，充分利用甲醇相變釋放的潛熱

甲醇作為一種良好的相變材料，能夠很好的適應吸熱放熱的需求；第一，甲醇有較低的冰點，在熱泵循環(huán)中既可用于供熱又可用于致冷；第二，甲醇蒸氣有較高的冷凝溫度，即使夏季氣溫高達40℃，以空氣作冷卻劑也足以將甲醇蒸氣冷凝下來；第三，室溫下甲醇有較高的飽和蒸氣壓，使氯化鈣吸收甲醇蒸氣時不致產(chǎn)生較大的負壓，不必像水基熱泵那樣需要較粗的管路系統(tǒng)；在稍低于大氣壓下工作也可免除高壓帶來的危險；第四，甲醇的反應溫度廣，與主要工業(yè)金屬不發(fā)生反應，因此對系統(tǒng)設(shè)備不具有腐蝕性；第五，甲醇的含量豐富，造價低，系統(tǒng)一段運行時間后維護成本較低；第六，甲醇是綠色物質(zhì)，在正常情況下是無色有酒精氣味的液體，使用不會對地球的熱平衡以及周圍環(huán)境造成影響。

3.2 利用甲醇貯存箱可以在無太陽能輸入的情況下提供熱量

甲醇貯存箱中的液態(tài)甲醇在閥門開啟的情況下，進入蒸發(fā)器內(nèi)與低溫熱源換熱，在低壓條件下吸收低品位熱量蒸發(fā)，在反應器中與無水氯化鈣結(jié)合放出高品位的化學能，從而完成熱泵的作用。而所有的能量均來自于太陽能對于氯化鈣二甲醇絡(luò)合物的分解，由此達到了太陽能的貯存作用。

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［2］張軍,魏新利,孟祥睿,馬新靈.低品位熱能利用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社2012.

［3］胡艷,徐士鳴.以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能[J].太陽能學報,2006(4)：497-502.