摘要：探讨了热电热泵相变蓄热装置的工作原理。对热电热泵相变蓄热装置蓄热、放热工况下相变材料(石蜡)温度、状态的变化及制热性能系数进行了分析。实验条件下，相变材料的相变过程明显，蓄放热效果理想。蓄热阶段，余热热源温度为32℃、工作电压为8V时，制热性能系数达到2.2；放热阶段，被加热冷风温度为25℃、工作电压为4V时，制热性能系数达到5.6。
关键词：相变蓄热；热电热泵；主动蓄热(放热)；热电芯片
Principle and Performance Test of Thermoelectric Heat Pump Phase Change Heat Storage Device
ZHANG Ling，XU Min，LIU Zhong-bing，ZHANG Xiao-jie
Abstract：The working principle of thermoelectric heat pump phase change heat storage device is introduced. The temperature，state variation and heating performance coefficient of phase change material(paraffin)under heat storage and release working conditions are analyzed. The phase change process of the material is obvious with ideal heat storage and release effect under the experimental condition. The heating performance coefficient is 2.2 when the temperature of residual heat source is 32℃ and the working voltage is 8V in the heat storage stage. The heating performance coefficient is 5.6 when the temperature of heated cold air is 25℃ and the working voltage is 4V in the heat release stage.
Key words：phase change heat storage；thermoelectric heat pump；active heat storage/release：thermoelectric chip
1 概述
相变蓄热是利用蓄热材料的物态变化储存热能，与显热蓄热相比具有蓄热密度高、充释热温度稳定等优点，受到了普遍关注[1～3]。为实际应用和研究的需要，研究者们设计了不同结构的相变蓄热装置。Shamsundar等人[4]设计了一种壳-管式蓄热换热器，并对其进行蓄放热实验研究。Banaszek等人[5]对采用螺旋式结构的相变蓄热装置进行了理论与实验研究。吕其岗等人[6]及Bogdan等人[7]分别设计了蓄热式的热管换热器。王增义等人[8]借鉴了热管在蓄热方面的理论与应用，设计了一套热管式相变蓄热换热器，并进行了详细的实验研究。
为改善相变蓄热装置的蓄放热特性，国内外学者设计了各种结构形式的相变蓄热装置，并在提高相变材料传热性能方面做了很多工作[9～14]。但不难发现上述相变蓄热装置都是被动式的，一方面，只能通过余热热源与相变材料之间的温差被动蓄热，因此并不适用于低温余热回收利用；另一方面，在余热回收过程中，被动式的相变蓄热装置不能根据余热排放的时间和强度适时调整蓄热速率，以充分回收余热，提高回收效率，在热能释放的过程中，不能按照能源使用端的要求实现热能的主动释放。
考虑到被动式相变蓄热装置的局限，本文结合热电制冷(制热)技术，设计了一种热电热泵相变蓄热装置，该装置可以实现主动蓄放热，为余热回收、电力的移峰填谷、将间断能源(如太阳能、风能等)转化为连续能源等提供了新途径。
2 工作原理及装置结构
热电热泵以消耗一部分电能为代价，把环境介质如水、空气等储存的热量从温度低的一端(冷端)移到温度高的一端(热端)。根据热电制热原理，在热电热泵冷热端温差较小时，特别是当冷端温度高于热端温度时，热电热泵的制热性能系数相应提高。热电热泵相变蓄热装置的结构见图1。
蓄热阶段，通过输入少量的电能，经过热电芯片的热泵作用把余热以潜热和少部分显热的形式储存在相变材料中。在蓄热过程中，根据余热排放时间和强度，通过调节输入热电芯片的电压，调节装置的蓄热速率实现主动蓄热，以充分回收余热。蓄热完成以后，通过改变输入热电芯片电流的方向，输入少量的电能，可把储存在相变材料中热能释放出来。放热速率可以通过改变输入电压进行调节，以满足能源使用端的需求。文献[15]详细介绍了热电热泵的各种性能参数的计算式，并指出提高热电热泵效率有3种途径：提高热电材料优值系数；减小热电元件的工作温差；适当提高冷热端工作温度。其中优值系数综合了热电材料的电学和热学两方面的因素，目前，工程上可应用的热电材料的优值系数范围为(1.5～3.0)×10-3K-1。在冷热端温差小于50℃时，单级热电热泵制热性能系数为1.5～7.0，在级联的情况下，还可以获得更大的制热性能系数[15]。
实验中选用的相变材料为相变储能专用石蜡(35号)，正构烃含量大于90%，相变温度为35℃。热电芯片型号为TEC1-12706，最大工作电压、电流分别为15.4V、6A，最大温差为60℃。共选用6片热电芯片，每2片一组，每组热电芯片冷热端各采用一个热管散热器。蓄热箱体采用1mm厚的镀锌钢板制作，铜底板采用1.2mm厚的紫铜板。为了减少散热损失，蓄热箱体采取保温措施。
热电热泵相变蓄热装置工作过程为：热电热泵相变蓄热装置的冷热端会随着工况的不同而相互转换。蓄热工况下，含有低温余热的介质经过风机与热管散热器4(冷端)换热，经热电热泵作用后产生的热量经过热管散热器7(热端)将石蜡融化，将热量以大量潜热和少量显热的形式储存在相变材料中。放热工况下，电流转向，冷热端互换，输入少量的电能强化储存在相变材料中热能的释放，这时取热流体在风机的作用下与热管散热器4(热端)换热升温后排出。温度测点的具体布置见图1。
3 实验结果及分析
3.1 蓄热过程
① 测点温度的变化
工作电压为8V，余热热源温度为32℃时，蓄热阶段测点T1～T3温度随时间的变化见图2。由图2可知，在蓄热开始时期，测点T3处的石蜡吸收热量后温度有明显的升高。在达到相变温度(35℃)前，石蜡主要呈固态，石蜡从热管壁吸收的热量主要用于其自身温度的提高，以显热的形式储热。
经过约60min石蜡开始发生相变。进入相变阶段后，测点B处的石蜡温度迅速升高，随着相变过程的进行，热管翅片与固态石蜡之间出现液相层，从而出现自然对流传热。
在60～100min内，测点T3处的石蜡相变过程完成。由于这个时间段内自然对流传热强度很弱，石蜡内部传热方式仍然以导热为主，因此测点T1、T2附近的石蜡未达到相变温度，测点T3处石蜡的温度持续上升，与T1、T2处的温差进一步增大。
在100～260min内，随着测点T3处石蜡融化量的增加，热管翅片与固态界面之间的距离加大，使浮升力的影响逐渐增大，自然对流传热的作用渐渐得到加强[16]，内部传热情况大大改善，测点T3的温度曲线进入了一段比较平缓的阶段，蓄热过程稳定进行。期间测点T1、T2处的石蜡先后达到相变温度，开始融化。最后蓄热箱内石蜡完全相变，进入显热蓄热阶段，测点T1～T3的温度曲线急剧上升，蓄热过程完成。
② 余热热源温度对冷热端温差的影响
根据热电热泵原理，冷热端温差对热电热泵制热性能有重要影响，冷热端温差越小，制热性能系数越大。余热热源温度的改变使得冷端的换热条件发生改变，这也必将改变热电热泵相变蓄热装置的冷热端温差，进而影响热电热泵的制热性能。蓄热阶段，不同余热热源温度下冷热端温差随时间的变化见图3。由图3可知，余热热源温度越高，冷热端温差越小。
③ 余热热源温度对制热性能系数的影响
由实验结果可知：余热热源温度为18℃时，冷热端温差为20.20～30.95℃，制热性能系数为1.52～1.14；余热热源温度为26℃时，冷热端温差为12.55～23.20℃，制热性能系数为1.86～1.51；余热热源温度为32℃时，冷热端温差为6.50～17.3℃，制热性能系数为2.23～1.71。可以看出，余热热源温度越高，冷热端温差越小，制热性能系数越大。
3.2 放热过程
① 测点温度的变化
工作电压为4V，被加热冷风温度为25℃时，放热阶段测点T1、T3温度随时间的变化见图4。由图4可知，放热过程开始阶段，测点T1，T3处石蜡温度迅速下降，这是相变材料的显热释放阶段。
经过约50min，石蜡温度逐渐接近相变温度(35℃)，随后进入相变凝固阶段，这一阶段温度曲线的变化平缓，为潜热释放阶段。至80min时，测点T3附近的石蜡相变凝固后，温度开始下降。此后由于测点T3附近的石蜡已经凝固，因此温度下降速度较快。而测点T1位于两热管中心处位置，因此这一阶段仍为潜热释放阶段，测点T1的温度曲线保持在35℃左右。测点T1处石蜡温度下降到35℃以下时，表明相变凝固已经基本完成，放热过程终止。
② 制热性能系数随时间的变化
放热阶段冷热端温差、热电热泵制热性能系数随时间的变化见图5。
由图5可知，放热开始后，冷热端温差迅速增大，这是由于此阶段石蜡放出显热，使得冷端温度迅速下降。随着放热过程的进一步进行，进入潜热释放阶段，此时冷端温度下降趋势比较平缓。制热性能系数随着冷热端温差的增大减小，变化范围为5.6～3.2。
4 结论
① 在蓄热、放热阶段，石蜡相变过程明显且持续时间较长，充分证明了热电热泵相变蓄热装置具有一定蓄放热能力。
② 余热热源温度是影响热电热泵相变蓄热装置性能的重要因素，余热热源温度越高，冷热端温差越小，蓄热时间越短。因此，在允许的范围内适当提高余热热源温度可以提高热电热泵的制热性能系数。
③ 放热阶段热电热泵的制热性能系数随着冷热端温差的减小而增大。控制冷热端温差是保证热电热泵有较大的制热性能系数的前提。
④ 由于实现了主动蓄放热，在蓄热和放热过程中，换热强度和换热时间的控制比传统被动式蓄热装置有很大的改善。
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(本文作者：张泠 徐敏 刘忠兵 张晓洁 湖南大学 土木工程学院 湖南长沙 410082)
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