多流体潜热储能单元的热性能研究：实现空气与水协同加热的创新设计

本文设计了一种带人字形波纹翅片的壳管式潜热储能单元（ST-LHSU），用于太阳能热利用系统（STUS）中空气与水协同加热。研究表明，该装置在5-25 L/min流量下充电时间缩短至180-280分钟，放电阶段通过Taguchi正交阵列优化方案实现210分钟完全放热，系统投资回收期为9.67年，兼具温室气体减排效益。

　　

Highlight

本研究通过改进传统壳管式潜热储能单元（ST-LHSU），开发了适用于低温太阳能热应用的多流体系统。基于前期研究，采用人字形波纹翅片显著提升传热效率，充电阶段在55°C工况下，5/15/25 L/min流量对应充电时间分别为280/230/180分钟。

Results and discussion

放电性能测试显示：

• •

  水加热模式：流量5-25 L/min范围内，放热速率随流量递增

• •

  空气加热模式：0.01-0.05 kg/s空气流量呈现相同规律

• •

  协同加热模式：通过Taguchi正交阵列设计的Alternative-1方案实现210分钟完全放电，较Alternative-4方案效率提升35%

Economic analysis

经济性评估采用公式：

投资回收期=ln[1-F_discount(a-b)]/ln[(1+b)/(1+a)]

其中银行贷款利率a=9%，燃料价格年增长率b=7%，计算得出系统投资回收期为9.67年。

Environmental analysis

环境效益显示：

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  每kWh电力对应的温室气体减排量：CO₂(0.9kg)、SO₂(6.9g)、NO_x(2.3g)

• •

  系统年减排量相当于种植0.47公顷森林

Conclusion

该多流体ST-LHSU成功实现：

1. 1.

   人字形翅片使固相率提升29%

2. 2.

   协同加热模式较独立系统成本降低40%

3. 3.

   年碳减排量达2.1吨

Future scopes

未来研究方向包括：

1. 1.

   不同规模ST-LHSU的相变行为研究

2. 2.

   空气/水流量组合优化

3. 3.

   新型生物仿生翅片（如雪花形、树状分形）的应用验证