热质与相变材料协同增强的太阳能热水系统实验研究：提升住宅应用能效的创新方案

为解决传统太阳能热水系统热效率低、温度不稳定及间歇性供能问题，研究人员开展了一项集成真空管集热器与复合热质储能单元（水+相变材料PCM）的太阳能热水系统实验研究。结果表明，PCM系统在1200 W/m2辐照下最高温度达85°C，较纯水系统提升13%，且在低辐照下仍能维持33°C–58°C稳定输出。该系统显著提升能效与可持续性，为住宅供热提供可靠解决方案。

　　

在全球能源转型与碳中和目标推动下，太阳能热利用技术已成为减少化石能源依赖、降低住宅碳排放的关键路径。太阳能热水系统（Solar Water Heating System）作为最成熟的可再生能源应用之一，在家庭热水供应领域具有巨大潜力。然而，传统系统长期面临两大瓶颈：一是太阳能具有间歇性，夜间或阴天时供热中断；二是热损失严重，集热器与储水罐的保温性能不足导致效率低下。这些缺陷使得系统输出水温波动大，用户体验差，且需依赖辅助加热设备，削弱了其经济性与环保价值。

为突破这些限制，由Natrayan Lakshmaiya、Naga Dheeraj Kumar Reddy Chukka等多国学者组成的团队在《International Journal of Low-Carbon Technologies》发表了一项创新研究，通过将真空管集热器（Evacuated Tube Solar Collector）与复合热质储能单元（Thermal Energy Storage, TES）相结合，设计了一种集成相变材料（Phase Change Material, PCM）和水的新型太阳能热水系统。该研究不仅验证了系统在真实环境下的性能，还深入分析了不同光照强度、水流速率及热质材料对热效率的影响，为下一代太阳能热技术提供了重要实践依据。

研究团队采用多学科交叉方法，重点包括：1）构建以镀锌钢为框架的真空管集热器系统，其三角波纹吸收板（宽度0.25 m、深度0.15 m）和双玻璃盖板设计有效减少了热损失；2）设计容积90 L的镀锌钢储热单元，内填水合盐类PCM，利用其高潜热特性增强热稳定性；3）通过热电偶、RTD温度传感器（精度±0.5°C）及电磁流量计（1–3 L/min范围）实时监测温度与水流参数；4）使用硅光伏电池测量0–1200 W/m²范围的太阳辐照度，并通过微控制器数据采集系统以1分钟间隔记录数据；5）在真实环境中测试不同工况（如低、中、高光照强度及流速变化）下的系统性能，同时监测环境温度、风速与湿度等干扰因素。

4.1 不同光照强度下的系统表现

在低光照条件（如清晨或日落前）下，太阳辐照度仅60 W/m²时，储水温度仍可维持在33°C以上；中等光照（550–360 W/m²）时，水温在80分钟内从48°C升至58°C；而在强光照（1200 W/m²）下，水温峰值达68°C–75°C。这表明系统在不同环境条件下均能保持稳定输出，适应性强。

4.2 不同热质材料的性能对比

纯水系统在午后光照峰值时水温可达75°C，但夜间降温较快；纯PCM系统则表现出最优的热保持能力，水温最高达85°C，且傍晚仅降至72°C；而水+PCM复合系统温度峰值略低（83°C），但平衡了吸收与释放热量的能力。PCM的相变行为（如熔化期吸热平台）显著延缓了温度下降，提升了热惯性。

4.3 不同水流速率的影响

低流速（1 L/min）时水温峰值最高（78°C），但波动较大；高流速（3 L/min）虽温度稳定性好，但峰值仅72°C；中流速（2 L/min）在热吸收与保持间取得最佳平衡，被推荐为最优操作参数。流速优化直接关联到系统日常热需求满足与能耗最小化。

本研究通过实验证实，集成PCM与水的太阳能热水系统显著提升了能效与热稳定性，尤其在变光照条件下仍能保障可靠热水供应。PCM的潜热存储特性使系统在高温段性能突出，而复合设计降低了单一材料的局限性。该技术不仅减少了辅助加热需求，也为住宅能源可持续化提供了低成本、高效率的解决方案。未来研究可聚焦PCM长期耐久性、多气候区流速优化及经济性扩展分析，以推动该技术在更广泛领域的应用。