不同气候情景下基于盐水合物的太阳能热水系统的技经评估

《Renewable Energy》：Techno-economic assessment of salt hydrate-based solar water heating systems under different climate scenarios

　　摘要：盐水合物具有较大的储能容量且成本较低，因此非常适合用于太阳能热水系统。本研究通过实验比较了基于三水合醋酸钠-乙酰胺的系统和基于三水合醋酸钠的系统的相变性能及系统可靠性。前者系统的效率高出5.6%。进一步通过数值模拟研究了在不同设定点及气候条件下的系统性能，以确定每种材料的最佳运行条件。由于能更高效地利用潜热，基于三水合醋酸钠-乙酰胺的系统在香港40℃的设定点下，其年度成本比基于三水合醋酸钠的系统低约3.0%。然而，在丹麦，前者的投资回收期长约长4.9%，而在法国，两种相变材料的表现均为负净现值。在香港大约350–700 W/m2的太阳辐射强度下，基于三水合醋酸钠-乙酰胺的系统能耗和运营成本更低。不过，考虑到材料老化问题，较高的更换成本抵消了运营上的节省，使得其全生命周期成本略高于基于三水合醋酸钠的系统。本研究强调了根据不同气候条件选择合适材料对于平衡能源性能与成本效益的重要性。

1. 引言
由于建筑供暖严重依赖化石燃料，太阳能系统作为绿色解决方案已变得极为重要[1]。然而，可再生能源的间歇性导致了供应与需求之间的不匹配。潜热型热能存储技术因能在较窄的温度范围内实现大容量存储而成为一种有前景的解决方案[2]。所选用的相变材料应能在与系统运行条件相匹配的温度下工作，从而确保高效的吸热与放热过程[3]。在太阳能热水系统中，相变材料在40–80℃的温度范围内效果更为显著[4]。表1列出了常见的相变材料及其相应特性。理想的相变材料应同时具备良好的相变焓和导热性。仅高的相变焓并不能保证最佳的热性能，因为较低的导热性会增加热传递阻力，进而限制充放热过程。因此，在选择相变材料时需同时考虑其储能容量和热传递能力，以实现高效的热能存储。与有机相变材料相比，盐水合物在存储密度、成本效益以及相对较高的导热性方面更具优势[5]。

徐等人对工业级复合三水合醋酸钠进行了稳态热性能和经济性能评估[6]。该复合材料制成的热能存储系统的放热能力比十八醇高出20.48%–32.86%。与传统系统相比，该系统的初始投资分别低27.5%和14.6%。他们还指出，将相变材料与可再生能源结合使用，可进一步提升系统的经济性，因为电力成本通常占系统初始投资的75%以上。许多研究探讨了将相变材料应用于太阳能加热系统中的可能性。董等人提出了一种基于最优性准则算法的拓扑优化方法，用以提升潜热存储换热器的热性能[7]。经过优化的鳍片结构显著提高了热传递的均匀性，与相同体积的传统三角形鳍片相比，可减少约69.75%的相变材料固化时间。此外，该研究还确定了0.175这一最佳的鳍片体积阈值，可在保障存储容量的同时提升放热效率。舒克拉等人对适用于离网应用的太阳能潜热型空间加热系统进行了实验评估[8]。采用双阶段相变材料可使系统在更宽的温度范围内存储热量，从而提升系统的稳定性。系统效率在45%至65%之间变化，具体取决于太阳辐射强度和系统运行模式。布阿迪拉等人在北非气候条件下，对三种真空管式太阳能集热器——传统型、重新绝缘型以及集成相变材料型的系统在能量、有效能及经济性能方面进行了实验比较[9]。通过加强绝缘处理并引入石蜡，系统的能量效率和有效能均有所提升，因为这减少了热量和水分的流失。集成相变材料型的集热器最多可存储28 MJ的热能，并能在夜间释放4.3 MJ的能量。他们还进一步研究了不同结构真空管式太阳能集热器的热性能[10]。将碳纳米颗粒融入相变材料中可提升其导热性，进而提高整个系统的性能。此外，他们的研究还表明，系统性能受气候条件影响极大，在突尼斯南部的托泽尔地区，系统的年节能率可达到约47%。

加热系统的优异性能取决于相变材料的相变温度、系统运行范围以及用户需求之间的恰当匹配。同时，相变材料的有效性还会受到天气状况、电价以及其他因素的影响。多项研究探讨了相变过程如何影响太阳能加热系统的动态行为。鲁等人通过数值模拟研究了集成有多个相变材料存储单元的太阳能辅助热泵系统在空间加热和生活热水供应中的应用情况[11]。实验结果表明，潜热型热能存储技术在可再生能源供暖系统中具有应用潜力。不过，该研究主要侧重于系统建模与验证，未深入分析设计参数和运行参数对系统性能的影响。丁等人通过比较中国六个不同气候区的辅助加热需求和热量损失情况，证明了集成相变材料的太阳能热水系统的能源性能高度依赖于气候条件以及相变材料的设计参数，如太阳辐射强度、相变温度和相变材料用量[12]。他们的研究重点在于能源性能指标，尚未对不同电价结构下的综合技术经济可行性进行评估。吴等人开发了一种具有双相变温度的新型相变材料，用于太阳能热水系统中的季节性热能存储[13]。通过数值模拟和实验研究，他们证明这种相变材料能够适应不同的季节性运行条件，从而提升全年太阳能的利用率。不过，他们的研究主要关注相变材料的热性能和系统性能，未评估在不同气候和电力市场条件下的技术经济可行性。库特卢等人提出了一种集成有多个储液罐的太阳能辅助热泵系统，该系统利用过冷三水合醋酸钠的电触发结晶机制来实现高峰负荷的转移[14]。多储液罐的充液策略和运行模式由太阳辐射强度和缓冲罐温度决定。不过，模拟分析仅涵盖了英国诺丁汉在特定天气条件下的为期一周的冬季运行情况。李等人基于替代模型，为集成相变材料的太阳能辅助热泵系统提出了一个最优设计框架[15]。他们的研究量化了集热器面积、热泵容量以及相变材料存储量等关键系统参数对能耗、运营成本、热舒适度及碳排放的影响，为相变材料系统的设计提供了有益指导。不过，该研究仅考虑了使用单一相变材料的情况，未探讨不同相变材料对系统长期热性能和经济性能的影响。梁等人通过实验制备并分析了包括石蜡和三水合醋酸钠在内的高性能相变材料复合材料，用于太阳能热能利用[16]。他们依据各地的太阳辐射数据及存储效率，通过简化的分析计算评估了这些材料在中国不同气候区域的经济性能，而非通过全尺寸实验系统测试或动态瞬态模拟来进行评估。李等人设计了一种结合双层不同熔点相变材料的混合型显热-潜热型热能存储罐[17]。实验结果表明，这种设计能够在不同运行模式下延长供热时间并保持较高的供水温度。不过，该研究主要关注储液罐的结构设计，未系统分析相变材料的选择对系统性能的影响。拉斯里等人通过耦合CFD-EnergyPlus框架，对一种经过拓扑优化的潜热型热能存储单元组成的强化型太阳能热系统进行了数值评估[18]。该系统通过优化存储结构和运行条件，在不同气候区域实现了显著的节能效果。不过，不同相变材料的比较仅限于热性能方面，未评估在不同气候和电价条件下选择不同相变材料所带来的长期经济影响。查格里等人在突尼斯对集成有三水合醋酸钠模块的太阳能热水系统进行了实验和数值研究，用于生产生活热水[19]。研究表明，引入相变材料可有效提升系统的热存储性能，使非日照时段的出水温度保持在较高水平。不过，该研究仅考虑了单一相变材料以及在某一气候区域下的固定运行条件，未全面分析不同相变材料的物理性质、气候条件以及电价结构对系统性能的影响。

尽管已有大量关于集成相变材料的太阳能加热系统的研究，但相变材料的物理性质、气候条件以及地区电价结构对系统整体性能和经济可行性的综合影响仍需进一步系统研究。以往的研究要么侧重于不同气候区域下的简化分析及短期模拟，要么是在固定运行条件下研究单一相变材料的应用。此外，针对实际运行环境中的全尺寸盐水合物太阳能加热系统的动态热行为及其实际应用可行性，也尚未得到全面评估。本研究通过实验与数值模拟相结合的方式，研究了两种具有不同物理性质的盐水合物在集成型太阳能加热系统中的应用情况。它不仅比较了不同盐水合物的储热能力，还系统分析了相变材料特性如何与地区气象条件及当地能源市场相互作用，进而影响系统效率、运营成本及投资可行性。本研究还为太阳能加热系统中的相变材料选择及区域部署策略提供了更为全面的见解。

表1. 适用于太阳能加热应用的潜在相变材料特性

| 名称 | 类型 | 相变温度（℃） | 潜热（kJ/kg） | 导热性（W/(m·K)） | 参考文献 |
|------------|----------|---------------|--------------|-------------------|------------|
| 肉豆蔻酸 | 有机 | 54.4 | 204.5 | 0.22 | [20] |
| 硬脂酸 | 有机 | 68.3 | 520 | 1.16 | [21] |
| 棕榈酸 | 有机 | 57.8 | 185 | 0.16 | [22] |
| RT50 | 有机 | 45–51 | 168 | 0.2 | [23] |
| RT44HCO | 有机 | 41–44 | 200 | 0.2 | [24] |
| RT54HCO | 有机 | 53–54 | 200 | 0.2 | [24] |
| 石蜡 | 有机 | 56–58 | 173.6 | 0.16–0.21 | [24] |
| Na2S2O3?5H2O | 盐水合物 | 48–55 | 187–209 | – | [25] |
| Na2HPO4?7H2O | 盐水合物 | 48 | 170.0– | – | [26] |
| CH3COONa?3H2O | 盐水合物 | 58 | 264 | 0.385 | [27] |
| CH3COONa?3H2O–CH3CONH2 | 盐水合物 | 47.8 | 219.8– | – | [28] |

本研究提出了一种利用盐水合物作为潜热型热能存储材料用于生产生活热水的太阳能热系统。由于三水合醋酸钠-乙酰胺复合相变材料及纯三水合醋酸钠相变材料具有适宜的熔点及较高的相变焓，因此被选为研究对象。本文的结构如图1所示。首先通过实验评估了这两种材料用于生产生活热水的集成系统的可行性，随后比较了不同盐水合物在太阳能加热系统中的应用效果。通过数值模拟分析了不同运行条件下的系统经济可行性和长期能源性能，并通过对比分析确定了适合不同气候条件的最佳材料选择方案。本研究的主要贡献在于通过结合实验数据与数值建模，对盐水合物基太阳能加热系统的选型与设计提供了全面的评估与比较分析，为针对不同气候区域设计高效太阳能加热系统提供了实用指导。

下载：高分辨率图像（929KB）
下载：完整尺寸图像

图1. 本研究结构的示意图。
下载：高分辨率图像（654KB）
下载：完整尺寸图像

图2. （a）SLHTES系统实验布局的示意图；（b）实际实验装置的照片。

表2. 实验设备规格及参数

| 设备名称 | 生产厂商 | 规格参数 |
|----------------------|----------------------------------|----------------------------------------|
| 平板集热器 | 东莞泰谷新能源科技有限公司 | 总面积：2 m2 |
| 潜热型热能存储罐 | 德州江工机械设备制造有限公司 | 质量：2 kg |
| 水泵 | Flojet有限公司 | 型号：PT416916，电压：12 V |
| 太阳能模拟装置 | 上海鼎美电子商务有限公司 | 功率：1000 W |
| 绝缘层 | 廊坊吉佳保温材料有限公司 | 厚度：50 mm |
| 频率转换器 | 徐州Rlpe自动化控制设备有限公司 | 型号：AT2-0.75 |
| 温度记录仪 | Sdlutron电子企业有限公司 | 精度：≤±0.1% |
| 功率质量分析仪 | Fluke公司 | 精度：≤±2.0% |
| 太阳能功率计 | Sdlutron电子企业有限公司 | 精度：≤±5.0% |
| 流量计 | MPB工业有限公司 | 精度：≤±2.0% |
| K型热电偶 | 上海玉来工业器材有限公司 | 精度：≤±0.15°C |

2. 实验研究

2.1 系统配置

太阳能潜热型热能存储测试装置包括平板集热器、钨卤灯、潜热型热能存储单元、储水罐、水泵以及频率转换器，如图2所示。表2列出了该测试装置所使用的各类设备。关于潜热型热能存储单元及测试点的详细信息，已在我们之前的研究中阐述过[28]。钨卤灯被用来模拟太阳辐射，能够提供可控且稳定的热源。不过，钨卤灯无法完全复制真实太阳辐射的光谱分布及动态变化特性，这种光谱差异可能会影响吸热器的加热性能以及相变材料的充放热过程，因为辐射传热分布存在差异。2.2 材料制备与表征
表3列出了所选盐水的各种成分及其对应的生产商。在制备相变材料时，首先将基础盐水加热至完全熔化，然后根据目标相变材料的成分逐步加入熔点调节剂。为避免性能下降并保持系统稳定性，相变材料应尽量减少过冷现象和相分离现象。因此，在溶液中加入成核剂和增稠剂，并持续搅拌直至所有成分均匀分散。

材料制备完成后，对盐水的性质进行了表征，结果如表4所示。相变温度和焓值是通过差示扫描量热法曲线来确定的，如图3(a)所示。对于SAT–AC型相变材料，DSC测试结果显示其潜热为218 kJ/kg，该数值是从吸热峰下的面积计算得出的。其相变开始温度为47.3°C，熔化峰温度为56.2°C。如图3(b)所示，其结晶起始温度约为46.0°C，但结晶峰出现在47.1°C，这说明存在1.1K的过冷度。

表3 相变材料的化学成分
成分 比例（重量%） 生产商 功能
SAT–AC SAT 空白单元
空白单元 天津大茂化工试剂厂 基础盐水
AC CH3CONH2 同上 熔点调节剂
十二水合磷酸二钠（Na2HPO4?12H2O） 3.39 2.80 同上
羧甲基纤维素（RnOCH2COONa） 3.39 2.80 天津智源化工试剂有限公司
增稠剂

表4 基于SAT的相变材料的表征与热物理性质
性质 方法 规范要求 制造商 数值
SAT–AC DSC 214 Polyma Netzsch-Ger?tebau GmbH, 德国
相变温度/焓值 47.3 °C / 218 kJ/kg 56.4 °C / 265 kJ/kg
过冷度 温度历史记录 可编程恒温箱+温度记录仪 广东三木科技有限公司，中国；安捷伦科技公司，美国
<5.0 K <5.0 K
热导率与比热容 TPSTPS 2200热盘法 Hot Disk Inc., 瑞典
0.3 W/(m·K) 1.7 kJ/(kg·K) 0.3 W/(m·K) 2.2 kJ/(kg·K)

下载：高分辨率图片（362KB）
下载：完整尺寸图片

图3 所选盐水的表征：(a)所选盐水的DSC曲线；(b)SAT–AC型相变材料在充放热过程中的温度变化情况。

如图4所示，根据之前的循环测试结果，通过拟合分析预测，经过1000次循环后，SAT–AC型相变材料的潜热会逐渐下降到约192.0 kJ/kg。而SAT型相变材料在经过1000次升温降温循环后，其焓值降至196.1 kJ/kg[6]。添加增稠剂和成核剂能有效抑制重复循环过程中的性能下降。

下载：高分辨率图片（175KB）
下载：完整尺寸图片

图4 SAT型及SAT-AC型相变材料的性能衰减情况。

2.3 不确定性分析
本实验研究中的不确定性是由各项测量值的精确度和准确度决定的。假设存储介质的热物理性质以及系统尺寸的误差可以忽略，那么集热器效率的不确定性可通过公式(1)来确定[30]。其最大值约为3.0%，这一数值对于太阳能供暖应用来说是可接受的。
(1) UηSHC = ηSHC·um?2/m2 + UTo2/To2 + UTi2/Ti2 + UII2
其中，Ux表示与变量x（如um?和To）相关的不确定性。

此次实验旨在评估在受控操作条件下，结合不同盐水的太阳能供暖系统的对比热性能，包括相变材料的充放热特性、太阳能集热器的能效、整个系统的效率以及出水温度等。实验测得的温度行为还被用来验证数值模拟模型，并为后续分析提供输入参数。然而，由于实验时间有限，且难以重现多种气候环境，仅靠实验研究无法全面评估不同气候条件下的系统长期性能。因此，基于实验验证的模型被进一步拓展，用于研究在不同气候区域和电价结构下该系统的长期热性能和经济性。数值模拟中采用的流量和系统配置尺寸是根据实验装置的设计特点确定的，而太阳辐射强度和操作条件则依据实验的实际范围选取，以确保实验观测结果与数值分析结果的一致性。

这种结合性的研究方式为相变材料的选择和系统性能评估提供了更为全面可靠的方法。实验研究通过确保所选盐水的温度行为得到准确描述，提升了数值模型的实际可靠性；而数值模拟则能够在实验无法覆盖的各种气候和运行条件下进行更广泛的分析。不过，实验验证是在具有固定辐射强度和流量的受控室内环境中进行的，这可能无法完全反映实际应用中不断变化的太阳辐射和环境条件。尽管如此，通过后续章节中的数值模拟，仍可进一步全面研究在动态太阳辐射和多变天气条件下的系统性能。

3. 数值研究
3.1 用于生活热水供应的SLHTES系统组件
随后，人们进一步开发了一种SLHTES系统，该系统主要由集热器、使用所测试盐水的相变储热单元、水泵、电加热器以及用于生活热水供应的控制器组成。如图5所示，高温导热液在集热器中循环后流入相变储热单元，从而形成热能储存循环回路。该供暖系统设计为依据特定的温度阈值来运行。当集热器出口与进口之间的温差超过15K时，充电回路中的水泵就会启动，为相变储热单元充电。而当温差降至2K以下时，充电水泵则会转为备用模式。一旦集热器出口温度超过90°C的高限阈值，充电水泵就会保持关闭状态，直到温度降至该阈值以下。这种设计能够有效利用可再生能源为相变储热提供热量，同时避免水泵出现频繁启停的情况。在放热过程中，只有当有生活热水需求时，放热回路中的水泵才会启动，使高温导热液在相变储热单元中循环，提取储存的热量并将其输送给最终用户。此外，系统中还配备了辅助电加热器和混合阀，用于控制输送给最终用户的最终水温。当相变储热单元的出口温度超过设定值时，可通过从进水口引出部分水并与主流水混合的方式来对其进行调控。混合阀的位置会根据供水温度与设定值的偏差以及加热源水流与主流水之间的温度差来调整。而当相变储热单元的出口温度低于设定值时，电加热器就会启动，将高温导热液的温度提升到所需水平。

供暖系统所需的集热器面积可通过以下公式估算：
(2) A = Vd·ρ·cp·ΔTf·J/η(1?ηloss)
其中，Vd为每日所需的生活热水体积，其数值如下所示。ρ为水的密度，cp为水的比热容，ΔT为冷水入口温度与所需生活热水供应温度之间的温差。参数f表示设计的太阳能利用率。η和ηloss分别代表集热器效率以及整个系统的热损失率。J为当地地区的平均每日太阳辐射强度，取值为4.2 kW·h/(m2·d)。

下载：高分辨率图片（258KB）
下载：完整尺寸图片

图5 用于生活热水供应的SLHTES系统示意图。

对于典型的住宅应用，假设每人每天的生活热水需求为50升，同时期望太阳能的供热占比达到70%。在集热器效率为55%的情况下，一个家庭所需的集热器面积约为3.7平方米。相变储热单元的尺寸则是根据集热器面积和每日生活热水需求共同确定的，其计算公式为：
(3) V = VA·A·cp·ρ·ΔT/(1??)·cp,H·ρH·ΔT + ?·ρ·P/[cp,s(Tm?Tst) + cp,l(Te?Tm) + L]
其中，VA为每个集热器面积对应的储存体积，?为相变储热单元中相变材料的占比，cp,s和cp,l分别为相变材料在固态和液态时的比热容，Tm为相变材料的熔点，Tst和Te分别为充电过程的起始温度和结束温度，L为相变材料的潜热。

3.2 SLHTES系统的数值模型
为简化数值模拟，由于采用了有效的隔热措施，因此假设供暖系统的管道和储热罐壁的热损失可以忽略不计[31]。在各个相变阶段，各介质的热物理性质被视为恒定不变的[32]，而相变材料的潜热则根据不同充放热循环过程中的实验测得性能衰减情况来动态调整。在模拟开始时，还假设相变材料所在区域内的初始温度分布是均匀的。

数值模拟是使用TRNSYS软件进行的，平板集热器的数值模型可表示为：
(4) η = um?·cp/(To?Ti)·AI = FR(τα)n ? FRUL/(Ti?Ta)·IT ? FRUL/T·(Ti?Ta)2/IT
其中，To和Ti分别为流体的出口温度和进口温度，FR为集热器的热移除效率因子，(τα)n为有效透射率，UL和UL/T分别为一级和二级热损失系数，IT为入射的全辐射强度。

相变储热单元内相变材料的能量方程表示为：
(5) ρP·V·?H/?τ = Tt ? TP/R + KP·?2T/?r2
其中，KP为相变材料的热导率，Tt和TP分别为管道和相变材料的温度，R为热阻。

管道内部高温导热液的能量方程则为：
(6) ρH·v·H·cp·?T_H/?τ + ρH·v·A·cp·?T_H/?y = KH·?2T_H/?y2 + hS·(Tt?T_H)
其中，v为流体流量，S为管道的表面积，ρH和KH分别为高温导热液的密度和热导率，h为对流换热系数。

管道与相变材料之间的热量传递可通过以下公式计算：
(7) ρ_t·V_t·c_p·?T_t/?τ = TP ? Tt/R + hS·(T_H?T_t)
其中，ρ_t和V_t分别为管道的密度和体积。

相变材料的焓值(H)可通过以下公式计算：
(8) H = ∫_{T1}^{T2} cp·dT + ΔH = ∫_{T1}^{T2} cp·dT + 0·L，(TT_l)

电加热器输出的出口温度和热流量可通过以下公式表示：
(9) Tmax = Ti + Q?·EH·um?·cp
(10) Q?max = um?cp?(To?Ti)?η_EH
其中，η_EH为电加热器的效率。

从相变储热单元流向最终用户的流体比例由调温阀控制，其计算公式为：
(11) γ = (T_source?T_set)/(T_source?T_return)

表5PCM集成式太阳能加热系统的成本构成。组件项目成本参考值太阳能集热器平板集热器120欧元/平方米[33]PCM存储单元SAT 1.7欧元/千克[34]；阿里巴巴报价[35]AC 4.0欧元/千克DHPD 0.8欧元/千克CMC 1.8欧元/千克PCM容器200欧元制造商报价[36]循环系统泵、管道和阀门75欧元阿里巴巴报价[35]辅助系统电加热器和控制器90欧元阿里巴巴报价[35]绝缘层PCM容器和管道5欧元/平方米阿里巴巴报价[35]下载：下载高分辨率图片（254KB）下载：下载全尺寸图片图6。(a)香港的分时电价结构；(b)丹麦和法国的月平均电价。3.3.技术经济分析为研究不同气象条件下相变特性和运行条件对系统性能的影响，选择了三个不同的气候区域：香港（湿润亚热带气候）、丹麦（哥本哈根，温带海洋性气候）以及法国（巴黎，以温带气候为主）。如我们之前的研究[37]所述，各地区的最终用户生活热水需求假设相同，并存在季节性变化。表5列出了包括化学试剂和硬件在内的太阳能加热系统的详细成本构成。这些成本是根据从欧洲市场的商业供应商处获得的代表性报价估算的。经济分析则是基于各地区2024年的典型电价进行的。如图6所示，香港采用相对固定的分时电价结构，夜间非高峰时段的电价较低[38]，而丹麦和法国则采用反映电力市场波动的月平均电价[39]、[40]。它们在气候条件和电价结构上的差异为评估PCM集成式太阳能加热系统在多种运行环境下的热性能和经济性能提供了有力依据。该太阳能加热系统的使用寿命假设为20年[41]。PCM在反复充放电过程中的焓值衰减也被纳入了运营成本分析中。由于基于SAT的CPCMs的过冷度变化范围相对有限，且在循环过程中并未出现持续加速的衰减现象[6]，因此本技术经济分析未考虑过冷度漂移问题。为确保长期运行中的高储热性能，假设PCM单元每五年更换一次，相应的更换成本也纳入了经济分析中。此外，循环泵也假设每五年更换一次[41]，相关成本同样被计入生命周期经济评估中。3.4.仿真模型的验证为进行验证，构建了一个用于描述图2中所展示的SLHTES实验装置的仿真平台。验证时采用了与实验工作相同的初始条件和运行条件。数值研究中的关键初始条件、边界条件及模型设置列于表6中。将实验测试的结果与数值研究的结果进行比较，根据实验结果（Xexp）和仿真值（Xsim）计算平均相对误差，公式为：(12)?=1n∑i=1n|Xexpi?XsimiXexpi|×100%表6.数值仿真的条件设置。类别项目设置详细信息/数值实验验证仿真条件太阳辐射强度850瓦/平方米流速30克/秒初始温度24摄氏度持续时间8小时数值仿真仿真条件初始温度24摄氏度气象规范文件香港、丹麦、法国持续时间8760小时仿真时间步长3.6秒求解方法逐次代入收敛容差0.001组件SHC尺寸3.7平方米测试流速0.01千克/(秒·平方米)EH最大加热功率5千瓦效率0.96WP最大功率1千瓦功率系数0.5转换系数0.053.5.性能指标充电状态（SoC）用于表征盐水的相变程度。可采用简单的线性近似公式来估算SoC，如下所示：(13)SoC=0，当TTl时SHC的效率（ηSHC）计算公式为：(14)ηSHC=Q?SHC/Q?sol=m?HTFcp,HTF(TSHC,o?TSHC,i)AI加热系统的能源效率是指所提供的总热量与总电能消耗之比，其中包括太阳能循环部分和辅助用电部分的能耗，计算公式为：(15)ηsys=∫Q?totdτ∫W?totdτ其中Q?tot和W?tot分别代表热功率和电能输入功率。动态投资回收期（DPP）的计算公式为：(16)C0≤∑n=1NSn?Cn(1+r)n其中Sn为第n年的节能金额，Cn代表第n年的净现金流，r为折现率。净现值（NPV）的计算公式为：(17)NPV=∑n=1NCn(1+r)n?C0其中C0代表初始投资成本。4.结果与讨论4.1.实验结果图7(a)展示了这两种盐水在实验测试过程中的充放电性能。两种PCM在开始阶段都表现出温度的稳定上升，这说明它们正在吸收显热。由于两者的导热性相近，显热阶段的升温速率几乎相同。SAT–AC CPCM的相变开始温度约为46.2摄氏度，而SAT CPCM的相变开始温度则在54.8摄氏度左右。达到熔点后，随着潜热的吸收，温度上升速率明显放缓，直至相变过程结束始终保持大致恒定。此外，只有在SAT–AC CPCM中观察到了完全融化后的液态形式。尽管SAT CPCM的相变焓值更高，但其较高的相变温度和较低的导热性限制了其在可用运行时间内充分利用潜热。如图7(b)所示，SAT–AC CPCM首先出现温度的快速下降，随后进入液固相变的平台期。SAT–AC CPCM的初始温度下降速度更快，而SAT CPCM则在大约57.6摄氏度时直接进入平台期。由于充放电不足，SAT CPCM较高的相变焓值优势未能得到充分发挥。相比之下，SAT–AC CPCM的潜热释放持续时间更长，是其两倍以上，这表明其放热行为更为稳定。因此，在给定的工作条件下，SAT CPCM无法完成完整的相变过程，从而降低了其高潜热容的实际作用效果。图8(a)显示了使用两种不同盐水时的SHC的瞬时效率。由于高温热传递介质与环境温度之间的温差较大，导致热量损失增加，两种盐水的效率均呈现下降趋势。不过，SAT–AC CPCM在相变发生后表现出相对更高的效率。这表明加入SAT–AC CPCM能够减缓高温热传递介质温度的上升速度，进而提升SHC的性能[42]。如图8(b)所示，在测试的运行条件下，与使用SAT CPCM的系统相比，引入SAT–AC CPCM后整个系统的效率有所提升，提升幅度可达约5.6%，这一提升得益于SAT–AC CPCM更有效的潜热储存能力。图9展示了分别填充两种不同盐水的LHTES装置在放热过程中的出水温度情况。在放热开始时，两种装置的出水温度都出现了快速下降。之后，由于PCM中储存的潜热不断释放，两种装置的出水温度下降趋势逐渐平缓。由于在充分充放电后，SAT–AC CPCM向水中传递的储存潜热更多，因此其出水温度始终高于SAT CPCM装置。此外，多次重复实验的平均偏差在±3.5%以内，最大偏差也在±8.1%范围内，说明实验测量结果的重复性和一致性良好。下载：下载高分辨率图片（299KB）下载：下载全尺寸图片图7.使用不同盐水时LHTES装置在(a)充放电过程以及(b)放热过程中的温度变化情况。下载：下载高分辨率图片（290KB）下载：下载全尺寸图片图8.使用不同盐水时(a)SHC的效率以及(b)整个加热系统的效率。下载：下载高分辨率图片（226KB）下载：下载全尺寸图片图9.使用不同盐水时LHTES装置在放热过程中的出水温度情况。4.2.系统动态性能的数值验证为验证数值模型的准确性，图10将实验测试和数值模拟得到的PCM温度变化情况以及SHC的效率进行了对比。PCM充放电温度的实验数据与数值结果之间的平均偏差为3.9%，在相变期间的最大偏差为4.1摄氏度；而太阳能集热器效率的实验数据与数值结果的平均偏差为5.1%，综合来看，整体的平均验证误差约为4.5%。实验数据与数值结果之间存在差异，这可能是由于实验中的不确定性以及数值模型所采用的简化假设所致。在相变点附近，由于数值模型假设各相的热物理性质恒定，且忽略了PCM内部的自然对流效应，因此PCM充放电温度的差异更为明显。太阳能集热器效率的预测则对辐射强度的波动、流速的不稳定性以及进水口和出水口水温的测量精度较为敏感。尽管如此，数值预测结果与实验测量值仍十分接近，这说明该数值模型能够有效预测系统的动态性能，并用于进行参数分析。下载：下载高分辨率图片（345KB）下载：下载全尺寸图片图10.数值模型与实验数据的对比，涉及(a)PCM温度以及(b)SHC的效率。4.3.太阳辐射对系统性能的影响图11(a)展示了在不同太阳辐射强度下，使用SAT–AC CPCM和SAT CPCM的太阳能加热系统の充放电过程。较高的太阳辐射强度会导致高温热传递介质的温度升高，从而加快相变进程，使充电状态（SoC）值增大。在250瓦/平方米的太阳辐射强度下，SAT–AC CPCM仅达到刚开始熔化的温度，而当太阳辐射强度提高到1000瓦/平方米时，其SoC值可达到1.0。随着太阳辐射强度的上升，相变平台期的长度先增加后减少。尤其是当太阳辐射强度达到1000瓦/平方米时，相变平台期变得更短。SAT CPCM的SoC值均低于1.0，说明没有一种SAT CPCM实现了完全的相变过程。如图11(b)所示，在相变过程中，PCM能够有效缓解SHC的入口温度波动，从而减缓效率的下降速度。随着太阳辐射强度的增加，存储潜热时的系统效率能够维持在更高的水平。当太阳辐射强度从250瓦/平方米上升到750瓦/平方米时，基于SAT–AC CPCM的SHC的平均效率提升了30.5%；而当太阳辐射强度达到1000瓦/平方米时，其效率又下降了0.7%。在250瓦/平方米的太阳辐射强度下，使用SAT CPCM的SHC的效率比使用SAT–AC CPCM的SHC高约10.1%，这可能是因为在尚未发生完全相变之前，SAT CPCM在显热阶段的性能更好。当太阳辐射强度上升到750瓦/平方米时，由于SoC值更高，使用SAT–AC CPCM的SHC的效率又提升了6.6%。然而，在1000瓦/平方米的太阳辐射强度下，由于相变完成后效率会迅速下降，使用SAT–AC CPCM的SHC的平均效率反而比SAT CPCM低了0.6%。图11(c)表明，随着太阳辐射强度的上升，LHTES装置中储存的能量也在不断增加。对于SAT–AC CPCM来说，其在750瓦/平方米的太阳辐射强度下具有最高的储存效率；而对于SAT CPCM而言，其在1000瓦/平方米的太阳辐射强度下储存效率最高。在250瓦/平方米的太阳辐射强度下，由于SAT CPCM的固相热容量更大，因此其储存效率高于SAT–AC CPCM。当太阳辐射强度达到750瓦/平方米时，SAT–AC CPCM的储存能量比SAT CPCM多出约8.0%，但其储存效率却降低了1.3%。如图12(a)所示，在250瓦/平方米的太阳辐射强度下充放电后，两种PCM在放热过程中均未出现明显的相变平台期。只有在使用1000瓦/平方米的太阳辐射强度充放电后，SAT–AC CPCM才会出现液态放热过程。当温度降至其结晶点以下时，该材料开始固化，此时过冷度极小。在固化过程中，温度基本保持稳定，直到储存的潜热全部释放完毕。与此同时，由于充放电不足，SAT CPCM的相变平台期较短。下载：下载高分辨率图片（977KB）下载：下载全尺寸图片图11.太阳辐射强度对系统充放电性能的综合影响。该图展示了在不同太阳辐射强度下：(a)PCM的温度变化情况与SoC值，(b)系统效率，以及(c)充放电过程中的热量分布情况。如图12(b)所示，在250瓦/平方米的太阳辐射强度下充放电后，两种装置的出水温度曲线都会迅速下降，且没有明显的平台期。随着太阳辐射强度的增大，介质间的热传递增强，使得出水温度更加稳定。在500瓦/平方米和750瓦/平方米的太阳辐射强度下，SAT–AC CPCM的出水温度曲线虽然会出现平台期，但平台宽度更大，且温度相对更低，相较于SAT CPCM而言。在受到750 W/m2的辐射强度后，SAT–AC CPCM的出水温度仍保持在40°C以上，持续时间约为1.55小时。而SAT CPCM的这一持续时间则减少了约24%。当太阳辐射强度达到1000 W/m2时，两种相变材料的表现相当，其有效放热性能的差异小于0.5%。下载：下载高分辨率图像（481KB）下载：下载全尺寸图像图12. 放热过程中(a) SAT–AC和(b) SAT CPCM的相变材料及出水温度变化情况。4.4. 设定温度对系统性能的影响图13展示了香港不同设定温度下两种太阳能加热系统的月度性能表现。通过比较图13(a)中的天气状况与图13(b)中的能耗数据，可以看出，设定温度越高，电能消耗就越大，且具有明显的季节性特征。由于进水温度较低且加热需求较高，2月份不足的太阳辐射使得相变材料无法达到相变状态，从而导致SAT–AC CPCM配置的电能消耗增加。当太阳辐射强度在350–700 W/m2之间，进水温度在20°C–30°C之间时，SAT–AC CPCM通过有效的相变过程提升了储热能力，提高了系统效率并降低了电能使用量。相反，当太阳辐射强度和水温均超过700 W/m2和30°C时，采用SAT–AC CPCM的系统比SAT CPCM系统消耗更多的电能。在这种高辐射和高温度条件下，SAT CPCM能够实现更完全的相变，拥有更高的焓值，从而实现更有效的热储存。如图13(c)所示，当太阳辐射强度超过700 W/m2且进水温度持续高于30°C时，转换后的太阳能可以完全满足最终用户的能源需求，两种相变材料都无需额外的电加热。随着太阳辐射强度的降低和进水温度的下降，电加热提供的补充热量逐渐增加。在香港太阳辐射强度和进水温度最低，分别为约350 W/m2和20°C时，在40°C的设定温度下，电加热满足了高达63.2%的总能量需求，而在45°C的设定温度下这一比例上升至69.0%。在太阳辐射强度为350–700 W/m2、进水温度为20°C–30°C的适中条件下，SAT–AC CPCM的供热效率更高，能为最终用户提供更有效的热能，优于SAT CPCM。如图13(d)所示，较高的太阳辐射强度会提升太阳能热水系统的进水温度，增加热量损失并降低系统效率。在350–700 W/m2的最佳辐射强度范围内，SAT–AC CPCM可以通过相变吸收热量，有效稳定进水温度，从而提升系统性能。例如，在10月，相同40°C的设定温度下，采用SAT–AC CPCM时的系统整体效率为9.6，而采用SAT CPCM时则为8.8。当太阳辐射强度超过700 W/m2时，由于SAT CPCM具有更高的相变焓值，能够储存更多有效的潜热，因此其系统效率高于SAT–AC CPCM。尤其是在6月，采用SAT CPCM的系统在40°C的设定温度下，整体效率高出约7.1%。这一结论与Chouchane等人的研究结果一致[43]，他们发现具有高相变焓值的Na2HPO4?12H2O在所有相变材料中具有更好的热调节性能。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图13. 香港地区不同设定温度下太阳能加热系统的月度性能对比。该分析展示了：(a)气象参数；(b)加热系统的月度电能消耗情况；(c)太阳能和电加热提供的热量分布；以及(d)太阳能热水系统及整个系统的效率表现。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图14. 丹麦和法国太阳能加热系统的月度性能对比。该分析展示了：(a)气象参数；(b)加热系统的月度电能消耗情况；(c)太阳能和电加热提供的热量分布；以及(d)两个地区的太阳能热水系统及整个系统的效率表现。4.5. 气候条件对系统性能的影响如图14(a)和(b)所示，丹麦和法国的太阳辐射强度较低，进水温度也更低，这使得它们的总电能消耗相比香港要高。在太阳辐射强度低于570 W/m2的情况下，SAT–AC CPCM无法实现有效的潜热储存，因此在一年中的前四个月和最后四个月，其电能消耗都会较高。然而，当太阳辐射强度在570至800 W/m2之间，进水温度在8°C至16°C之间时，SAT–AC CPCM的电能消耗却低于采用SAT CPCM的系统。例如，在6月，采用SAT–AC CPCM的系统比采用SAT CPCM的系统电能消耗低11.8%。在相同的条件下，较低的进水温度会直接增加满足用户需求所需的总热量，如图14(c)所示。具体而言，与香港相比，丹麦的年度电加热能耗是香港的5.4倍，法国的则是4.5倍。这种因气候条件导致的性能差异与参考文献[44]中的研究结果一致，即湿润大陆性气候地区的系统在供暖季节的有效热转换效率低于炎热夏季的地中海型气候和湿润亚热带气候地区。在辐射强度较高的7月，基于SAT–AC CPCM的系统在丹麦提供了91.7%的热量，在法国则提供了96.7%的热量，但在辐射强度较低的12月，这一比例分别下降到0.5%和3.6%。如图14(d)所示，这两个国家的系统效率都存在季节性变化，在每月的中期会出现明显的峰值。在太阳辐射强度为570–800 W/m2、进水温度为8°C–16°C的条件下，采用SAT–AC CPCM具有潜在优势。此时，AC功能的加入使相变温度降至47.3°C，从而实现了更有效的潜热储存，并保持了更稳定的进水温度，进而提升了太阳能热水系统的效率。例如，与SAT CPCM相比，7月的效率提升了10.1%。图15展示了在假设的20年系统使用寿命内所有情况下的成本结构，包括初始投资成本、运营成本和维护成本。在所有情况下，运营成本都是整个生命周期成本中占比最大的部分，这凸显了电能使用对系统整体经济性能的影响。由于气候条件较好且太阳能利用率较高，香港地区的运营成本占比最低，为整个生命周期成本的41.0%–41.9%。相比之下，丹麦地区的运营成本占比最高，介于63.2%至63.3%之间，这主要是由于太阳辐射强度较低以及较高的加热需求，导致系统对辅助电能的依赖度增加。比较这两种相变材料配置，由于材料成本较低，SAT CPCM的初始投资和维护成本略低于SAT-AC CPCM。因此，在相同的气候条件下，SAT CPCM的整个生命周期成本也略低于SAT-AC CPCM。在丹麦和法国，这两种相变材料配置之间的成本差异更为明显。表7总结了在所有比较条件下两种加热系统的性能指标。在香港，SAT–AC CPCM的系统效率更高，在40°C时为3.18，在45°C时为2.61，而SAT CPCM在这两个温度下的相应数值分别为3.08和2.54。此外，SAT–AC CPCM的运营成本也更低，在40°C时可节省约3.0%，在45°C时可节省约2.9%。在太阳辐射强度为350–700 W/m2的范围内，由于热储存性能更好，SAT–AC CPCM系统的能耗和运营成本始终低于SAT CPCM系统。不过，SAT–AC CPCM虽然运营成本较低，但由于长期使用过程中相变材料的更换成本较高，这一优势并不十分显著，因此在20年的技术经济分析中，两种系统的整体生命周期成本差距不大，SAT–AC CPCM系统的DPP仅比SAT CPCM系统高0.9%。SAT–AC CPCM的能源性能更好，而两种相变材料配置的长期经济可行性则相当。这些研究结果进一步表明，更好的热性能并不必然带来更高的长期经济回报。实际上，系统的整体经济可行性取决于能源节约、材料耐用性、更换频率以及生命周期投资成本之间的平衡。因此，在选择用于实际太阳能热储存应用的相变材料时，应同时考虑其热物理性能和长期维护需求。下载：下载高分辨率图像（296KB）下载：下载全尺寸图像图15. 不同运行条件下单太阳能加热系统的成本结构。与香港相比，太阳辐射强度相对较低的丹麦和法国的加热系统运营成本分别增加了125.7%和72.7%。相反，这些系统的效率则分别降低了56.9%和53.5%。在丹麦，SAT CPCM的效率略高于SAT–AC CPCM，运营成本也更低。在法国，SAT CPCM的效率与SAT–AC CPCM相当，运营成本则低0.5%。尽管法国的太阳辐射条件更好，本应带来更大的电能节约，但两种相变材料在该国的净现值均为负值。这些结果表明，最佳的相变材料特性在很大程度上取决于地区的气候条件以及当地的电力市场结构。在太阳辐射强度较高且电力价格固定的地区，较低的相变温度有助于实现更充分的充能过程，提高潜热利用效率，从而提升整个系统的效率以及可再生能源的利用效率。而在太阳辐射强度较低、电力价格波动较大的地区，由于热输入不足，相变材料的熔化过程会受到限制，此时系统的经济性能则更受电力价格结构的影响。仅有较高的太阳辐射强度并不足以确保系统的经济可行性。系统的整体经济表现还受到当地电力价格结构以及可实现的能源节约程度的影晌。因此，即使太阳能资源较为丰富，如果当地的能源市场环境不适宜，也可能无法带来显著的经济效益。在丹麦，SAT CPCM的净现值更高，其DPP也比SAT–AC CPCM短约4.9%。评估基于相变材料的太阳能加热系统的实际应用价值时，需要综合考虑其热物理性质、气候条件、电力价格结构以及地区能源政策。在不同的未来政策环境下，所测算的净现值和DPP数值可能会发生变化，而在拥有更强可再生能源支持机制的地区，这类系统的经济可行性可能会有所提升。表7. 在所有比较条件下，不同盐类水合物作为加热材料时系统的性能指标。指标数值Δ%条件空单元SAT–ACSAT空单元空单元能源性能太阳能热水系统效率ηSHC (%)39.1537.075.6实验条件（太阳辐射强度：850 W/m2）ηSHC (%)19.5119.211.6数值模拟（香港；设定温度：40°C）ηSHC (%)22.7822.361.9数值模拟（香港；设定温度：45°C）ηSHC (%)18.8719.28?2.1数值模拟（丹麦；设定温度：40°C）ηSHC (%)21.6122.09?2.2数值模拟（法国；设定温度：40°C）系统效率ηsys13.3912.675.6实验条件（太阳辐射强度：850 W/m2）ηsys3.183.083.2数值模拟（香港；设定温度：40°C）ηsys2.612.542.8数值模拟（香港；设定温度：45°C）ηsys1.371.38?0.7数值模拟（丹麦；设定温度：40°C）ηsys1.481.480.0数值模拟（法国；设定温度：40°C）经济性能运营成本（OPEX，欧元）63.7965.78?3.0数值模拟（香港；设定温度：40°C）运营成本（欧元）102.83105.90?2.9数值模拟（香港；设定温度：45°C）运营成本（欧元）143.98143.560.3数值模拟（丹麦；设定温度：40°C）运营成本（欧元）110.19109.670.5数值模拟（法国；设定温度：40°C）投资回收期（年）6.706.640.9数值模拟（香港；设定温度：40°C）投资回收期（年）4.934.900.6数值模拟（香港；设定温度：45°C）投资回收期（年）14.2213.554.9数值模拟（丹麦；设定温度：40°C）投资回收期（年）>20>20数值模拟（法国；设定温度：40°C）净现值（欧元）1079.11086.3?0.7数值模拟（香港；设定温度：40°C）净现值（欧元）1499.11512.2?0.9数值模拟（香港；设定温度：45°C）净现值（欧元）208.8250.7?16.7数值模拟（丹麦；设定温度：40°C）净现值（欧元）?195.8?150.0?30.5数值模拟（法国；设定温度：40°C）1. Δ%表示SAT-AC相比SAT（基准值）的改进百分比。下载：下载高分辨率图像（569KB）下载：下载全尺寸图像图16. (a)法国不同集热器尺寸下加热系统的电能消耗情况，(b)热量供应分布情况，以及(c)该系统的经济可行性。4.6. 区域设计优化对系统性能的影响鉴于太阳能热水系统的规模会显著影响系统的能源性能和经济性能，因此以法国为例进行了敏感性分析，以此体现区域设计优化的重要性。图16(a)展示了采用SAT–AC CPCM的太阳能加热系统在不同集热器面积下的年度电能消耗和运营成本情况。随着集热器面积的增大，由于太阳能利用效率的提升，辅助电加热设备的电能消耗有所减少。与参考配置相比，辅助电加热设备的电能消耗减少了约19%。尽管循环泵的电能消耗会随着集热器面积的增大而上升，当太阳能热水系统面积达到11.1平方米时，循环泵的电能消耗几乎翻了一番，但这一额外的能耗仍然远低于通过减少辅助电加热需求所节省的电能。电力消耗的减少使得年度运营成本降低，随着集热面积的增大，这一降幅可达10.8%。图16(b)展示了不同尺寸集热器下系统的供热分布情况。随着集热面积的增加，更多供暖需求由太阳能满足，而电辅助加热的贡献则相应减少。在所研究的最大集热面积情况下，太阳能的占比从最小集热面积时的37.4%上升至49.3%。这一增长表明，扩大集热面积能够有效提升可再生能源的利用比例，减少对电辅助加热的依赖。随着集热面积的增加，系统效率也呈现出持续上升的趋势，从3.7平方米集热面积时的约1.48上升至11.1平方米最大集热面积时的1.73。效率的提升得益于太阳能热量的增加，这减少了系统对电辅助加热的依赖。同时，当集热器尺寸超过一定范围后，额外的太阳能对系统整体性能的提升作用则变得不那么显著。图16(c)展示了集热器尺寸对系统经济性能的影响。净现值从最小集热面积时的-195.8欧元下降到最大集热面积时的约-1179.0欧元。同时，所有系统的折旧年限均超过20年，这意味着在假设的系统使用寿命内无法收回初始投资。经济可行性的降低是由于集热面积增大带来的资本成本大幅上升。尽管增大集热器尺寸可以提高太阳能的利用率，降低对电辅助加热的需求，但由此带来的运营成本节约不足以弥补额外的投资成本。因此，所有被研究的集热器配置的净现值均为负值，这说明在法国当前的电力市场条件下，该系统在经济上仍不具备吸引力。更重要的是，这些结果表明，虽然区域设计优化可以影响系统的能源性能，但关于太阳能加热系统在法国经济可行性有限的总体结论并未改变。这些结果还表明，单凭一个因素并不能确保系统性能或经济可行性的提升。实际上，相变材料储热的整体效果取决于相变材料的热物理性质、充放热特性、气候条件以及地区电力市场机制之间的综合相互作用。在电力价格相对较低的地区，尽管相变材料储热系统的热性能良好，但其经济回报可能较为有限。相反，在电力价格较高的地区，通过提高可再生能源的利用率并在电价高峰期减少电力消耗，相变材料储热系统能够带来更显著的经济效益。因此，系统设计应根据当地的气候条件、运行需求以及电力市场特点进行综合考虑，而非仅依赖单一的热物理参数。与表8中列出的以往基于相变材料的太阳能热水系统研究相比，大多数系统的太阳能热水转换效率在22%至36%之间，而采用低温相变材料配置的系统效率甚至可达到46%。本研究开发的基于SAT的系统的实验测试效率达到了39.15%，表现出了较强的竞争力。结合级联相变材料储热系统的太阳能热泵，通过使用具有不同相变温度的SAT–AC–膨胀石墨CPCMs，有望进一步提升系统的经济可行性[45]。其他SAT复合材料，如SAT–碳化硅–EG[46]和SAT–氯化钠–纳米铜[47]，由于具有更高的热导率，或许能进一步提升系统整体性能。不过，它们在太阳能热水系统中的实际应用和经济可靠性仍有待验证。同时，利用SAT的过冷特性可以实现长期和短期的热储存，甚至跨季节储存，从而显著提升基于SAT的级联相变材料储热系统的效果。因此，提升盐水的传热能力、优化级联储存结构以及利用稳定的过冷相变材料储热系统，将是未来进一步提高系统性能的研究方向。

表8. 含相变材料的平板集热器的性能比较

| 配置 | 相变材料 | 相变温度（°C） | 每千克焓值（kJ/kg） | 测试条件 | SHC效率 | 参考值 | FPC上限位置 |
|------|----------|----------------|--------------------|----------|----------|--------|------------|
| RT31 | 29–34 | 165 | 常定辐射功率（400 W） | 28.33% | [1] | —— | —— |
| RCa-PCM | 28.43% | RT31 | 33.89% | RC-PCM | 33.42% | —— | —— |
| 无PCM的FPC | —— | —— | 夏日（2017年8月16日，伊朗设拉子，北纬29°37′，东经52°32′）；温度302 K | 33.00% | [48] | —— | —— |
| 加入25毫米PCM的FPC | PCM-1 | 35.4–36.42 | 484 | 6.30% | PCM-2 | 42–44 | 168 | 6.00% |
| | PCM-3 | 50–52 | 200 | 3.40% | PCM-4 | 60–62 | 209 | 3.30% |
| 无PCM的FPC | —— | —— | 冬日（2017年1月17日）；温度288 K | 22.50% | [48] | —— | —— |
| 加入25毫米PCM的FPC | PCM-1 | 35.4–36.42 | 482 | 22.30% | PCM-2 | 42–44 | 168 | 22.50% |
| a | RC为再生陶瓷。 |

5. 结论
本研究通过实验和数值模拟方法，对比了基于SAT–AC和基于SAT的太阳能热水系统的技术经济性能。主要结论如下：具有47.3°C较低相变温度的SAT–AC CPCM在受控充热条件下，能量释放持续时间是其两倍以上。这种对潜热的有效利用使得该系统在实验室测试中的整体效率提升了5.6%。在亚热带气候条件下，SAT–AC CPCM的热性能优于SAT CPCM，且运营成本更低。然而，当将20年的维护成本纳入评估时，其经济收益被大幅抵消，最终折旧年限与SAT CPCM系统相近。在温带气候条件下，SAT CPCM更具优势，其在丹麦的折旧年限缩短了4.9%。尽管法国的太阳能条件优于丹麦，但那里的系统的净现值仍为负值，因此在经济上不可行。这一结果表明，仅有较高的太阳能潜力并不足以保证投资的安全性。在选择用于可再生能源加热应用的相变材料时，需综合考虑其热物理性质、当地气候条件以及经济状况。在亚热带地区，当平均太阳辐射强度在350–700 W/m2之间，进水温度在20°C–30°C之间时，SAT–AC CPCM的潜热利用效率更高。在温带气候条件下，其最佳太阳辐射强度为570–800 W/m2，进水温度则在8°C–16°C之间。在太阳辐射强度较高（>800 W/m2）的情况下，由于焓密度较高，相变温度为56.4°C的SAT CPCM也处于适用范围之内。在太阳辐射强度较低（<350 W/m2）的情况下，SAT CPCM在显热阶段由于具有更强的热缓冲效应，其热响应相对更好，但在这样的条件下，相变材料的潜热储存优势可能无法得到充分利用。这些研究结果为工程师和设计师提供了定量依据，有助于他们根据地区气候和经济条件选择合适的相变材料，从而最大化太阳能相变材料储热系统的技术经济性能。未来的研究应包括在真实运行条件下的长期循环测试，以评估含有盐水的太阳能加热系统在反复充放热过程中的耐久性、热稳定性和可靠性。此外，还应考虑诸如机械混合或搅拌机制等实际设计策略，以避免相分离，保持系统的长期循环稳定性，进而提升大规模和长时间应用的可行性。另外，还应研究提升盐水传热能力的方法，比如提高热导率以及优化换热器和级联储存结构，以便在不同运行条件下进一步提升系统的整体效率和热利用效率。

作者贡献说明：
Xin Jin：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念构建。
Chunjun Huang：撰写——审阅与编辑、可视化、软件应用、研究、正式分析。
Shi You：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、资金获取。
Chresten Tr?holt：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调。
Natasa Nord：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、正式分析。

Xin Jin | Chunjun Huang | Shi You | Chresten Tr?holt | Natasa Nord
挪威科技大学能源与过程工程系，挪威特隆赫姆市NO-7491