研究背景
　　? ? ? ?随着社会的发展，人类对能源的需求不断增加，温室气体排放越来越多，而传统的化石能源储量是有限的，因此如何高效利用能源以及开发利用新能源成为越来越重要的课题。相变储能技术可以有效提高能源的利用率，同时能够有效缓解能源的供求在时间和空间上不匹配的矛盾。太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，但其本身的特点，如不稳定、不连续、能量密度低、受天气影响大等，给太阳能高效利用带来诸多挑战。利用相变材料储存太阳能集热产生的热能可以有效缓解上述问题，通常在白天通过太阳能集热器和相变储热器将太阳能转换成热能收集并储存，在夜晚或者阴天时将热能释放出来进行利用。在所有的热能储存技术中，相变储能因储热密度高和输出温度近似恒定的特点越来越受到重视。
　　? ? ? 相变材料在熔化/凝固过程中可以吸收/释放大量的能量，称为相变潜热，对应的熔化或凝固温度称为相变温度，相变材料的相变潜热一般较大，可达200～300 kJ/kg，甚至更高，相同条件下，储热能力是同体积水箱的3～6倍，因此利用相变材料储热可以大大减小储热装置的体积。近年来关于相变储热材料的研究越来越多，主要分为有机相变储热材料（如石蜡、脂肪酸等）、无机相变储热材料（如水合盐、金属等）和混合类相变储热材料，其中无机相变储热材料因具有热导率高、储热密度高、安全稳定、廉价易得等优点而受到广泛关注。
　　? ? ? ?目前相变储能的研究大多集中在相变材料的研究，主要关注改善相变材料的过冷度和相分离等缺陷，获得可以进行实际应用的相变材料。在实际应用方面，国内外已经开展了相变储能与太阳能集热相结合的应用的研究。MAZMAN等在太阳能储热水箱中加入3种圆柱状的相变储能模块，用PCM-石墨作为实验用的相变材料，然后进行加热、冷却实验，结果表明，水箱中加入相变材料可提高水箱上部温度，延长释热时间。张永信等采用FLUENT软件分别对含有储能模块和不含储能模块的水箱进行了模拟，结果表明，水箱内加入储能模块后改善了热分层效果、提高了水箱释热总量，释能效率提高7%。纪珺等开发出了Ba(OH)2·8H2O复合相变材料，并利用该材料搭建了一套梯级相变蓄热太阳能光伏/热集热器，该集热器既能够降低太阳电池工作温度，又能满足生活热水需求。
　　? ? ? 上述研究主要聚焦于通过添加相变储能模块提高蓄热水箱的蓄热能力，而对于用相变储能装置代替传统的蓄热水箱的研究相对较少。本文提出一种基于相变储热的太阳能多模式采暖方法，通过将太阳能集热器与相变储热器耦合，搭建了太阳能与相变储热相结合的采暖系统，以高海拔地区西藏林芝进行测试，并分析了其实际应用过程中的运行效果。
　　创新点及解决的问题
　　? ? ? ?为克服太阳能间断性和不稳定性的缺点进而实现太阳能集热与采暖的能量供需调节和全天候连续供热，提出了基于相变储热的太阳能多模式采暖方法（太阳能集热直接采暖、太阳能集热采暖+相变储热、太阳能相变储热采暖），并在西藏林芝市某建筑搭建了太阳能与相变储热相结合的采暖系统，该系统可根据太阳能集热温度和外界供热需求实现太阳能多模式采暖的自动控制和自动运行。实验研究表明：在西藏地区采用真空管太阳能集热器可以和中低温相变储热器很好地结合，白天储热器在储热过程中平均储热功率为10.63 kW，储热量达到92.67 kW·h，相变平台明显；晚上储热器在放热过程中供热量达85.23 kW·h，放热功率和放热温度平稳，储放热效率达92%，其储热密度是传统水箱的3.6倍，可连续供热时间长达10?h，从而实现了基于相变储热的太阳能全天候连续供热，相关研究结果对我国西藏地区实施太阳能采暖具有一定的指导作用。
　　重点图文导读
　　1 ?系统设计
　　1.1?地理条件
　　图1??林芝市月平均气温
　　1.2 ?系统方案
　　图2??太阳能相变储热采暖系统
　　图3??相变储热器及示意图
　　（b）PCM60相变潜热与起始相变温度变化
　　图4??复合相变储热材料PCM60性能参数
　　（a）太阳能集热器
　　（b）机房布置图
　　图5??太阳能集热器及机房布置
　　1.3??储放热性能表征
　　2 ?结果与讨论
　　2.1??白天太阳能采暖及相变储热
　　图6??太阳能集热器进出口水温度变化曲线
　　图7??相变储热器进出口水温及内部温度变化曲线
　　图8??储热功率及系统流量变化
　　2.2??晚上太阳能相变储热器放热采暖
　　图9??太阳能集热器进出口水温、相变储热器进出口水温和内部温度曲线
　　图10??放热功率及系统流量变化
　　3??结 ???论
　　? ? ? ?采用一台填充PCM60相变材料的储热量为90 kW·h的相变储热器，并结合了真空管太阳能集热器，提出了基于相变储热的太阳能多模式采暖方法（太阳能集热直接采暖、太阳能集热采暖+相变储热、太阳能相变储热采暖），在西藏林芝市某建筑搭建了相变储热与太阳能结合的采暖系统，通过自控系统控制采暖系统在不同模式之间切换，分析了实际应用场合下的性能，得到结论如下。
　　（1）白天太阳能采暖及相变储热过程中，真空管太阳能集热器可以在较短时间内将水加热到65 ℃以上，并能长时间维持在PCM60相变温度以上，完全可以满足相变储热器的储热；储热器内部温度先上升较快，到58?℃附近出现相变平台并持续较长时间直至相变完成，之后温度继续上升。储热过程储热器平均储热功率10.63 kW，最终储热量达到92.67 kW·h，表明相变储热器可以很好地与太阳能采暖系统相结合。
　　（2）晚上太阳能相变储热器放热采暖过程中，储热器内部温度先迅速下降，到58 ℃附近出现相变平台并维持较长时间，直至相变潜热释放完，之后温度继续降低。放热过程表明相变储热器可连续供热长达10个小时而无需辅助能源，放热过程温度稳定，放热功率平稳，放热量达到85.23 kW·h，储放热效率为92%，具有良好的采暖效果。相比于传统的水箱储热，相变储热器的储热密度是水箱的3.6倍，具有明显的优势。