Energy：建筑采暖多单元热化学蓄能系统与微通道换热器集成的性能研究

论文信息：

Yong Zhang, Hua Li, Jiani Wang, Yanping Yuan, Jianbin Chen, Ziwei Chen, Yuehong Su, Mingke Hu, Performance of a multi-unit thermochemical energy storage system integrated with microchannel heat exchanger for building heating, Energy

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.141909

Part.1

研究背景

建筑部门在全球能源消耗与碳排放中占据重要份额，其中空间供暖是主要贡献者，供暖脱碳对实现净零能耗建筑转型至关重要。太阳能为建筑供暖提供了清洁且丰富的替代能源，但其间歇性及与热需求的季节性不匹配制约了实际应用，需要高效的热能存储（TES）解决方案实现长期储能。盐基热化学储能（STCES）因其高储能密度（约800 kWh/m³）、低再生温度和极小的热损失，在季节性太阳能存储与建筑供暖方面具有显著潜力。STCES通过盐基水合物的可逆脱/水合反应储/释热：夏季太阳能驱动盐基脱水储存化学势能，冬季盐与水分子重新结合释放热量。然而，开放STCES系统以空气为热湿传输介质，无法直接接入建筑广泛采用的水暖网络，部署需大量风管系统和建筑改造；封闭STCES系统虽可与水暖兼容，但需密封反应器、冷凝器、蒸发器等辅助部件且常需真空运行，结构复杂、成本高昂。为解决上述难题，本研究提出一种新型STCES设计策略：在开放STCES系统中引入空气-水微通道换热器，将热化学材料释放的热量由空气传递给循环水并输送至水暖网络，从而兼具建筑集成兼容性与结构简洁性。基于此，研究开发两种耦合方案（分离式翅片微通道换热器DF-STCES与嵌入式裸管换热器EB-STCES），通过实验与数值模拟评估其性能，为建筑集成热化学储热系统提供设计依据。

Part.2

研究内容

采用湿浸渍法制备蛭石-CaCl₂复合热化学材料（CTCM），蛭石粒径3~5 mm，CaCl₂质量分数约51%。该复合材料的实测储能密度达2232 kJ/kg（302 kWh/m³），在70%相对湿度下吸水率约1.05 g/g，经20次吸附-脱附循环后容量衰减仅约7%，展现出优异的循环稳定性。

实验平台如图3所示，由空气调节单元、热回收单元、风机、加热器、控制器、反应器及恒温水浴组成。反应床尺寸340 mm×340 mm×60 mm，可单层或四层并联布置。DF-STCES方案在反应器出口安装分离式翅片微通道换热器（如图3c所示），反应热先传递至空气，再经换热器加热循环水；EB-STCES方案将裸管微通道换热器嵌入反应床内（如图3d所示），反应热直接传递给水，余热由空气带走。两种方案分别以单层和四层配置进行实验（如图3e所示）。

图3 (a)实验测试平台的照片 (b)水基STCES系统排放过程中空气和水的流动路径示意图 (c)集成到DF-STCES反应堆中的分离的翅片式换热器示意图 (d)集成到EB-STCES反应堆中的嵌入式裸露换热器示意图 (e)四种反应堆配置及其对应的气流分配示意图

基于COMSOL Multiphysics建立DF-STCES系统的多物理场模型，耦合反应动力学、质量传输与能量守恒方程。模型经验证与单层反应器实验数据偏差RMSD<1%，多层反应器RMSD<0.66%，可靠性良好。

在单层反应器对比，如图4所示，DF-STCES反应器在放热过程中出口水温峰值达50.86°C，水温提升超5°C持续约25 min，超2°C持续约100 min。EB-STCES反应器因嵌入式换热器占据部分CTCM体积，水温提升始终未达5°C，各温升区间持续时间均短于DF-STCES。DF-STCES还因换热器独立于反应床，避免了CTCM更换困难和腐蚀问题。

图4 (a)单层DF-STCES反应堆 (b)单层EB-STCES反应堆各点的温度测量 (c)单层DF-STCES反应堆 (d)单层EB-STCES反应堆各点的绝对湿度测量

在多层反应器性能测试中， 如图5所示，多层结构显著延长放热时长，两种构型水温提升超5°C的持续时间均为单层的两倍以上（DF-STCES约55 min，EB-STCES约60 min）。高质量流量下DF-STCES水温提升超6°C，而EB-STCES因热量更多传递至空气侧，水温提升明显降低。综合热性能与可维护性，多层DF-STCES被确定为最优构型。

图5 (a)多层DF-STCES反应器 (b)多层EB-STCES反应器在低质量流量条件下放电过程中的温度变化 (c)多层DF-STCES反应器 (d)多层EB-STCES反应器在高质量流量条件下放电过程中的温度变化

在热回收单元集成中，如图6所示，未集成热回收时，DF-STCES水温提升不足2°C、持续仅略超1 h，因为入口空气与回水温差过大导致大部分反应热用于预热空气。集成热回收单元后，系统热效率随热回收效率提升而提高，峰值出水温度从50.6°C升至52.3°C。热回收效率90%时，峰值水温提升达7.3°C，有效供热超8 h，累计有用热输出近190 kJ。

图6 (a)独立的DF-STCES反应堆排放过程中的空气和水温 (b)与Hru集成的DF-STCES系统示意图 (c)Hru换热效率对系统水温和热效率的影响 以及(d)整个DF-STCES系统在90%Hru效率下的动态温度变化

在迎风面积比优化中，如图7所示，研究了反应床与换热器迎风面积比β对性能的影响。β增大使水温提升单调增加，但系统热效率从73%降至约65%。以水温提升超5°C且热效率高于70%为设计准则，β=3和4被确定为最优结构，同时满足两项要求。

图7 前缘面积比(β)对DF-STCES系统水温升高和热效率的影响

Part.3

总结与展望

本研究开发了多功能STCES实验平台，比较了DF-STCES与EB-STCES两种构型的放热性能，并对性能更优的DF-STCES进行了数值模拟研究。研究所用蛭石-CaCl₂复合TCM（51 wt%盐含量）表现出优异的热化学性能，实测储能密度达2232 kJ/kg（302 kWh/m³），70%相对湿度下吸水率约1.05 g/g，经20次吸附-脱附循环后容量衰减仅7%。单层反应器对比表明DF-STCES可维持水温提升超5°C持续25 min，而EB-STCES始终未能达到5°C温升；多层结构使两种构型水温提升超5°C的持续时间均提高一倍以上，其中多层DF-STCES综合性能最优。进一步集成热回收单元后，DF-STCES系统热效率达70%，峰值水温提升超7°C，有效供热时长超8 h。针对迎风面积比的优化表明，β=3和4为最优设计，可同时满足水温提升超5°C和热效率高于70%的双重目标。本研究为高性能水基热化学储热系统提供了实验基础与设计准则，对提升未来建筑供暖系统的效率、耐久性与可扩展性具有指导意义。

Performance of a multi-unit thermochemical energy storage system integrated with microchannel heat exchanger for building heating.pdf

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