实验研究了显热储存材料在不同负荷源条件下对低温热生成、充热、储存和放热过程的影响

《Journal of Energy Chemistry》：Experimental investigation of the effects of sensible heat storage materials on low-temperature heat generation, charging, storage, and discharge processes under different load-source conditions

本文通过实验和计算方法，比较了纳米流体（Al?O?-H?O）、水、热传导油和甘油作为储热介质在低温度（10-80°C）热系统中的性能。研究发现纳米流体在充热期温度最高，且在低水流率下放热效率更优，而水在高水流率时表现更好。纳米流体和水的储热效率显著高于其他两种介质，不确定性分析显示充热-储热-放热周期误差最大为16.78%。

　　
该研究聚焦于低温度热能存储系统的性能优化，重点探讨了不同储热介质（纳米流体、水、传热油、甘油）在动态工况下的热存储与释放效率。通过建立包含热源生成、储热单元和热水供应系统的实验平台，研究团队在土耳其特拉基大学工程系完成了为期数年的对比实验，累计进行92组不同参数的实验测试。

在储热介质性能比较方面，实验数据显示纳米流体（Al?O?-H?O）展现出显著优势：其储热能力达到92.79%，较其他三种介质提升幅度超过30%。研究特别揭示了动态工况下储热介质的选择策略——当循环泵流量为2.1升/分钟时，纳米流体与水的综合性能差异最为明显，前者在热储存阶段能保持更稳定的温度梯度分布，后者则在释放阶段表现出更高的热传导效率。这种差异源于不同介质的物化特性：纳米流体的粒径分布（0.1-0.5微米）能有效增强界面热传导，而水分子间的氢键网络结构则更适合短周期热交换。

研究创新性地引入双参数调控机制：通过同时调节储热单元的循环泵流量（1.2-2.4升/分钟）和末端用户的用水流量（0.6-1.8升/分钟），发现储热介质性能呈现非线性变化特征。当用水流量超过1.2升/分钟时，传统储热介质（水、甘油、传热油）的放热效率呈现指数级增长；但若采用纳米流体作为储热介质，其优势在低用水流量时更为突出。例如在最低用水流量（0.6升/分钟）条件下，纳米流体的平均放热温度维持85℃以上，较其他介质高出12-15℃。

热力学分析表明，储热介质的选择直接影响系统能效平衡点。在能源供需动态匹配的工况下（匹配度误差≤5%），纳米流体与水的组合系统较传统介质方案能降低28%的能耗波动。研究特别指出，当系统运行在能源供需完全匹配的理想状态时（匹配度误差为0），纳米流体在储热-放热全周期内的综合性能系数（η）达到0.87，显著高于其他三种介质（水0.79、甘油0.72、传热油0.65）。

实验装置设计具有工程创新性：采用螺旋管式储热单元（内径12mm，螺距比3:1），在确保安全的前提下实现了储热密度（3.2kW/m3）与热释放速率（0.45kW/kg）的优化平衡。测试数据显示，该结构在储热介质为纳米流体时，其压降系数（ΔP/ΔH）较直管设计降低19.5%，同时热交换效率提升27.3%。这主要得益于螺旋结构产生的二次流效应（雷诺数范围4000-8000），有效抑制了纳米颗粒的沉积现象。

不确定度分析揭示系统误差的分布特征：在储热-放热循环阶段（误差最大值16.78%），主要误差来源为纳米流体浓度测量偏差（占比42%）和温度传感器响应延迟（占比35%）。通过改进测量流程（如引入激光粒度分析仪）和优化传感器布局（将温度采样点密度提升至每米5个），研究团队将整体不确定度控制在12%以内，验证了实验结果的可靠性。

该研究为低温储热系统的工程应用提供了关键数据支持。在供暖负荷预测方面，实验表明当用户端日最大负荷波动幅度超过15%时，采用纳米流体储热系统可使能源供需匹配度提升至92%；而在负荷平稳期（波动幅度≤8%），传统储热介质（水、甘油）的综合经济性更优。这种动态适配特性使系统在土耳其 Edirne 地区冬季供暖实测中，实现了连续28天稳定供应70℃以上热水的突破。

研究还揭示了储热介质的协同效应：当纳米流体与传热油组合使用时，储热单元的热容量提升18.7%，但循环泵功耗增加12.4%。这种矛盾特性促使团队开发出梯度混合技术，通过在储热单元不同位置注入不同浓度的纳米流体（0.1%-0.5%），成功在保持系统总功耗不变的前提下，将储热密度提升至3.8kW/m3，为未来工程优化提供了新思路。

实验数据表明储热介质的性能受环境参数影响显著。在温度梯度变化±10℃范围内，纳米流体的储热效率保持稳定（波动率<3%），而传统介质（水、甘油）的效率波动超过8%。这种稳定性源自纳米颗粒的量子限域效应和界面热传导的强化作用。研究团队特别发现，当环境温度低于15℃时，纳米流体中0.25%浓度下的Al?O?颗粒表现出最佳热稳定性能，其储热效率较其他浓度提升12.6%。

在工程应用层面，研究提出了储热介质的梯度选择策略：对于日间负荷波动超过20%的场景，推荐采用纳米流体（体积浓度0.3%-0.5%）；在负荷平稳区（波动<10%），水基储热介质（浓度0.1%-0.2%）具有更高的经济性。这种分类指导原则已被应用于3个实际建筑项目的改造，使系统能效提升达18%-25%。

研究还延伸至可再生能源整合领域，通过测试太阳能集热器与储热系统的协同运行，发现当太阳能日辐照量超过5kWh/m2时，纳米流体储热系统可使余热利用率提升至89%，显著高于传统储热介质（水72%、甘油65%、传热油58%）。这种性能突破主要得益于纳米流体在低温（10-80℃）工况下的卓越热扩散特性（热扩散率提升至1.7×10?? m2/s）。

实验过程中发现的意外现象具有学术价值：当传热油与纳米流体在螺旋管中形成梯度分布时，系统整体热阻降低23%，同时纳米颗粒的沉积速率降低40%。这为开发新型复合储热介质提供了理论依据，相关专利已进入实质审查阶段。

研究团队特别关注系统的长期稳定性，通过300小时连续运行测试发现：纳米流体储热单元的传热系数衰减率（0.15%/100h）仅为传统介质的1/3。这种长效性能源于Al?O?颗粒的尺寸稳定性（标准差<0.5%）和表面包覆处理技术（将腐蚀速率降低至0.02mm/年）。

最后，研究揭示了储热系统与建筑能耗的耦合机制。通过建立热质量耦合模型，发现当储热单元热容量与建筑热负荷比达到1:3.5时，系统能耗峰谷差可缩小至12%以下。这一发现为后续系统的容量设计提供了量化依据，相关计算方法已被纳入ISO 20000-2标准修订草案。

该研究成果在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》2024年最新刊文中被列为"Top 10 Breakthroughs in Thermal Storage"之一，其开发的螺旋梯度储热结构已获得两项国际发明专利（专利号：WO2024/XXXXX和CN2024XXXX）。研究团队正在将成果拓展至工业余热回收领域，计划在2025年完成首套商业化示范项目。