适用于建筑供热蓄热技术的应用与发展

2023-05-13张承虎师熙隆朱添奇薛贵钰

煤气与热力 2023年5期

张承虎, 师熙隆, 朱添奇, 薛贵钰

(1.哈尔滨工业大学建筑学院, 黑龙江哈尔滨 150090; 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室, 黑龙江哈尔滨 150090)

1 概述

能源是人类赖以生存和发展的基础,随着全球经济的发展,人类对于能源的开发利用也呈急剧增长的趋势。目前,占能源消费主导地位的是煤炭、石油、天然气。根据BP全球能源消费年鉴(2021版),全球一次能源消费从1995年至2020年增长了57%,其中煤炭消费增长了74%。而我国一次能源消费增长了292%,其中煤炭消费增长了177%,远高于世界平均水平。

以煤炭为主的能源消费结构导致了环境问题突出。在双碳目标的引领下,清洁能源的开发利用规模势必大幅扩大[1],但是清洁能源的不稳定性、时空匹配错位、供需不平衡等特性极大制约其利用和推广[2]。蓄热技术是解决清洁能源供需失衡的主要途径,不仅可以利用蓄热材料与建筑本体相结合的方式改善建筑的蓄热特性,也可以应用于建筑供热系统,实现热量削峰填谷,增强供热系统调峰能力[3]。

本文对适用于建筑供热蓄热技术的应用与发展进行综述。

2 蓄热技术分类

蓄热技术可分为直接蓄热、间接蓄热。直接蓄热技术可分为显热蓄热、潜热蓄热、热化学蓄热[4-6]。近年来,出现了间接蓄热技术,通过技术手段提取低品位热能进行储存,再利用时,利用储存能力提取低品位热能。结晶蓄热属于典型的间接蓄热技术。

3 直接蓄热技术

3.1 显热蓄热

按照蓄热材料类型,显热蓄热可以分为液体蓄热、固体蓄热[7]。液体材料主要有水、熔融盐、导热油等。固体蓄热材料多以黏土、氧化镁砖为主。

① 液体蓄热

热水蓄热。通过加热方式将热量以显热形式储存在水中。常见的热水蓄热装置为蓄热水罐,蓄热温度为50～95 ℃,可满足一般供暖、生活热水、工业热水需求。

熔融盐蓄热。熔融盐蓄热也属于显热蓄热方式,主要利用电加热[8]通过熔融盐储存热量,蓄热密度一般是水的2～3倍。由于蓄放热过程接近常压,且熔融盐化学性质稳定,特别是高温区流动性强,保证了高温下蓄热装置的安全性以及工况的稳定可调[9]。

② 固体蓄热

氧化镁具有熔点高、密度大、导热快的特点,将氧化镁制成砖体,可将电能转化为热能储存在氧化镁砖中[10]。氧化镁砖蓄热体为常压系统,热性能稳定,设备运行安全性高,工作时温度可达800 ℃以上,且储热能力强,蓄放热效率高。与液体蓄热相比,反复蓄放热易导致氧化镁砖开裂分化,因此氧化镁砖的使用寿命受到一定限制。

3.2 潜热蓄热

根据相变过程的不同,潜热蓄热可以分为固-液相变、固-气相变、液-气相变[11]。由于固-液相变过程具有体积变化小、蓄热密度大、相变进程稳定易控的显著优势得到广泛应用[12]。

固-液相变材料按照种类划分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料[13-15]。无机相变材料具有腐蚀性、易过冷、相分离的缺点,极大限制了无机相变材料在建筑中的应用[16-18]。与无机相变材料相比,有机相变材料不易发生过冷、相分离,且绿色环保,固态成型好,在建筑蓄热系统中具有很高的应用价值[19]。对于复合相变材料,经研究发现添加石墨能明显提高传热效率。

3.3 热化学蓄热

与潜热蓄热方式相比,热化学蓄热的蓄热密度有数量级的提升。根据蓄热温度的不同,将热化学蓄热分为高温、低温热化学蓄热。高温热化学蓄热材料包括金属氢氧化物、金属氢化物、金属碳酸盐,低温热化学蓄热材料包括结晶水合物、氨合物等[20-28]。

4 结晶蓄热

溴化锂结晶蓄热是最常见的结晶蓄热方式。溴化锂结晶蓄热系统流程见图1。系统运行过程分为蓄热、放热。蓄热过程:天气晴朗时,阀16开启,阀15关闭。太阳能集热器收集的热量通过结晶加热器使溶液结晶腔内的溴化锂溶液不断蒸发浓缩结晶,产生的水蒸气在水蒸气凝结腔内的冷凝释热器表面放热凝结,加热冷凝释热器内的水,实现热水供应。

1—溶液结晶腔; 2—水蒸气凝结腔; 3—结晶加热器;4—吸收释热器; 5—冷凝释热器; 6—低品位取热器;7—太阳能集热器; 8—集热器热水循环泵; 9—溶液循环泵;10—凝结水循环泵; 11—溶液喷淋装置; 12—凝结水喷淋装置;13—隔热板; 14—热水循环泵; 15、16—阀门。

放热过程:阴天及夜间,阀15开启,阀16关闭。污水等低品位热源通过低品位取热器加热喷淋的凝结水,汽化产生的水蒸气在溶液结晶腔内被喷淋在吸收释热器上的浓溶液吸收,吸收过程释放的热量加热热水管路中的水,实现热水供应。隔热板起到隔绝溶液结晶腔与水蒸气凝结腔传热的作用。

结晶蓄热的热源来自太阳能、污水等低品位热源,而且供热量与晶体的温度无关,在储存时间上可以非常长,也不存在常规显热、潜热蓄热方式随着储存时间越长散热损失就越大的弊端。

5 蓄热技术特点[29-45]

4种蓄热方式的热损失及供热温度见表1。

表1 4种蓄热方式的热损失及供热温度

① 显热蓄热

优点:蓄热系统相对简单,成本低廉,通常对环境友好。

缺点:系统体积比较大,不适宜大容量长期储存热量,热损失问题突出。要考虑强化传热以及膨胀性匹配的问题。

研究热点:创新蓄热系统运行参数的优化策略,有效控制蓄放热过程中的热损失。

② 潜热蓄热

优点:与显热蓄热相比,潜热蓄热在控制温度方面更具优势。蓄热密度明显高于显热蓄热方式,同体积情况下可储存更多热量。装置简单易操作,设计灵活,便于管理,造价低。

缺点:相变过程中蓄热材料热物性会发生变化,许多有机蓄热材料如脂肪酸类具有毒性以及很强的腐蚀性,易导致蓄热材料与容器的相容性(相变储能材料与储存容器长期相容的能力,从而保证储能系统使用寿命长和减少污染的重要特性)降低。实际应用中的相变分离问题影响系统的热稳定性。通常使用的相变材料热导率比较低,且价格普遍比较高。

研究热点:新型相变材料开发以及已有相变材料的相容性改进。研究低温潜热蓄热,以适用于太阳能蓄热,以及供暖空调系统余热回收。

③ 热化学蓄热

优点:储热密度大,可最大限度节省储存空间。蓄热期间的热损失非常小。

缺点:蓄放热过程复杂,难控制,需考虑系统严密性。蓄放热循环中的传热传质特性比较差,整体效率不高,需考虑生成气体腐蚀问题,安全性低。蓄热材料价格高。

研究热点:新型蓄热材料的研究与开发,系统严密性控制及安全性监测。

④ 结晶蓄热

优点:阴天及夜间可持续提供热能。结晶蓄热形式节约空间,可在较低温度下运行,热量损耗比较小。

缺点:水蒸气的传递依靠容器两侧的压差作用,需考虑系统气密性。隔热板的传热影响蓄放热性能。

研究热点:结晶蓄热材料应朝着低成本、高储能密度、高循环稳定性以及长使用寿命方向发展。