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跨季节储热技术,未来黑马还是驽马?

日期:2023-01-11    来源:CHPlaza清洁供热平台

国际储能网

2023
01/11
09:36
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关键词: 跨季节储热技术 热化学储热 显热储热

自上世纪七十年代末,欧洲和北美各国便已开始尝试推广各类跨季节储热技术

今天,该技术在海外已有较多应用,在国内虽也有部分项目实践案例,却寥寥可数,跨季节储热技术在国内到底有没有未来?

跨季节储热常见的几种类型

根据储热介质分类,跨季节储热技术可分为潜热储热、显热储热热化学储热。目前,跨季节储热技术的工程应用以显热储热为主。相较其他储热方式,显热储热原理较为简单,技术较为成熟。根据储热材料的不同,显热跨季节储热可以分为四种:水箱储热、岩石类储热、埋管储热、地下含水层储热。

▲不同类型跨季节储热方式特征对比

▌大型储热水箱跨季节储热

在水箱储热系统中,水箱的温度分层和外层保温材料是水箱储热研究的热点。水箱储热在很多大规模季节储热示范项目中实现了应用,以德国Friedrichshafen地区太阳能跨季节储热系统为例,热源来自多户楼顶的3513㎡太阳能集热器,12000m?的水箱储存夏季和过渡季节的太阳能热量,用于冬季的区域供暖,实验表明在1997–2003年期间,系统季节性储热效率达到60%左右。

与其他几种储热技术相比,热水蓄热具有单位体积热容量大、流动性好,存取热量较为快捷的特点,因此,水箱储热在很多大规模季节储热示范项目中实现了应用,在跨季节太阳能储热系统中,热水蓄热装置一般为圆柱形,这种结构有助于减小形体系数,以减小热损失,水箱的温度分层和外层保温材料是水箱储热研究的重点。

▌岩石类跨季节储热

岩石类储热的保温与水箱保温类似,需要在储热区域顶部和四周加装保温材料。在岩石类储热中常用的介质有鹅卵石、砾石、砂石、砖石等,岩石床与换热流体(水或空气)交换热量实现热量的储存和释放。由于能量密度低,岩石类储热系统体积约为水箱储热系统的3倍。

由于能量密度低,岩石类储热系统的体积约为水箱储热系统的3倍。岩石类储热的保温与水箱保温类似,在储热区域顶部和四周加装保温材料。该种方式也有大规模的应用,以德国Eggenstein的太阳能跨季节储热系统为例,热源来自该地区体育馆和学校楼顶的1600㎡太阳能平板集热器,4500m?的砾石–水储热装置储存热量,用于12000㎡建筑区域的集中供暖,系统另配备两台600kW燃气锅炉作为备用供热装置,一次能源节约率的设计值可达到65%。

▌地埋管跨季节储热

▲地埋管储热示意图

埋管储热一般利用地下土壤储存热量,地埋管蓄热装置是在打入地面以下30-100m的竖井内设置单U形管或双U形管,在蓄热过程中,将太阳热能通过水等介质储存在土壤和岩石中,到冬季供暖时,再通过水等介质将竖井旁边土壤和岩石中的热量交换出来。由于土壤储热密度较低,地埋管储热系统土壤体积约为水箱储热系统的3~5倍。地埋管储热对地质要求较高,岩石和饱和水土壤地质类型较为适宜。

竖直埋管技术在地源热泵系统中应用广泛,技术较为成熟,在许多跨季节储热项目中得到了应用。加拿大的德雷克太阳能社区是世界上第一个大型跨季节储能社区,它拥有跨季节埋管储热系统,其中包含了2300㎡屋顶太阳能集热器,144个35m深的竖直埋管换热器。利用太阳能,该系统可满足整个社区90%的冬季供热需求,每年每户可以节约5.5 t温室气体。

▌地下含水层跨季节储热

含水层主要包含地下水的地下沙土、砾石、石灰岩层等,上下两层为不透水层。地下含水层跨季节储热系统造价较低,但对地质条件要求较高,是跨季节储热技术的研究热点之一。在含水层蓄热装置中,需要安装冷水井和热水井各一口。在夏季太阳能充足的时候,将获取的太阳热能储存在热水井中。在冬季,通过抽取热水井中的热水给建筑物供暖和生活热水用热,然后将提取完热量后的水灌入冷水井中。

地下含水层储热被称为跨季节储热中最具经济能效比的选择。地下含水层储热自1976年被提出后就受到了广泛关注,经过大量的理论研究和实际探索,现在已经得到大规模应用示范。SCHMIDT等在德国建立了地下含水层跨季节储热系统,以1000㎡屋顶太阳能集热器作为热源,为108栋公寓共计7000㎡的建筑区域进行供暖,冷井和热井的工作温度在10~50℃范围。

跨季节储热可收集太阳能和余热

跨季节储热常用于将夏季盈余的太阳能资源储存到冬季使用,可实现热的时间空间迁移,有效解决能源供需在时间、空间上的不匹配,可再生能源供需不平衡的问题,也为农村采暖、煤改清洁能源、区域能源供给提供了新的技术路线。同时,其也可用于收集各种余热实现跨季节利用,比如在非供暖季,火电厂的余热可采用跨季节储热技术收集,以在冬季供暖。

中国工程院院士江亿非常推崇跨季节储热,他认为,在热能愈发珍贵的趋势下,大规模跨季节储热在经济上、低碳发展上等各方面具有了可行性。跨季节储热可以把全年的余热收集起来,变废为宝,实现零碳。跨季节储热的成本虽然还较高,但是远低于储氢、储电、储水发电、储高压气等方式。

典型项目案例:太阳能跨季节储热

目前,国内已建成的典型的跨季节储热项目案例基本上均为太阳能跨季节储热,光热企业日出东方为其中的一个主要玩家。

▲西藏浪卡子项目图

2018年11月,日出东方建成投运了西藏浪卡子太阳能供热工程,该项目位于西藏山南地区浪卡子县城,总集热面积22275㎡,采暖面积8.26万㎡(采用暖气片供暖)。

该项目采用大型太阳能储热采暖技术路线,出资方式为财政资金,主要设备采用高效平板集热器,数量:1620组。辅助热源:电锅炉。

整个系统分为高效平板集热器阵列组成的集热部分、地下水池等组成的跨季节储热部分、末端为暖气片组成的供热部分、智能远程监测控制系统组成的控制部分、电量采集柜等组成的数据部分。

该项目是在青藏高原上建设的第一个太阳能高比例供热采暖项目,采用国际合作方式,由国际上具有太阳能供热站建设先进检验的合作方进行设计并提供主要部件,建设费用较高,单位供热面积建设费用1460元/㎡,单位供热面积运行费用2元/㎡,项目建设总投资约1.2亿元。

2019年11月,日出东方又建成了西藏日喀则市仲巴县县城太阳能集中供热工程,这是西藏地区投运的又一个大型太阳能集中供热项目,投资1.73亿元,实现供暖面积超11万平方米。仲巴项目的储热设施采用了钢制蓄水罐,而浪卡子项目采用的是坑式水池蓄热。据业内人士称,钢制蓄水罐在实际应用中并不能实现跨季节应用,坑式水池蓄热的跨季节储热能力相对更好一些。严格意义上来说,仲巴项目算不上一个跨季节储热项目。

2016年,太阳能光热企业日出东方与丹麦Arcon-Sunmark(阿康·桑马克)正式成立合资公司阿康桑马克大型太阳能系统工程技术有限公司,共同致力于大型太阳能跨季节蓄热采暖技术在中国区域市场的应用及推广。双方在2018年完成了浪卡子项目,2019年完成了西藏仲巴县太阳能集中供热项目。上述项目采用的技术一部分来自于Arcon-Sunmark。但到了2020年5月,Arcon-Sunmark A/S退出了该公司,日出东方控股股份有限公司成为日出东方阿康桑马克大型太阳能系统工程技术有限公司的100%控股公司。

上述两个项目虽投资额较大,但均由西藏当地政府财政投资,具有不可复制性。在仲巴项目之后,日出东方建设的大型跨季节储热项目也已寥寥可数。

跨季节储热大规模应用的主要障碍

据业内人士分析,跨季节储热在国内未能大规模应用的原因可能包括:关键技术未掌握。如水体防渗、分水器设置、控制模式等;技术封锁。热电联产已经极其成熟,其他技术的应用初期会有很大的成本;供热模式封锁,中国的集中供热模式难以撼动。

任何技术实现商业化大规模应用的基础条件是经济性必须好,投资商有钱可赚才可行。跨季节储热目前初期投资大,周期长,回报率低,效果不明显,大型国企不愿意干,不出业绩,私营企业没赚头不敢干。

尽管目前的应用现状并不太好,但包括中国工程院院士江亿等在内的知名专家仍非常看好跨季节储热技术的未来,当下,跨季节储热技术在国内的探索和应用仍在进行中,其在未来究竟是一匹黑马还是驽马?还需要时间去验证。


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