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成功应用的相变储热技术

日期:2021-11-22    来源:吃土少女

国际储能网

2021
11/22
11:51
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关键词: 储热技术 相变储热 水储热

显热储热技术和潜热储热技术基本成熟,已成功应用于清洁供暖系统,热化学储热技术仍处于实验室研究阶段。经过长期的发展,目前面向清洁供暖的储热技术有逐步聚焦的趋势,目前占主导地位的储热技术包括水储热技术、高温固体电储热技术、相变谷电储热技术等。

1、水储热技术

水储热技术是最早应用于清洁供暖系统的技术之一,其结构原理图见图1,主要是在谷值电价时利用电锅炉进行热水加热,储于储水罐;在峰值电价时利用储水罐热水供暖。水储热技术具有热效率高、运行费用低、运行安全稳定、维修方便等优点,在国内外都有很多应用实例,但是也存在储水罐体积较大、受占地空间限制等问题。

图1 水储热供暖技术原理图

在20世纪80年代初,欧洲已成功开发和运行水储热技术的电力供暖系统,以解决冬季供暖高峰负荷问题,我国也采用上述相关技术,并取得了很大成效。以阳林地区供暖系统为例证明,水储热系统可减少约12%的一次能源消耗和约5%的总成本。

阳林中医院水储热供暖系统,经过实际运行发现,锅炉出水温度可达到70 ℃,保证用户在室外温度较低时的采暖,锅炉房各项指标基本达到设计要求。采用水储热技术为阳林商场进行供暖,运行结果表明,水储热技术供暖系统运行费用可较燃气锅炉省52%,且供暖效果佳,运行时间灵活。

对比华北地区1万平米建筑采用120天供暖时间的燃气、地源热泵、市政、水蓄热等供暖技术经济效益,发现水蓄热供暖技术综合经济效益最佳,见表A。分析了宾馆水蓄热供暖技术技术可行性,发现水蓄热技术的投资回收期为2年半,运行成本低于燃油锅炉和燃气锅炉。

表A 不同供暖技术的经济效益

2、高温固体电储热技术

高温固体电储热技术是在谷值电价时利用电加热设备直接将电能转化为热能,并储存于固体储热器;在峰值电价时与供暖系统热水进行换热,进而为建筑供暖的技术,其技术原理图见图2。高温固体具有储热密度大、储热温度高、储热体积小等优点,不但克服液体储热技术的缺点,而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势。

图2 高温固体电储热供暖技术原理图

国外对高温固体电储热技术的研究始于20世纪70年代,到80年代初,欧洲部分发达国家已开始进行实际应用。对高温固体电储热器进行了优化设计,发现蓄热材料大小、高度、换热流体流量、输入热量是影响蓄热性能的主要参数。开发了高温混凝土蓄热示范模块,验证了模块在500 ℃的稳定性以及200~500 ℃环境中长期储热的损耗。

我国在高温固体电储热技术应用已达到国际领先水平,但是目前研究多为应用形式的设计和经济性的分析,对于技术涉及的传热传质过程等基础研究缺乏深入的探讨。天帅智能科技股份公司设计研发了一种固体电储热供暖装置,利用氧化镁砖和热管组成封闭的储热单元,降低氧化镁砖固体的氧化速度。并提出了一种带预制固体热能存储装置的供热系统,利用金属伞裙把固体储热材料分段,减小大范围开裂损坏的危险。

验证了高温固体电储热供暖技术对于实行峰谷电价地区的非居民项目具有显著的经济效益。分析了高温固体电储热供暖技术不仅具有一定的经济效益,更可产生环境效益,增大低谷段的风电和核电等清洁能源消纳能力。表B为北京某供暖面积200万m2电蓄热方案经济性对比,从表中可以看出高温固体电储热技术的经济性优于水储热技术,且采用花岗岩为固体储热介质的经济性明显好于以镁铁砖为固体储热介质。

表B 不同供暖技术的经济效益

3、相变电储热技术

相变电储热技术是近些年开始发展的技术,具有储热密度高、储释热过程温度恒定等优点。目前,相变电储热技术结构主要有两种:

一种是类似于水储热技术,将相变储热装置替代储水罐,在电价谷值时,开启电锅炉制热,并利用相变储热装置将热量进行储存,在电价峰值时,相变储热装置为建筑供暖;

另一种类似于高温固体电储热技术,将相变材料做成相变材料砖,并放置于固体储热器中,在电价谷值时直接储存电加热装置的热量,在电价峰值时为建筑供暖。

通过模拟证明,相变电储热装置在家用电采暖领域具有很大的应用价值。与高温固体电储热技术类似,我国相变电储热技术领域的研究也多为应用形式的设计和经济性的分析,需要加强对相变电储热传热机理等基础内容的研究。

天帅智能科技股份公司设计了一种集产热、储热、供热于一体的,复合相变材料储热式供暖系统,利用缠绕方形翅片的换热盘管提高盘管与相变储热材料之间的换热效率。并提出一种油浸式相变储热电暖器,利用导热油完全浸泡相变储热模块,解决了目前储热式电暖器储热容量小、体积和重量大、导热性能不高等问题。

公司设计了一种相变储热谷电供暖系统,利用电加热管在谷电时为相变储热装置储热,在峰电时为用户端供暖。由箱体、电加热装置、相变材料组成相变蓄热供暖装置,可利用相变材料将用电谷期的电能储存起来,然后在其他的时段输出并提供持续稳定的热水。

针对这三大类储热供暖的特点与优势各不相同,利用室内温度需求、建筑物耗热量、建筑物热指标、采暖季热负荷、储热机组加热功率、蓄热量等5个指标提出一种经济性配置方法。通过临界电价法分析水储热、高温固体储热、市政供暖技术、相变电储热技术的经济性,发现谷电相变储热供暖技术相比其它供暖更具经济可行性,且谷电相变储热供暖技术的经济性最好,前期设备投入低,后期运行费用少。

在天津万象商业建筑应用相变电储热供暖技术,并发现该技术运行费用仅为燃气锅炉供暖系统的72%,开发了一种相变电储热装置,并应用于天津购物城,应用结果显示,该系统运行效率为81%,较原采暖系统运行费用可节省63%。对比了水蓄热技术和相变蓄热技术的区别,发现相变蓄热技术多为恒温放热,热稳定性优于水蓄热技术。尽管如此,但是相变蓄热材料成本较高,相变蓄热技术初投资高于其他技术,投资回报期也高于其他技术,如表B所示。随着天帅智能科技股份公司相变蓄热设备的大规模量产,相变蓄热材料综合成本会逐渐降低,良好的蓄热性能优势将得以展现,为全国用户提供高效便宜的清洁供暖(热)设备。

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