蓄热系统

蓄热系统（精选7篇）

蓄热系统 篇1

在热水供应系统设计中, 热源的选择至关重要, 它直接影响到设计和施工的复杂程度、建设投资乃至运行和维护费用。特别是对于全天 (24 h) 保证热水供应的建筑, 设计时考虑初投资与运行费用同等重要。下面就某宾馆的热水供应系统的设计与运行经济性进行分析介绍。

1 热源选择的思考

该宾馆热水供应与地热系统设计时, 可供选择的热源有:外网蒸汽 (不回收冷凝水) 、燃油 (气) 锅炉和电锅炉。外网蒸汽运行费用高且压力随季节变化大;燃油 (气) 锅炉虽然运行费用低, 但涉及到环保、消防主管部门的审批等一系列复杂手续和费用, 并且运行管理复杂;而电锅炉既清洁又环保且无复杂的审批及消防等方面的问题。虽然全天运行费用也很高, 但是改变其运行模式 (利用低谷电运行制备热水 (即所谓的电蓄热) 正常使用时供出) 仍可取得意想不到的经济效果。经过对初投资、运行费用以及设计施工复杂程度等多方面的技术经济比较, 最后决定以外网蒸汽作为地热热源及热水系统的辅助热源, 采用常压电热水锅炉为热水系统的主要热源, 采用经济运行模式运行的设计方案。

2 系统设计与分析

系统设计主要设备表见表1。

系统工艺流程与原理见图1。

首先, 作为主热源的常压电热水锅炉其容量必须满足低谷电时段 (大连为:22:00~5:00, 7 h) 内制备全天 (24 h) 所需的热水, 因此, 其容量计算如下:

其中, Wd为最大日耗热量, kcal/d;m为用水单位数 (人或床位等) ;qr为热水用水定额, L/ (人·d) 或L/ (床·d) ;c为水的比热, 1 kcal/ (L·℃) ;tl为冷水计算温度, ℃;tr为热水计算温度, ℃;Wg为锅炉的容量, kcal/h;T低为低谷电时段 (大连为:22:00~5:00, 7 h) 。

通常按最大小时耗热量选锅炉, 则其容量选择计算如下:

其中, Kh为热水小时变化系数, 通常Kh≥4;其余同上。

由于24/Kh≤6, 所以W'g>Wg。由此可见, 按低谷时段选锅炉, 一般情况下小于按最大时耗热量选锅炉的容量。

其次, 贮热水箱作为电蓄热热水系统的重要组成部分, 对系统运行的经济性有着重要影响。既要保证蓄热保温效果好, 又要保证水质安全, 同时维护管理方便, 经过多方面比较和严格筛选, 采用不锈钢装配式水箱, 采用50 mm厚欧文斯克宁保温膏外包铝薄和保护层的保温结构。由于保温材料无接缝, 且与箱体之间无安装缝隙, 再加上材料自身良好的保温隔热性能, 经过3年多的运行实践证明, 保温效果十分理想。经测定24 h箱内水温降不大于2℃。

当然, 若箱内贮水长时间不用或得不到热量补充, 将无法保证设计供水温度。为此, 增设一套以蒸汽为热源的板式换热器辅助加热循环系统, 当箱内 (距箱底400 mm) 处水温降到58℃, 由小循环泵从水箱吸水经辅助加热循环系统加热后返回热水箱, 若水箱内水温未降到58℃, 则二次循环系统主要用于热水回水系统的循环加热, 热水箱贮存容量按全天24 h (不扣除低谷段内用水量) , 总热水量以60℃计算。二次循环加热系统按满箱水一日 (24 h) 循环两次计算, 再按加上热水系统回水量循环加热次数不小于一次进行校核, 从而以少量的蒸汽损耗来补充蓄热水箱及热水系统的热量损失。其蒸汽损耗量为:

其中, Gm为蒸汽耗量, kg/d;Wd为最大日耗热量, kcal/d;im为蒸汽的热焓, k J/kg, 0.6 Pma 2 757 k J/kg;in为蒸汽凝结水的热焓, k J/kg, 0.6 Pma 667 k J/kg;其中10%Wd为热水系统的热损失, kcal/d。

第三, 热水供水系统采用开式循环系统。微机变频水泵组从蓄热水箱吸水, 供给热水管网系统, 同时循环回水管末端设置电动调节阀, 调节阀根据系统用水情况, 依回水管末端水压力来自动调节控制循环水量。当系统无用水时调节阀全开, 通过调节阀的循环回水量约为设计最大小时用水量的30%;当系统用水达到设计秒流量时, 调节阀关闭, 无循环回水。循环水经过调节阀后, 泄流进回水箱, 再由二次循环加热系统加热后回到蓄热水箱。回水箱的有效容积按30 min最大回水量确定。供水泵组的选择按设计秒流量确定。

3 经济效果分析

要分析运行经济效果, 首先必须了解不同时段的电费价格。大连的电价如表2所示。

按常识, 东北地区热水的使用时间基本上都分布于5:00~22:00之间, 但保守地假设低谷电价时段用水量占全天用水量的20%, 其余用水量按时间均匀分配, 则高峰电价时段用水量占全天用水量的比例为:8/17× (1-20%) =37.65%;平价电时段用水量比例为9/17× (1-20%) =42.35%;而锅炉的功率N=120×10-4Wg。

其中, N为锅炉电功率, k W;Wg为锅炉的容量, kcal/h。

于是, 若锅炉按全天常态24 h运行 (相当于满负荷运行T低小时) , 其每天制备热水消耗电的平均电价为:

若采用低谷电蓄热的经济运行模式, 则其每天制备热水耗电的电价为:

同时用于补充热损耗的辅助热源蒸汽费用为:

于是, 每天运行费用的比值为:

可见, 其经济效果十分明显, 而实际运行结果经用户证实节电超过30%, 值得大力推广。

摘要：以具体工程为例, 对某宾馆热水供应系统设计中热源的选择作了简要介绍, 同时对工程选用的电蓄热生活热水供应系统的设计进行了详细分析, 论述了该系统的工艺流程及原理, 并指出采用该系统取得了显著的经济效益。

关键词：电蓄热,热源,系统,运行

太阳能热电厂蓄热系统控制方案 篇2

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。目前绝大数能源都以石油、天然气和煤炭等化石燃料为主, 而化石能源是有限的。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性和利用的清洁性等优势成为了最理想的替代能源之一。

我国有着丰富的太阳能资源。全国陆地表面每年接收的太阳能辐射能量相当于49000亿吨标煤。如果将这些能量全部用于发电, 约等于上万个三峡水电站的发电总和。[1]近年来, 太阳能热利用得到高度重视。

由于受到各种自然因素的影响, 到达地面的太阳辐射不稳定, 这给太阳能的使用增加了难度。为了提高发电效率、减少发电成本、提高太阳能热电系统的稳定性和连续性, 则需要对太阳能热发电系统增加蓄热装置, 以使系统在没有太阳辐射能量的时候能继续满足发电需要。蓄热系统已成为衡量热发电系统效率的重要因素, 但目前的大型热发电系统中, 只有很少的系统增加了蓄热装置, 蓄热技术也需要继续的研究和完善。[2]

2 系统简介

由于受到天气、季节等自然条件的影响, 太阳能热发电存在较大的不稳定性。为了保证太阳能热发电站发电相对稳定, 可以采取蓄热措施, 将太阳光照充足时蓄热器所吸收的满足发电所需之外的热量储存于蓄热器当中;在太阳光照不足, 即集热器吸收的热量无法满足发电需求时, 将蓄热器里储存的热量用于发电, 以此来保证云遮间隙系统的正常运行。

3 控制方案

高温蓄热技术是太阳能热发电的关键技术。按照热能存储方式不同太阳能高温蓄热技术可分为潜热蓄热化学反应蓄热和显热蓄热三种方式。其中潜热蓄热主要是通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存具有蓄热密度大充放热过程温度波动范围小等优点[3]。潜热蓄热也是本方案在分析蓄热系统时所采用的蓄热方式。

按太阳能直射强度大小区分, 该系统可以以4种工作模式运行。

(1) 集热器向换热器供热, 蓄热器蓄热模式 (阀门A、B、C开启) 。

(2) 集热器与蓄热器同时供热模式 (阀门A、B、C开启) 。

(3) 蓄热器单独蓄热模式 (阀门A关闭、阀门B、C开启) 。

(4) 集热器停止供热, 蓄热器停止蓄热模式 (阀门A、B、C关闭) 。

为了对太阳直射强度进行比较, 可定义太阳能直射强度临界值mG

其中:4Q为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量, KJ

C为导热油比热容, J/kg·℃;

T5为换热器进口油温, ℃;

T6为换热器出口油温, ℃;

W为集热器总面积, m2;

G为太阳直射强度, W/m2;

θ为太阳入射角, 度, 根据1.4小节的分析可以计算出某时刻的太阳入射角;

fθ为太阳入射角修正系数, 度, 一般可取0.95;

fs为早晚时集热管列阴影相互影响因子, 一般可取0.92;

fe为集热管末端损失影响因子, 一般可取0.91;

ηf为由于反射镜面光学特性等与理想镜面差异相关的集热岛效率, 一般可取0.98;

ηe为由于集热部分光学特性等与理想情况差异相关的集热器效率, 一般可取0.94;

fo为集热岛运行与太阳跟踪影响因子, 一般可取0.99[3]。

3.1 上午太阳光照较弱条件下

当上午 (6:00~12:00) 太阳光较弱, 即太阳直射强度G小于太阳直射强度临界值mG (G

qm2=qm3流向为集热器流入蓄热器。kg/s

其中, qm3为集热器出口流量, 即为阀门C流量, kg/s。

3.2 上午太阳光照充足条件下

当上午 (6:00~12:00) 太阳光照充足, 即太阳直射强度G大于太阳直射强度临界值Gm (G>Gm) , 这时集热器吸收太阳辐射后与换热流体交换热量3Q已经能满足换热器中油水换热所需要的热量Q4 (Q3>Q4) 。换热流体从集热器获得的热量将被分成两部分, 一部分用于满足换热器的换热需求, 另一部分流向蓄热器, 储存于蓄热器当中。

阀门A流量:

流向为集热器流向换热器。kg/s

其中:

Q4为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量, kJ;

C为换热流体比热容, kJ/kg⋅K;

THTF为换热流体温度, ℃;

T6为换热器出口油温, ℃;

阀门B流量:

qm2=qm3-qm1流向为集热器流向蓄热器, kg/s

qm3为集热器出口流量, 即为阀门C流量, kg/s。

注:出于简化计算的考虑, 我们假设换热流体在管道中流通时没有热量损失。

3.3 下午太阳光充足条件下

当下午太阳光辐射够强, 即G大于太阳直射强度临界值 (G>Gm) 时, 同上一小节所分析, 集热器接受太阳辐射收集到的热量分为两部分, 一部分用于满足换热器油水换热所需的热量4Q, 剩余的热量流入蓄热器贮存。

阀门A流量

流量为集热器流向蓄热器, kg/s

阀门B流量:

qm2=qm3-qm1流向为集热器流向蓄热器, kg/s

3.4 下午太阳光较弱条件下

当下午太阳辐射较弱, 即G小于太阳直射强度临界值 (G

若Qsto>Q4-Q3, 则蓄热器向换热器提供热量, 即蓄热器处于“放热”状态。

其中:

Qsto为蓄热器所贮存的热量;

Q4为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量, kJ;

Q3为集热管与换热流体对流换热量, kJ。

阀门B流量:

流向为蓄热器流向换热器, kg/s

其中:

Tsto为蓄热器储热罐中的温度, ℃

T6为换热器出口油温, ℃

阀门A流量qm1:

qm1=qm2+qm3流向为蓄热器流向换热器, kg/s

若Qsto

阀门B流量qm2=qm3, 流向为集热器流向蓄热器, kg/s

阀门A流量qm1=0。

3.5 晚上无光照条件下

当晚上太阳下山之后, 此时G=0。由Q0=WGcos (θ) fθfsfeηfηefo可知Q0=0。此时, 集热器无法对换热器充热, 也无法向换热器提供热量。考虑到蓄热器容量是有限的等实际情况, 让蓄热器在晚上对换热器供热是不切实际的, 故在晚上关闭阀门A、阀门B、阀门C。

4 应用前景与问题讨论

中国作为资源消耗大国在寻求替代能源之路上必然要在该领域走在世界前列。在可以预见的未来必将建设更多的太阳能热发电站。倘若没有采取较好的蓄热措施与控制策略, 由于太阳能发电的不稳定性将可能带来严重的后果。为了保证太阳能发电的稳定性与经济性, 除了提高集热效率, 改进蓄热技术之外, 还可以在控制策略上寻求进步。“热流计算器”还可以考虑在软件中加入智能算法, 根据大规模的天气数据预测集热——蓄热系统中的流量变化。

除了太阳能热发电领域, 该软件也可以应用于家庭热水器的蓄热控制。根据天气情况合理的分配能源, 避免不必要的浪费, 真正做到节能减排。

摘要：太阳能是一种清洁、可再生的能源, 是今后化学能源的主要替代能源之一。太阳能热发电是主要的太阳能利用方式。由于天气、昼夜等不稳定因素, 现阶段太阳能热发电存在发电与用电不同步、发电不稳定等问题。在太阳能电站中加入蓄热系统, 用以减少甚至消除太阳辐射强度的波动对太阳能利用的稳定性的影响。从控制策略上做到对能源的合理利用, 真正做到节能减排。

关键词：太阳能,热流计算器,节能减排

参考文献

[1]阎秦.太阳能辅助燃煤发电系统热力特性研究.

[2]杨小平, 杨晓西, 丁静, 等.太阳能高温热发电蓄热技术进展研究.

蓄热系统 篇3

1 塔式光热发电系统与数学模型建立

塔式光热电站发电系统由4个子系统组成:聚光集热子系统、蓄热子系统、热动力发电子系统和辅助能源子系统, 如图1所示。

在图1中, 定日镜的跟踪系统保证定日镜最佳吸光效率, 从而保证聚光子系统将不稳定的太阳能最大限度转化为热能;聚集的光被吸热器吸收, 吸热器加热吸热工质进行做功, 且多余的热量被储存于蓄热系统中, 用于保证整个系统的稳定运行;被加热的蒸汽参数达到汽轮机做功所需压力与温度, 主蒸汽驱动汽轮机做功;而汽轮机做功乏汽则通过蒸汽凝结系统凝结成水, 再通过主泵送到吸热器中进行加热。

1.1 定日镜场光学效率计算数学模型

考虑到定日镜的反射率与定日镜的面积、定日镜上子镜的个数和子镜之间的位置布置方式有关[5], 以及定日镜的清洁度、定日镜之间由于几何布置所造成的阴影和遮挡等光学损失、反射光线传输中由于空气透射所造成的能量损失以及非平行光线投射不到吸热器上面的损失, 可得定日镜的场效率ηh为[6]

式中, ρref为定日镜的反射率, 一般在98%以上;ηclc为定日镜的清洁度;ηcos为余弦因子;ηbs为阴影遮挡因子;ηe为空气透射因子;ηtr为定日镜的跟踪精度因子;ηava为定日镜的可用率。

其中, 某一时刻的定日镜余弦因子ηcos可以通过式 (2) 计算[7]:

式中, h为太阳高度角, °;λ为镜面反射光线与竖直方向的夹角, °;γs为太阳方位角, °;γh为定日镜镜面法线方位角, °;其值与太阳方位角、吸热塔方位角和太阳高度角有关。

空气透射因子取决于天气情况以及定日镜与吸热器之间的距离l, 在能见度为40 km的晴天模式下, 镜场某一位置的空气透射因子ηe可用式 (3) 表示为[8]

式中, l为该镜场位置到吸热器的距离, m。

1.2 吸热器效率计算数学模型

目前, 国内塔式光热发电站采用的是过热型腔式吸热器, 如图2所示, 其吸热管位于腔体内部, 热损失主要是吸热器表面反射的能量热损失、吸热管处于高温下产生的辐射热损失以及受到风速和支架导热等影响存在的对流热损失和导热损失, 且损失度与腔体几何结构、腔体开口比和腔体开口的倾角等方面有关。

考虑到各种热损失和腔体结构等因素, 可得出其光热转换效率ηr为[9]

式中, Pt为反射到吸热器上的总辐射能, k J;Pap为吸热器采光口截获的能量, k J;Prej为吸热器反射的能量, k J;Pabs为吸热器表面接收的能量, k J;Prad为吸热管的辐射热损失, k J;Pnc为自然对流热损失, k J;ρn (θ) 为吸热器的平均反射率;αeff为吸热管的有效吸收率;εeff为吸热管的有效发射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;R为吸热器采光口半径, m;θ为吸热器的接收角 (入射光线与吸热器轴线之间的最大角) , °H为吸热器的高度, m;Ar为在自然对流中的吸热管面积, m2;T为吸热管的平均工作温度, K;Ta为吸热器周围的环境温度, K。

fap (R) 为在吸热器所吸收的全部能量Pt中被采光口截获的能量所占的份额, 满足玻尔兹曼分布, 其表达式为

式中, a、b、u、w分别为与吸热器上实际拦截量分布曲线做最佳拟合确定的常数。极限情况下, 当R→∞、fap (∞) =1时, a=1;当R=0、fap (0) =0时, w=-ln (b-1) 。

frej (θ) 为在吸热器所吸收的全部能量Pt中被吸热器反射的能量所占的份额, 同样满足玻尔兹曼分布, 其表达式为

式中, c、d、x、y为与吸热器上实际反射量分布曲线做最佳拟合确定的常数。

n (θ) 为吸热器的平均反射量, 它是关于θ的一个三次多项式, 其表达式为

式中, a0、a1、a2、a3为与实际“接收角-反射量”曲线做最佳拟合确定的常数。

1.3 热动力发电效率计算数学模型

1) 朗肯循环效率。系统的朗肯循环效率由动力部分的热力参数所决定, 其理想循环热效率ηRan为

式中:wa为以热量计的理想朗肯循环功, k J/kg;q为以热量计的理想朗肯循环的吸热量, k J/kg;珔T0为朗肯循环中吸热过程的平均温度, K;Tc为放热过程的温度, 其值由排气压力单值确定, K。

2) 汽轮发电机组效率。目前, 太阳能所转换而得的热能还处于小型化、中压等级阶段, 尚未达到大型机组所需要的大流量、高品质蒸汽阶段, 而一般小容量同步发电机效率ηgen为82%~92%, 其相对电效率ηr, el为30%~33%[10]。

1.4 蓄热容量计算

为保证电站在满负荷情况下稳定运行, 蓄热系统的调节至关重要。单位时间内动力系统满足额定容量稳定运行所需的能量P0为

式中, Pe为电站额定容量, MW。

而在没有蓄热调节且不计管道热损情况下, 单位时间内能够到达汽轮机入口处的总能量Pi为

蓄热系统中存储的能量Ps为

式中:Pi≥P0, IDNI为太阳法向直射辐照强度, 其数据可从“中国气象科学数据共享服务网”中查询;N为蓄热过程所用的时间, h;ηs为蓄热系统的热效率, 一般为98%~99%。

2 仿真结果与分析

假定电站容量为1.0 MW, 吸热器中蒸汽流量为5770 kg/h, 采光口尺寸为5 m×5 m, 汽轮机型号为N1.5-2.8/400, 定日镜场面积为10 000 m2, 太阳辐照度参考标准值1000 W/m2。取北京地区40纬度2010年6月22日、6月25日、7月1日、7月5日、7月11日的太阳直射辐射强度IDNI (以下简称DNI) , 再根据北京地区40纬度八达岭塔式光热发电站的太阳位置数据和镜场几何布置参数, 用MATLAB对整个光热电站系统模型进行仿真研究。

2.1 蓄热系统对发电量的影响

除去推动汽轮机满负荷正常运行所需要的能量, 蓄热系统能够把多余的能量存储起来备用, 当太阳下山或夜晚时, 备用蒸汽进入过热器被重新加热形成过热蒸汽继续推动汽轮机做功, 进而延长发电时间。蓄热系统对发电量的影响如图3所示。

在无蓄热系统的发电系统图3a中, 当DNI大于400 W/m2时, 过热蒸汽参数达到汽轮机额定参数要求, 汽轮机组按额定发电量1.0 MW开始连续发电。7 h之后, DNI低于400 W/m2时, 汽轮机组停止发电, 因为此时产生的蒸汽压力已不足以支撑系统继续发电, 且浪费了多余的热量。

在有蓄热系统的塔式光热发电系统图3b中, 当DNI≤200 W/m2时, 蒸汽对整个系统进行预热, 直到DNI升为200 W/m2左右时蓄热系统开始工作, 当蓄热量达到3 MW·h左右时, 汽轮机组开始发电。在蓄热系统的调节下, 当DNI降为200 W/m2左右时, 系统仍能发电且存储的剩余能量可以保证电站在没有太阳能输入时满负荷发电1 h。

2.2 蓄热系统对负荷分配的影响

塔式光热电站晚上无法正常工作, 但利用蓄热技术, 可根据电网与负荷要求按照指定的时间发电, 增强电站的调节负荷能力。相同DNI输入下, 不同时段时蓄热系统的调节负荷特性如图4所示。

由图4a、b可知, 蓄热系统中存储的能量分别在指定的18:20~19:20和20:00~21:00时段内释放来承载负荷, 两者的总发电量相同。由于电网的负荷需求具有一定的波动性, 根据电网负荷需要, 蓄热系统中存储能量可用于电网需要时的任意时段自动投入使用, 从而减小了电网负荷波动, 增加了调节负荷的灵活性与稳定性。

2.3 蓄热系统在气象变化时的调节作用

太阳能具有明显的不稳定性, 在阴天无法正常工作, 即使在阳光充足的白天, 只要有大片云层飘过, 太阳光就会大打折扣, 吸热器的工作温度在1 min内可从800℃下降到500℃左右。DNI发生较大波动时, 蓄热系统能够调节汽轮机入口的蒸汽参数, 从而保证输出电能的稳定性。在考虑有蓄热系统时, 通过输入四种气象数据进行模拟仿真, 得出的蓄热系统对输出特性的影响如图5所示。

在图5a中, 对于晴转阴的天气, 在13:00之后的20 min内, DNI从880 W/m2下降到400 W/m2左右。由于蓄热系统的调节与存储热量的释放, 发电量未出现较大波动, 且电站仍能持续发电约40 min。

在图5b中, 天气由12:30之前的阴天转为晴天, DNI在30 min内从240 W/m2上升到800 W/m2左右。在蓄热系统的调节下, DNI的骤然升高并没有导致电站系统的发电量出现较大波动, 且持续保证系统发电量为1 MW, 延长电站继续运行约20 min。

对于多云天气图5c, 从上午10:00至下午14:00不稳定的云层致使DNI在440~830 W/m2之间无规律波动。蓄热系统蓄热规律按DNI变化而变化, 但变化幅度较小, 稳定了系统主蒸汽参数, 保证了系统在天气情况无规律变化下的稳定运行。

与图5c相比, 图5d中的云层较厚且分布密集。DNI在11:40~13:40之间出现了一个严重的低谷, 以致无法支撑电站满负荷正常运行。为保证整个系统连续发电, 在蓄热系统的调节下, 汽轮机组在11:40以后负荷减半运行。蓄热系统中存储的能量维持机组负荷减半运行约2.2 h后, 恢复正常满负荷状态, 这样不仅使系统安全渡过了危险期, 而且还克服了DNI急剧变化给发电量带来波动和造成的威胁。

3 结论

1) 本文对塔式光热电站各个子系统分析和建模, 通过MATLAB对数学模型进行模拟, 研究了塔式光热发电系统的输入-输出特性, 并且分析了不同气象参数与运行模式对电站系统特性的影响, 发现蓄热系统对电站输出特性的影响至关重要。

2) 通过对比有/无蓄热系统时电站的发电时间可以发现, 蓄热系统可以延长塔式光热发电系统安全运行约1 h。

3) 由于电网的负荷需求具有一定的波动性, 根据电网负荷需要, 蓄热系统中存储能量可用于电网需要时的任意时段自动投入使用, 从而减小了电网负荷波动, 增加了调节负荷的灵活性与稳定性。

4) 气象现象是随机的, 当DNI发生波动时, 蓄热系统有效地保证了塔式光热发电系统安全运行。

摘要：针对塔式太阳能光热发电中太阳能输入不可控的问题, 建立了整个光热发电系统的数学模型, 阐述了蓄热系统在整个热发电系统中调节作用的关键性, 分析了4种气象条件下蓄热系统的调节对塔式光热电站系统输出特性的影响规律, 并用MATLAB对所建数学模型进行模拟仿真, 结果表明:蓄热系统能够充分利用光热资源, 延长发电时间, 调节负荷分配, 保证输出功率的稳定性。

关键词：蓄热系统,塔式光热发电,数学建模,仿真,输出特性

参考文献

[1]ADRIEN SALOM, FABIEN CHHELC, etc.Control of the flux distribution on a solar tower receiver using an optimized aiming point strategy:Application to THEMIS solar tower[J].Solar Energy, 2013, 94:352 366.

[2]马逊, 王平.塔式太阳能热发电中定日镜无光线位置传感器跟踪控制及误差消除[J].太阳能学报, 2012, 33 (5) :816-820.MA Xun, WANG Ping.Light-beam sensorless control of heliostats for tower type solar thermal power generation applications[J].Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33 (5) :816-820.

[3]QIANG YU, ZHIFENG WANG, ERSHU XU.Simulation and analysis of the central cavity receiver's performance of solar thermal power tower plant[J].Solar Energy, 2012, 86:164-174.

[4]ERSHU XU, ZHIFENG WANG, GAO WEI, et al.Dynamic simulation of thermal energy storage system of Badaling 1-MW solar power tower plant[J].Renewable Energy, 2012, 39:455-462.

[5]许文斌, 卢振武.塔式太阳能定日镜子镜面形精度和聚光性能评价的新方法[J].仪器仪表学报, 2011, 32 (6) :13441349.XU Wenbin, LU Zhenwu.Surface precision test and optical performance evaluation of heliostats in solar tower power system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2011, 32 (6) :13441349.

[6]PETER SCHWARZBOZL, REINER BUCK, CHEMI SUGARMEN, et al.Solar gas turbine system:Design, cost and perspectives[J].Solar Energy, 2006, 80:1231-1240.

[7]X.D.WEI, Z.W.LU, Z.LIN.Optimization procedure for design of heliostat field layout of a 1-MW solar tower thermal power plant[C].SPIE, 2007, 6841:684119.

[8]M.SCHMITZ, P.SCHWARZBO, R.BUCK, et al.Assessment of the potential improvement due to multiple apertures in central receiver systems with secondary concentrators[J].Solar Energy, 2006, 80 (1) :111-120.

[9]A.SEGAL, M.EPSTEIN.Comparative performances of‘towertop’and‘tower-reflector’central solar receivers[J].Solar Energy, 1999, 65 (4) :207-226.

蓄热系统 篇4

冷热电联供(CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上,将供热(采暖和供热水)、制冷及发电过程有机结合在一起的总能系统。该系统作为一种可同时解决能源高效利用、减少污染物排放、提高能源系统经济性的多目标解决方案,近年来在国内外得到了迅速的发展,有着巨大的发展空间[1,2]。冷热电联供系统虽然回收了发电系统中发电以后被丢弃的排热、废热或余热,利用低品位能源以提高综合能效,但是联供系统跟传统的大型发电厂相比系统的发电效率低,且吸收式制冷机的性能系数不如压缩式制冷机的高,因此,如果系统设备耦合状况不好或者运行方案调控不当,冷热电联供系统的节能效益就不能完全发挥,联供系统与分产系统相比就有可能不节能。蓄能装置能有效缓解冷热电联供系统中的供需矛盾,使动力子系统能保持在稳定工况下运行,蒸汽蓄热器作为蓄热装置在生产领域得到广泛应用,但在冷热电联供系统中很少使用,相关研究也不多。一个系统建成后能不能节能,直接关系到它的经济性,关系到系统的推广和利用。本文分别对有、无蒸汽蓄热器的联供系统进行了研究,并进行了节能性分析。国内外已有学者进行相关研究:文献[3]研究了蓄热装置对热电联供系统各设备的影响,蓄热装置的应用延长了联供系统的运行时间,并使系统单元稳定运行;文献[4]阐述冷热电三联供在重庆两江新区水土园区中的应用方案;文献[5,6,7]使用节能率指标对联供系统进行评价和分析;文献[8,9,10,11]分别建立了相关模型对联供系统进行最优规划和节能性分析。

1系统运行特性分析

在冷热电联供系统中,一般采用“以冷(热)定电”的运行策略,常用的做法是联供系统供应用户的全部冷、热负荷和部分电负荷,不足的电力从电网购入,当冷、热负荷发生变化时,需要控制调节燃气轮机的运行工况,以调整余热锅炉运行供应吸收式冷水机组所需的蒸汽量。对于不带蓄能装置的冷热电联供系统,这种控制较复杂。若采用蒸汽蓄热器作为蓄能装置,取一定的蓄能释能周期,则燃气轮机和余热锅炉可在该周期内稳定运行,只要分段调控供能子系统的运行工况即可。

1.1系统设计日运行特性分析

1.1.1燃气轮机设计日运行特性分析

图1所示为无蓄能装置的联供系统及蒸汽蓄热型联供系统的燃气轮机设计日运行情况。由图1可看出无蓄能系统的燃气轮机运行工况逐时变化且变化幅值较大,由于采用离心式冷水机组辅助制冷,燃气轮机有少部分时间能够稳定运行在设计工况,但在冷负荷率较低的凌晨时段系统停止运行;蓄能系统的燃气轮机全天运行在设计工况,系统的发电量基本都能满足用户一天的电负荷。因此,单从设计日来看,采用蒸汽蓄热器后,联供系统明显得到改善。

1.1.2吸收式冷水机组设计日运行特性分析

图2所示两种冷热电联供系统的吸收式冷水机组进口蒸汽流量变化情况,图3所示为吸收式冷水机组逐时运行能效比COP。无蓄能系统在冷负荷率较低的凌晨时段停止运行,需采用离心式冷水机组制冷,在冷负荷很高的下午和晚上时段也需要开启离心式冷水机组辅助吸收式冷水机组制冷;而蓄能系统全天均由吸收式冷水机组供应所需冷量。

1.1.3蒸汽蓄热器设计日运行特性分析

图4所示为蓄能系统的蒸汽蓄热器设计日逐时压力和水量变化情况。凌晨时由于冷负荷较低,余热锅炉产生的多余蒸汽充入蒸汽蓄热器中蓄存,容器内压力和水量逐渐上升;到10时冷负荷较高,余热锅炉所产生的蒸汽量无法满足吸收式冷水机组制冷所需,蒸汽蓄热器开始释能,容器内压力和水量逐渐降低,直到晚上10时冷负荷很低时再次开始蓄能。

1.2系统空调季运行特性分析

各曲线的纵坐标最大值与最小值之差,即为相应冷热电联供系统的燃气轮机总运行时长。显然,在整个空调季,无蓄能系统有一半左右的时间停止运行,主要受负荷波动频繁和波动范围大的影响[12]。对于蓄能系统,由于蒸汽蓄热器的蓄能和释能作用,波动冷负荷对供能子系统的直接影响减弱了,燃气轮机的运行时长大大增加。但两类系统的燃气轮机运行在发电功率相对值为0.6~1范围内的时长差不多,蓄能系统的总运行时长虽然增加,但增加的主要是低负荷率运行时段。这主要受建筑冷负荷波动的无周期和幅度大的特性影响,因此燃气轮机仍需要时常地调整工况运行,从这个方面来看,以一天为蓄能周期设计的蒸汽蓄热型冷热电联供系统难以体现优于无蓄能系统的性能。

2节能效果比较

冷热电联供系统性能的评价涉及到系统的热力学性能、经济性、技术可靠性和安全性等方面。体现CCHP能效性的指标有:一次能源利用率、效率、能量利用系数、折合发电率、节能率、节能系数、经济效率、总效率和发电效率。

本文通过计算相对节能率ηj来分析冷热电联供系统的节能效果:ηj=(Fs-Fc)/Fs(1)

式中,Fc为冷热电联供系统的总燃料耗量,Fs为在相同负荷需求的情况下分产系统的总燃料耗量。这一指标以相同的能源产出为基准,将常规的分产系统作为参照系统,通过考查联供系统与分产系统在输入能源数量上的差异,来评价联供系统热力学性能的优劣。

2.1蓄能周期对节能效果的影响

对于蒸汽蓄热型冷热电联供系统,蒸汽蓄热器运行周期的选择不仅决定着燃气轮机、余热锅炉和蓄热器等设备本身的设计容量,还影响着系统的运行性能。采用不同的蓄能周期进行蒸汽蓄热型冷热电联供系统的设计和运行计算,得到相对节能率的变化,如图6所示。

随着设计和运行蓄能周期的增大,蒸汽蓄热型冷热电联供系统的相对节能率也相对升高。蓄能周期的增大不仅使燃气轮机和余热锅炉减小了装机容量,还能使系统更长时间保持在稳定工况运行,不需要频繁地进行调节,且运行效率得到了提高。尽管负荷的变化要求吸收式冷水机组逐时调节制冷量,但机组制冷所需的蒸汽量能通过蒸汽蓄热器蓄能和释能工作过程实现调节。

因此,蒸汽蓄热器的设计运行周期越长,越能体现蓄能系统相对于无蓄能系统的节能优势。当以5天作为蓄热器蓄能周期对蒸汽蓄热型冷热电联供系统进行设计和调控运行时,系统的相对节能率可提高到3.3%。

2.2离心式冷水机组对节能效果的影响

对于传统的分产系统,空调季均采用电制冷,由于冷负荷逐时发生变化,制冷机组经常偏离设计工况运行,因此机组性能也发生变化。本文中的电制冷机组均采用离心式冷水机组,额定COP为5.8~6.1。从产品选型手册中得到不同冷却水进口温度的机组部分负荷特性曲线,如图7(a)所示。取冷却水进口温度为32℃,根据特性曲线拟合得到机组部分负荷运行时COP与制冷量的无因次关系式:

式中,COPele、Qele分别为离心式冷水机组的能效比和制冷量,上标“—”表示以设计值为参考的折合参数。该无因次曲线如图7(b)所示。

离心式冷水机组部分负荷特性曲线显示,随着机组制冷量的减小,机组的能效比先有微小幅度的提高,随后不断降低。图8所示为采用不同额定COP的离心式冷水机组辅助制冷时无蓄能系统和蓄能系统的相对节能率变化。

当离心式冷水机组的部分负荷特性不变时,其额定COP越高,冷热电联供系统的相对节能率越低,甚至会出现能耗高于分产系统的情况。电制冷机组是决定分产系统性能的关键因素,同时在无蓄能系统和蓄能系统中都需要离心式冷水机组辅助制冷,其能效比越高,冷热电联供系统必须要实现更高的系统运行效率才能优于分产系统。

3结论

蒸汽蓄热型冷热电联供系统在设计日的运行效果明显优于无蓄能系统,但蓄能系统整个空调季的节能效果受蓄热器蓄能周期和离心式冷水机组COP的影响:蓄能周期越长,越能体现蓄能系统的节能优势;而随着离心式冷水机组COP的提高,蒸汽蓄热型冷热电联供系统会更难实现相对分产系统节能。

总的说来,蒸汽蓄热器的投入使用不仅可以使冷热电联供系统动力设备装机容量大大减小,而且只要取适当的蓄能周期进行设计和运行,系统各设备的运行性能会有所提高,就可以带来一定的节能效益。

摘要：采用数值模拟的方法,对有、无蒸汽蓄热器的冷热电联供系统在设计日和空调季的运行特性进行研究,并以传统分产系统为基准,得到了二者的节能率。结果表明:蒸汽蓄热型冷热电联供系统在设计日的运行效果明显优于无蓄能系统,但在整个空调季运行的节能效果受蓄能周期和离心式冷水机组能效比的影响,蓄热器的蓄能周期越长,系统节能性越好;离心式冷水机组COP越高,蒸汽蓄热型冷热电联供系统相对节能率越低。本文研究对蒸汽蓄热型冷热电联供系统的设计具有指导意义。

蓄热系统 篇5

太阳能光热系统

太阳能是无公害的清洁能源。太阳能利用技术主要是指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术, 其中的太阳能光热转换是历史最为久远、开发最为普遍的技术。在能源和环境日益严峻的今天, 太阳能作为一种可再生能源, 被认为是以后人类可期待、最有希望的能源, 并得到越来越广泛的重视。《中华人民共和国可再生能源法》中明确指出:“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统…”。

我国地域辽阔, 年日照时间大于2000小时的地区约占全国面积的2/3, 处于利用太阳能较有利的区域内。太阳能作为清洁和用之不竭的可再生能源, 有其独特的优点。现在我国的太阳能光热转换系统主要用来供应生活热水, 利用的量比较小, 因此希望把太阳能热利用的范围扩展到建筑的供热和空调中去。

但是, 太阳能也有不连续、不稳定和不平衡的问题, 因此需要解决蓄热的问题, 即把当时用不完的太阳能储存起来供需要的时候再用。传统的太阳能供应生活热水系统需要解决以天为周期的蓄热问题;如果要把太阳能光热转换系统用于建筑的供热, 则需要解决季节性蓄热的问题, 即把非供热季节的太阳能储存起来供冬季供热之用。由于需要蓄热的量十分巨大, 这就形成了一个技术上的挑战。地源热泵系统的地埋管换热器可以达到的体积和蓄热量足以满足一幢大楼甚至是小区的供热需求, 热泵系统本身就是太阳能供热空调系统可靠的辅助或后备冷热源。因此, 与地源热泵结合组成复合系统是实现太阳能供热的最佳选择。

季节性蓄热技术

所谓季节性蓄热系统就是夏季或过渡季节把多余的太阳能蓄存在蓄热装置内以备冬季采暖需求的一种系统。由于要求的蓄热量大, 季节性蓄热系统实现方式主要有三种:一、以水为介质用蓄热罐储热;二、利用地下水在含水层 (滞水层) 里储热;三、利用地埋管换热器在浅层岩土里进行储热。

用蓄热罐储热需要考虑蓄热罐容积、结构、埋设深度, 以及地下地质结构等一系列的因素, 初投资很大。目前国外这种蓄热罐的形式概括起来有三种:1) 在地面上开挖大坑蓄热, 蓄热罐需设防渗和隔热装置, 初投资很高, 而且这种方式在系统开始运行时其热损失较大;2) 利用已有的洞穴进行储热, 洞穴通常用水填充但也有用岩石的, 热交换器则放在水中或岩石层的沙粒中。这种方式节省了挖掘费用, 但是也存在水的渗漏和热量损失等问题。这种混凝土的洞穴顶部需要绝热, 而且绝热的部分要顺着壁面下到一定的深度。洞穴的防水通常采取的方法是安装橡胶衬垫, 如果衬垫是高级聚合体材料或是金属材料那么蓄存温度最高可达95℃。图1是一个洞穴储热的图示;3) 用地上储水箱蓄热, 这种方式是把水箱作为热量缓冲存储器, 要求储热水箱有较好的温度分层和较高的热利用率。图2是三种结构不同的储热水箱, 其中左边的是带有一个内部换热器的顶部加热的热水水箱, 它可以获得40%的蓄存热量。中间的设计稍微好点, 水箱内有两个换热器, 可以获得70%的蓄存热量。右边的水箱是一个带有外部换热器的水箱, 这种水箱内会有较好的温度分层, 因此它可以获得80%的蓄存热量。

对于利用水井抽灌地下水在含水层里储热的方式来说影响系统的参数有很多, 比如土壤的致密程度, 含水层内水压大小, 蓄水池周围地下水的流动速度等等。其中需要考虑的最大的问题就是要有适当的滞水层, 既要有较丰富的地下水, 又不希望地下水流动;同时抽取的地下水能否顺利地回灌也是一个关键的因素。它包括两种方式:循环式和连续式 (如图3所示) 。循环式系统在每口井或每组井周围会形成一个蓄热或蓄冷水池。其温度高于或低于土壤平均温度, 系统换热温差大, 换热效率高。但是因为每口井要既能吸收地下水, 又能排放地下水, 实现方向相反的两个循环, 因此循环式的系统地下水井的设计和控制都很复杂。连续式系统, 其系统设计和控制都很简单, 由于在夏季和冬季两种工况下系统的循环方向一致因此连续式系统中仅一口井或一组井需要设置泵。当然这也使得系统换热温差较循环式的小, 换热效率相对较低。目前这项技术在荷兰、瑞典、德国、比利时等很多欧洲国家均有示范工程。

把热量蓄存在地下岩土中的方式利用了现在发展较为成熟的地源热泵系统中的地埋管换热器技术, 可以实现的蓄热量大, 是一种较为理想的季节性储热方式。利用地下岩土储热容易实现很大的体积, 因而实现很大的热容量。不透水的岩石层和粘土地层不利于地下水流动, 这种地质条件对钻孔蓄热系统尤为有利。钻孔蓄热方式有开式和闭式两种, 如图4所示。在开式系统中, 输入端位于钻孔底部, 输出端则位于钻孔顶部、地下水位以下。而闭式系统中介质在U形管内进行循环流动, 通过U形管实现冷热介质与周围土壤的热交换, 因此它避免了开式系统中出现的受水的化学性质影响而产生的种种问题。瑞典较早的开展了这项技术的研究, 第一个钻孔蓄热工程同时是一个工业废热利用工程, 通过钻孔把工业废热蓄存在地下作为建筑物的采暖热源。目前欧洲最大的一个钻孔蓄热工程位于挪威, 该工程包括180个200米深的孔, 可实现供热量和供冷量分别为3.2MWh、4.8MWh。

地源热泵系统

地源热泵技术是热泵技术中的一种。地源热泵系统利用地下岩石、土壤、地下水和地表水作为低温热源的热泵系统。它把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下, 使其与大地进行热交换, 或是通过中间介质 (通常是水或水和防冻剂的混合液) 作为热载来设置地埋管换热器, 这在建筑相对密集的城镇地区会成为一个限制条件;二是地下岩土层在系统运行中充当一种蓄热体, 因此要求地埋管换热器全年的吸热和放热应大体平衡。这种地埋管换热器全年的冷热负荷基本平衡通常是通过建筑的冬季供热 (或加上热水供应) 负荷和夏季的制冷负荷的适当匹配来实现的。但是在我国的北方地区, 建筑的供热负荷远大于夏季的空调负荷, 在很多建筑中甚至不要求供冷。在这种情况下, 由于全年从地下吸收的热量大于向地下排放的热量, 多余的冷量就会在地下的地埋管换热器中积累, 致使设置地埋管换热器的岩土层的温度逐年下降, 引起系统效率的降低, 甚至由于循环液温度过低而导致热泵不能工作。因此, 对于冬季热负荷占优的地源热泵系统, 需要有适当的辅助热源来帮助实现地下全年冷热负荷的基本平衡。虽然利用常规化石燃料的锅炉可以是一个选择, 但作为可再生清洁能源的太阳能当然就成为全年补充热量的首选。这就是太阳能和地源热泵复合新能源供热空调系统。

太阳能光热与地源热泵复合系统

地源热泵与太阳能热利用相结合是解决寒冷地区地热换热器全年冷热负荷不平衡的一个重要途径, 也是把太阳能热利用从传统的热水供应扩展到建筑供热空调的重要技术创新。当然两种技术的简单的组合相加并不能充分发挥各自优势。这里讨论的复合系统均指的是融入季节性蓄热技术的太阳能地源热泵复合系统, 特别是第三种以地埋管换热器为蓄热手段的季节性蓄热技术, 其在经济和技术上均存在较大的优势。图5就是利用地埋管地源热泵与太阳能技术结合的季节性蓄热系统示意图。该系统同时实现了太阳能供应热水、地源热泵空调的功能, 其中融入的季节性蓄热技术实现了太阳能、地源热泵两种技术的优势互补。系统有三种运行模式, 夏季工况:太阳能供应生活热水, 地源热泵制冷满足冷负荷要求, 同时阴雨天可以利用地源热泵辅助太阳能加热生活热水, 太阳辐照强度大时可以把富余的太阳能利用蓄热地埋管蓄存在地下;过渡季节工况:过渡季节不考虑空调, 太阳能满足生活热水要求, 富余的太阳能同样蓄存在地下;冬季工况:太阳能满足热水需求, 提取地埋管在夏季和过渡季节蓄存的热量, 两部分地埋管并联运行共同满足供暖负荷要求, 阴雨天气太阳能无法满足热水负荷要求时可以利用地源热泵辅助加热。这种技术的不同之处就在于它可以在夏季、过渡季节将富余的太阳能通过地埋管换热器把热量传入地下, 升高地温, 待冬季供暖期再从地下提取这部分蓄存的热量。在供暖季如果从地埋管换热器出来的循环水的温度足够高, 则可以直接导入建筑供热系统;当循环水的温度不够高或经过一段时间的供热以后水温逐渐降低, 则需要通过热泵提高温度再为建筑供热。当然, 这种复合系统也可以结合以太阳能热水为驱动力的吸收式或吸附式制冷技术, 此时地源热泵系统同样成为辅助冷源。

这种融入季节性蓄热技术的太阳能地源热泵复合新能源系统的优势是:

(1) 对于太阳能系统来说, 由于有地埋管换热器作为太阳能的季节性蓄热装置, 可以把全年的太阳能用于建筑的供热, 大大提高了太阳能集热系统的效率。同时, 有地源热泵系统做太阳能供热制冷系统的备用冷热源, 解决了太阳能系统本身的间歇性、不稳定的问题, 保证了系统的可靠性。这样, 可大大节省太阳能集热板的面积, 降低系统初投资。

(2) 对于热负荷占优的地源热泵系统来说, 由于采用太阳能集热器作为辅助热源, 解决了系统全年冷热负荷不平衡的问题, 保证了地源热泵系统长期可靠和高效地运行。与单一的地源热泵系统相比, 减少了钻孔数量, 降低了系统的初投资, 节约了地埋管的用地;同时提高了热泵的效率, 或不再需要锅炉作为辅助热源, 因此节省了运行费用。

(3) 可以在同一系统内实现热水供应、冬季采暖、夏季供冷等多项功能, 具有结构紧凑、稳定可靠和性价比高的特点。

这种复合式新能源系统因为它独特的系统优势, 使其具有较高的应用推广价值。2007年全国太阳能热水的应用 (或太阳能与建筑一体化) 的应用量约为7亿平方米。地源热泵供热空调技术是重点推广的建筑节能技术, 其应用规模逐年上升, 全国推广应用地源热泵技术的建筑面积已经达到8000万平方米。以采用太阳能与地源热泵复合能源系统的应用面积占整个地源热泵系统应用的10%计, 全年可有800万平方米建筑面积的市场容量, 约46亿元的产值。

在近年来我国的建筑节能技术中, 太阳能热水和地源热泵技术已经得到了充分的重视和推广, 但是它们还只是作为各自独立的技术, 而且各自存在一定的技术瓶颈。为了更好地利用太阳能和地源热泵这两种可再生能源技术, 必须进行技术创新, 针对建筑供热空调和热水供应的应用对象, 利用地埋管换热器作为季节性蓄热技术的载体把太阳能、地源热泵这两种技术有机的结合在一起。

由于融入了季节性蓄热技术, 复合新能源系统既可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响的局限性, 又可以克服地源热泵系统冷热负荷不平衡而造成地下岩土温度不断降低的局限性, 因此, 太阳能与地源热泵结合的复合能源系统可以集中两种可再生能源的优点, 同时相互弥补各自的不足, 是很有潜力的可再生能源建筑应用的新技术。

太阳能与地源热泵复合系统在建筑中的应用在我国还刚刚起步, 只有个别小型的应用实例。推广应用这一新技术的障碍主要是:

(1) 公众对这一新技术还缺乏了解, 需要有一个宣传和培育市场的过程。

(2) 与利用常规能源的供热空调系统相比, 这一复合新能源系统的初投资偏高。但这是所有可再生能源技术共同的问题。由于其运行费用低, 随着政府和公众对节能和环保意识的不断增强, 这一新技术的市场前景是十分光明的。单一的太阳能和热泵技术得到迅速推广应用就证明了这一点。

蓄热系统 篇6

能源与环境问题是当今世界所面临的两大难题。其中能源是当今工业生产中的重要基础, 同时, 有效利用能源, 可以提高人们的生活品质, 有利于经济发展, 从而带动整个社会的进步。建筑能耗占总能耗较大的比重, 有近30%的总能源消耗在建筑物上。而在我国, 建筑能耗已超过全国能耗总量的l/4, 且递增趋势日益明显。

2 太阳能供暖系统

太阳能供暖系统的组成:太阳能集热器与辅助热源———提供能量;热量储存及热量交换的设备;末端设备———建筑采暖和生活热水需求。当白天太阳辐射较大, 太阳能集热器正常工作;当太阳辐射不足, 则由辅助热源补充太阳能不足的部分。太阳能供暖系统与其他常规能源供暖系统相比, 其特征在于: (1) 系统在低温下运行。 (2) 具有储存热量的设备。 (3) 与辅助热源配套使用。 (4) 适合在节能建筑中应用。

3 相变材料在太阳能供暖系统中的应用

蓄热材料按蓄热方式可分为:显热蓄热材料、相变蓄热材料、热化学蓄能材料和吸附蓄热材料。其中, 相变蓄热是利用材料在相变时的吸热或放热来贮能或释能的, 这类材料具有蓄热密度较高、蓄热能力好、相变温度近似恒定等优点, 因此近年来得到了较为广泛的研究和应用。

以水这一常见的物质为例, 熔化1kg的冰所吸收的热量大约是使1kg水温度升高1℃所需热量的80倍。这就表明相变蓄热技术可以实现仅用少量材料却可以贮存大量的能量。所以, 目前应用最多和最重要的蓄热方式就是相变蓄热, 而将相变材料与太阳能供暖系统相结合是能源利用的一个重要的新方法, 有利于能源的节约与环保。

4 相变蓄热材料的选择原则

用来蓄热的相变材料, 不但要有合适的相变温度, 而且它们还应满足下面的条件: (1) 较大的相变潜热。 (2) 较大的导热系数。 (3) 较好的稳定性。 (4) 与容器不发生化学反应。

无机相变蓄热材料大多都有腐蚀性, 因此在选择相变材料的封装容器时要考虑到它们的相容性, 相变材料对容器材料无腐蚀作用。

另外, 相变材料还应有较小的体积膨胀率, 便宜的价格, 无毒等特性。

5 国内外研究现状

在相变机理方面的研究, 一直进行的较缓慢。针对有机相变材料随着熔化———凝固循环次数的增加, 其熔点和潜热值下降, 水合盐类相变材料存在严重的过冷和相分层现象, 凝固过程中成核性能差等一系列问题始终未能得到有效解决。文献对水合盐的成核原理进行了研究, 认为当成核剂与水合盐的晶格参数相差在15%以内时, 能很好的起成核作用, 但这一理论只对少数水合盐成核剂的选择有效, 对绝大多数水合盐成核剂的选择是无效的。

6 发展方向

随着全球经济发展, 能源形势也日益紧张, 节能与环保已成为世界各国的重要课题之一。相变蓄热技术利用物质的相变来实现能量的储存和释放, 有利于能源的有效利用, 并在全球气候环境的保护方面发挥了重要作用。而以后, 相变蓄热技术会被更多的领域应用, 其已在节能环保材料, 工程保温材料, 航空和航天器材, 贮能炊具等方面都展现了广阔的应用前景。而且, 寻找合适的相变蓄热材料将成为相变蓄热技术的重点。

7 结语

太阳能是一次能源, 也是可再生能源, 太阳能利用技术为人类创造了一种新的生活形态, 即节约能源减少污染。因而, 它的应用得到社会越来越广泛的重视。我国的研究和发展水平与西方国家相比有较大差距, 有必要对太阳能供暖技术进行深入研究, 向其他发达国家学习, 取长补短, 提高太阳能的利用效率。

相变材料与太阳能供暖系统相结合的方案, 目前还局限于地板辐射采暖, 但它有着较大的优点:简单易行, 便于安装, 环保卫生等, 同时, 相变蓄热材料能够把热能有效的储存起来, 在供能不足的情况下提供能量, 以便达到预期的采暖效果。总之, 在保证人们需求的情况下, 合理开发利用其他可再生能源, 同时加强相变蓄热技术的研发, 是一条实现节能环保的可持续发展道路。此外, 相变蓄热技术还可应用于农业暖房、路面的融雪技术、建筑大厅、游泳池等。

摘要：相变蓄热技术是提高能源利用率和保护环境的技术, 用于调和热能供给与需求不相匹配的矛盾。该技术的迅速发展为缓解人类能源危机提供了一种全新的重要手段。太阳能地板辐射采暖系统与相变储能技术相结合是新能源利用的一个重要方法。太阳能地板辐射采暖系统具有间歇性、不稳定性缺点, 而相变储能技术能够间歇地利用太阳能。本文主要从国内外关于太阳能蓄热材料的研究进展, 其中包括太阳能相变材料的分类, 物理、化学性质等, 指出相变蓄热材料的应用可以提高系统的集热效率、能量蓄积密度和太阳能保证率。目前对于一些相变材料缺陷的改进方法, 及相变材料在太阳能供暖中的应用及发展前景。

关键词：太阳能,辐射采暖,相变储能,相变蓄热材料

参考文献

[1]江亿, 杨旭东.中国建筑节能年度发展研究报告[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

蓄热系统 篇7

日本心脏血压研究振兴会附属的神原纪念医院是国际上高水平的循环系统专科医院, 以新宿地区为中心开展了医疗活动, 又于2003年12月在府中市建成新医院。新医院共有病床320床, 建筑面积7194m2, 占地面积27437m2, 建筑采用钢骨免震结构, 地上6层, 其中能源控制中心在地上一层、地下一层。

医院楼内除病床外, 还有手术室、导管室、CCU、ICU、小儿ICU和心脏康复室等。该医院功能齐全, 机器配置先进, 医疗手术效率高、质量好;特别是循环器的救急患者可得到及时的抢救和治疗。为此, 在救急入口, 有升降机、手术室和康复病房系列等紧密、快速的配套设施, 以缩短从救急车到手术室的过程。

该医院将现代医疗行为中不可缺少的信息系统作为重点, 在院内LAN中采用了优质塑料光缆并和原有医院的光纤连接, 以便及时看到高质量的有关视频。在附近的能源楼内, 设有高压受电、变电装置和应对短时停电的钠硫电池、临时发电装置和蓄热式热源装置等, 以便保证医院的能源供应稳定。主要设备如下: (1) 热源系统:700m3水蓄热器×2台 (温度成层型) , 空调热源机为120HP空冷热泵冷风机7台, 温水加热器2台, 0.5t/h、1.2t/h蒸汽锅炉2台; (2) 钠硫电池:出力250kW (附有短期调节功能) , 容量1800kWh; (3) 备用发电机:出力1200kVA, 起动时间10s, 燃料罐2000L (A重油) ; (4) 受变电设备:受变电方式为交流3相3线2回路受电, 电压6600V。

2 神原纪念医院的电力供应系统

近年来随着医疗设施的不断进步, 用于信息管理和图象传送的数据处理量不断增大, 对所供信息系统的电力设施也提出了较高的质量要求。该院为防止电力突然降压或波动, 采用了250kW钠硫电池, 给院内重要负荷提供质量高且稳定性好的电力, 同时还利用夜间低谷负荷下的低价电力充电, 保证负荷平稳化, 并降低电费。

为防止发生灾害影响正常的医疗活动, 采取了2回路受电, 并贮备3天备用发电用燃料, 以确保系统的电力可靠供应。另在各种设备的维修方面, 采取了总体统筹安排的方式, 以保证总体高效运行。

总之, 由于采取了钠硫电池系统和蓄热式空调系统相结合的方式, 使环境负荷得以降低, 并有效利用了夜间低谷负荷下的低价电力, 除有利降低运行费用外, 并对躲峰填谷保持整个电网负荷平稳化作出贡献。

3 神原纪念医院在节能环保方面采取的措施

在新建医院之初即明确必须贯彻节能环保优先的方针。用高绝热玻璃制成的双层窗来防止阳光直射入阳台, 在屋顶种植花草以抑制热从屋顶进入楼内, 对空调运行时间长的病房采取了自由通风和节能兼顾的措施, 大楼中央采取了积极的采光措施, 以减少照明负荷。

对建筑物侧墙进行保温处理以减少热负荷, 楼内空间空调系统分区控制, 采取了个别分散式和集中式合理组合的系统。集中式系统对各空调器和导管采取了高效配置, 热源采用了效率高的水蓄热式热泵系统, 从而达到了节能环保的明显效果。

此外, 医院内的3个食堂均采用了电炊方式而取代其他燃料, 以改善医院环境。在医院大楼的地下室部分设置了雨水收集槽, 用以对日常的洗净水和散水收集贮存, 作为灾害时的备用水源。

4 蓄热式热泵系统的概要及实用效果

水蓄热式热泵系统采用空冷热泵冷风机, 共7台COP可达3以上的88kW机组组成了节能性高的系统, 日夜运行。为防止夜间运行时噪音对隔壁房间的影响, 设置了隔音墙。

能源楼地下设置有冷水专用槽700m3, 冷温水兼用槽700m3, 总计1400m3的水蓄热槽被设计成高效的温度成层型蓄热槽, 它兼作社区蓄水罐, 在灾害时还可承担供生活用水功能。

换热器、泵类等均在能源楼的一层配置, 和蓄热器的水平高度相当, 可节省取水、输送用能, 变频器控制亦有利于节电。为进一步使水蓄热式热泵系统更高效运行, 该医院采用了电力公司的“蓄热受托制度”, 由此, 机器可得到适当的维修管理, 并可据运行记录的分析结果实现最佳方式的运行。

总之, 和以热电联产联供为主的系统进行模拟对比的结果证明, 一次能源消耗可节约16%, CO2排放量可减少43%, 说明其节能环保效果显著。

5 今后的打算

采用蓄热式热泵和钠硫电池的组合构成了节能环保和经济性俱优的能源供应系统。今后拟充分发挥钠硫电池可防止电压波动、二回路受电和作为备用电源的多种功能, 以确保电力的稳定供应。将对运行记录进行整理分析, 以利更高效、经济运行。