適用于建筑供熱蓄熱技術的應用與發展

張承虎, 師熙隆, 朱添奇, 薛貴鈺

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

能源是人類賴以生存和發展的基礎,隨著全球經濟的發展,人類對于能源的開發利用也呈急劇增長的趨勢。目前,占能源消費主導地位的是煤炭、石油、天然氣。根據BP全球能源消費年鑒(2021版),全球一次能源消費從1995年至2020年增長了57%,其中煤炭消費增長了74%。而我國一次能源消費增長了292%,其中煤炭消費增長了177%,遠高于世界平均水平。

以煤炭為主的能源消費結構導致了環境問題突出。在雙碳目標的引領下,清潔能源的開發利用規模勢必大幅擴大[1],但是清潔能源的不穩定性、時空匹配錯位、供需不平衡等特性極大制約其利用和推廣[2]。蓄熱技術是解決清潔能源供需失衡的主要途徑,不僅可以利用蓄熱材料與建筑本體相結合的方式改善建筑的蓄熱特性,也可以應用于建筑供熱系統,實現熱量削峰填谷,增強供熱系統調峰能力[3]。

本文對適用于建筑供熱蓄熱技術的應用與發展進行綜述。

2 蓄熱技術分類

蓄熱技術可分為直接蓄熱、間接蓄熱。直接蓄熱技術可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、熱化學蓄熱[4-6]。近年來,出現了間接蓄熱技術,通過技術手段提取低品位熱能進行儲存,再利用時,利用儲存能力提取低品位熱能。結晶蓄熱屬于典型的間接蓄熱技術。

3 直接蓄熱技術

3.1 顯熱蓄熱

按照蓄熱材料類型,顯熱蓄熱可以分為液體蓄熱、固體蓄熱[7]。液體材料主要有水、熔融鹽、導熱油等。固體蓄熱材料多以黏土、氧化鎂磚為主。

① 液體蓄熱

熱水蓄熱。通過加熱方式將熱量以顯熱形式儲存在水中。常見的熱水蓄熱裝置為蓄熱水罐,蓄熱溫度為50～95 ℃,可滿足一般供暖、生活熱水、工業熱水需求。

熔融鹽蓄熱。熔融鹽蓄熱也屬于顯熱蓄熱方式,主要利用電加熱[8]通過熔融鹽儲存熱量,蓄熱密度一般是水的2～3倍。由于蓄放熱過程接近常壓,且熔融鹽化學性質穩定,特別是高溫區流動性強,保證了高溫下蓄熱裝置的安全性以及工況的穩定可調[9]。

② 固體蓄熱

氧化鎂具有熔點高、密度大、導熱快的特點,將氧化鎂制成磚體,可將電能轉化為熱能儲存在氧化鎂磚中[10]。氧化鎂磚蓄熱體為常壓系統,熱性能穩定,設備運行安全性高,工作時溫度可達800 ℃以上,且儲熱能力強,蓄放熱效率高。與液體蓄熱相比,反復蓄放熱易導致氧化鎂磚開裂分化,因此氧化鎂磚的使用壽命受到一定限制。

3.2 潛熱蓄熱

根據相變過程的不同,潛熱蓄熱可以分為固-液相變、固-氣相變、液-氣相變[11]。由于固-液相變過程具有體積變化小、蓄熱密度大、相變進程穩定易控的顯著優勢得到廣泛應用[12]。

固-液相變材料按照種類劃分為無機相變材料、有機相變材料、復合相變材料[13-15]。無機相變材料具有腐蝕性、易過冷、相分離的缺點,極大限制了無機相變材料在建筑中的應用[16-18]。與無機相變材料相比,有機相變材料不易發生過冷、相分離,且綠色環保,固態成型好,在建筑蓄熱系統中具有很高的應用價值[19]。對于復合相變材料,經研究發現添加石墨能明顯提高傳熱效率。

3.3 熱化學蓄熱

與潛熱蓄熱方式相比,熱化學蓄熱的蓄熱密度有數量級的提升。根據蓄熱溫度的不同,將熱化學蓄熱分為高溫、低溫熱化學蓄熱。高溫熱化學蓄熱材料包括金屬氫氧化物、金屬氫化物、金屬碳酸鹽,低溫熱化學蓄熱材料包括結晶水合物、氨合物等[20-28]。

4 結晶蓄熱

溴化鋰結晶蓄熱是最常見的結晶蓄熱方式。溴化鋰結晶蓄熱系統流程見圖1。系統運行過程分為蓄熱、放熱。蓄熱過程:天氣晴朗時,閥16開啟,閥15關閉。太陽能集熱器收集的熱量通過結晶加熱器使溶液結晶腔內的溴化鋰溶液不斷蒸發濃縮結晶,產生的水蒸氣在水蒸氣凝結腔內的冷凝釋熱器表面放熱凝結,加熱冷凝釋熱器內的水,實現熱水供應。

1—溶液結晶腔; 2—水蒸氣凝結腔; 3—結晶加熱器;4—吸收釋熱器; 5—冷凝釋熱器; 6—低品位取熱器;7—太陽能集熱器; 8—集熱器熱水循環泵; 9—溶液循環泵;10—凝結水循環泵; 11—溶液噴淋裝置; 12—凝結水噴淋裝置;13—隔熱板; 14—熱水循環泵; 15、16—閥門。

放熱過程:陰天及夜間,閥15開啟,閥16關閉。污水等低品位熱源通過低品位取熱器加熱噴淋的凝結水,汽化產生的水蒸氣在溶液結晶腔內被噴淋在吸收釋熱器上的濃溶液吸收,吸收過程釋放的熱量加熱熱水管路中的水,實現熱水供應。隔熱板起到隔絕溶液結晶腔與水蒸氣凝結腔傳熱的作用。

結晶蓄熱的熱源來自太陽能、污水等低品位熱源,而且供熱量與晶體的溫度無關,在儲存時間上可以非常長,也不存在常規顯熱、潛熱蓄熱方式隨著儲存時間越長散熱損失就越大的弊端。

5 蓄熱技術特點[29-45]

4種蓄熱方式的熱損失及供熱溫度見表1。

表1 4種蓄熱方式的熱損失及供熱溫度

① 顯熱蓄熱

優點:蓄熱系統相對簡單,成本低廉,通常對環境友好。

缺點:系統體積比較大,不適宜大容量長期儲存熱量,熱損失問題突出。要考慮強化傳熱以及膨脹性匹配的問題。

研究熱點:創新蓄熱系統運行參數的優化策略,有效控制蓄放熱過程中的熱損失。

② 潛熱蓄熱

優點:與顯熱蓄熱相比,潛熱蓄熱在控制溫度方面更具優勢。蓄熱密度明顯高于顯熱蓄熱方式,同體積情況下可儲存更多熱量。裝置簡單易操作,設計靈活,便于管理,造價低。

缺點:相變過程中蓄熱材料熱物性會發生變化,許多有機蓄熱材料如脂肪酸類具有毒性以及很強的腐蝕性,易導致蓄熱材料與容器的相容性(相變儲能材料與儲存容器長期相容的能力,從而保證儲能系統使用壽命長和減少污染的重要特性)降低。實際應用中的相變分離問題影響系統的熱穩定性。通常使用的相變材料熱導率比較低,且價格普遍比較高。

研究熱點:新型相變材料開發以及已有相變材料的相容性改進。研究低溫潛熱蓄熱,以適用于太陽能蓄熱,以及供暖空調系統余熱回收。

③ 熱化學蓄熱

優點:儲熱密度大,可最大限度節省儲存空間。蓄熱期間的熱損失非常小。

缺點:蓄放熱過程復雜,難控制,需考慮系統嚴密性。蓄放熱循環中的傳熱傳質特性比較差,整體效率不高,需考慮生成氣體腐蝕問題,安全性低。蓄熱材料價格高。

研究熱點:新型蓄熱材料的研究與開發,系統嚴密性控制及安全性監測。

④ 結晶蓄熱

優點:陰天及夜間可持續提供熱能。結晶蓄熱形式節約空間,可在較低溫度下運行,熱量損耗比較小。

缺點:水蒸氣的傳遞依靠容器兩側的壓差作用,需考慮系統氣密性。隔熱板的傳熱影響蓄放熱性能。

研究熱點:結晶蓄熱材料應朝著低成本、高儲能密度、高循環穩定性以及長使用壽命方向發展。

6 結語

與其他蓄熱技術相比,結晶蓄熱技術提取低品位熱能進行儲存,有利于低品位熱能的利用,后發優勢明顯。目前,蓄熱技術種類多樣且應用范圍廣,在應用于建筑供熱時要考慮不同建筑的供熱特點,因地制宜,合理選取。在蓄熱材料特性以及蓄熱系統的多元供熱模式方面仍存在極大的技術挑戰,也是今后的重點研究方向。