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储热技术及应用[7]:相变储热在供暖领域的应用

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发表于 2021-2-5 14:04:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

在供暖行业,已商业化应用的储热技术有水储热、固体储热、熔盐储热、相变储热。水储热技术简单、成本低,但储能密度低、占地面积大、承压水储热有安全风险。固体储热技术较成熟、储能密度较高、输出热能形式多样,但其投资成本略高。熔盐储热技术相对成熟、储能密度较高,适用于大规模储能,但其投资成本高、技术复杂、有一定的应用门槛。相变储热技术根据储热介质相变点的高低分为中低温相变储热和高温相变储热,其储热密度高、成本适中,未来中低温相变储热具有广阔的市场前景,在供暖领域通常采用中低温相变储热材料。

在储热型供暖系统中,中低温相变储热材料是供暖系统的重要组成部分。相变储热材料的成本直接决定大容量供暖系统的经济性,相变储热装置性能直接影响供暖系统的运行效能。


1.中低温相变储热材料
在中低温储热材料中,目前主要的研究及应用多集中于有机类和无机类两大类。有机类多以石蜡类、脂肪酸类为代表,无机类多以水合盐类为代表。石蜡类等有机相变材料具有稳定性好、腐蚀性较小等优点,但存在储热密度低、导热性差、相变体积变化大、易燃等缺点。无机水合盐类由于相变潜热较大、体积储热密度较高、热导率较高(相对有机相变材料)、成本低等优势有望成为中低温储热领域理想的储热材料,然而水合盐也存在易过冷、具有腐蚀性、热循环稳定性差等缺点。水合盐的过冷及相分离会降低材料的储/放热性能和循环使用寿命。目前在水合盐相变储热材料中加入成核剂和增稠剂,是降低无机水合盐过冷度和相分离的有效且经济的措施。考虑到采暖供回水的温度,应用在储热供暖领域的中低温相变储热材料一般以相变温度在50~100℃为宜, 目前已有应用案例的中低温相变储热材料主要为几种水合盐材料,性能参数见表1。高效能中低温相变储热材料的研发,将有利于提高供暖系统的效率,实现低成本的电供暖,为热能的高效储存提供技术支撑。
表1 常用中低温相变储热材料的性能参数
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2.
相变储热装置

相变储热装置作为储热型供暖系统的重要组成部分,保障储热介质储/放热过程的安全稳定运行。在实际应用过程中,需重点关注装置的使用寿命、安全性和结构优化。储热设备一方面需要通过合理的设计弥补相变材料热导率低的缺陷,从而提高换热效率。另一方面,因部分相变材料具有危险性,为得到高效换热效果则需要通过换热结构的设计及区域的划分来降低相变材料泄漏的风险。在相变储热装置中,通过设计并联螺旋盘管、填充筛网、壳管式结构等方式可以有效地改善相变材料的传热性能。然而在实际工程应用中,考虑到相变材料容器的结构设计、换热盘管的加工工艺、材料的填充工艺以及成本等因素,相变储热装置内以翅片型圆管换热器为主。


3.相变储热型供暖系统

目前已有案例的中低温相变储热供暖系统主要有两种,一种是电锅炉+相变储热装置(见图1)。在夜间用电的低谷时段,开启电锅炉进行制热,将热量储存在相变储热设备中,在白天电价高峰时段可关闭电锅炉,由储热设备放热提供采暖热量。电锅炉每天都在电价低谷时段运行,最大程度地节省了系统的运行费用。

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图1 相变储热型供暖系统(电热炉+相变储热装置)

另一种相变储热型供暖系统是将电加热、储热装置放置在一个结构中(见图2),储热材料封装在柱形或球形的容器中,形成能量柱(球),多根能量柱(球)置于水箱中,水箱中装有电加热器。在夜晚低谷用电时段,电加热水将热能储存在相变材料中,为储热模式;白天加热器停止工作,通过供暖水回路放热,相变储热装置中储存的热能用于加热供暖水回路的水,供暖水回路的水通过用户暖气片为室内供暖,为放热模式。

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图2 相变储热型供暖系统(加热器内置)

通过对比可知,两种储热型供暖系统各有特色。第一种供热系统后期维护相对灵活更易控制,更适合大容量储热系统。第二种储热供暖系统加热器集成在储热装置内,成本低、节省空间,适合储热容量不太大的储热系统。据不完全统计,目前国内已运行的中低温相变储热供热项目约200×104m2。目前国内已运行的相变储热型供暖项目主要分布在天津、北京、河北三地,中低温相变储热技术在试点城市还有巨大的市场前景。


4.结语

目前中低温相变储热技术在供暖领域得到了广泛的应用,但在相变材料、储热装置结构及储热供暖系统方面仍存在诸多问题有待解决。在用于储热供暖的中低温相变储热材料方面,研发综合性能优异的高储热密度、长循环寿命、高导热、低腐蚀、低成本的相变储热材料,是未来相变储热供暖领域的关注重点。在储热装置方面,现有系统的储热换热器存在单位体积储热量低、充热时间长、放热时间短等问题,优化换热器及储热装置的内部结构设计,实现强化换热是未来储热装置的发展方向。储热供暖系统方面,在保障系统稳定运行的基础上,实现智能调节控制、降低系统投资成本是储热供暖系统的发展方向。


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