跨季节复合储热用于供热的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：徐胜勇（1979），男，汉族，山东滨州人，本科，工程师，暖通空调。-17-跨季节复合储热用于供热的研究 徐胜勇 滨州热力有限公司，山东 滨州 256600 摘要：摘要：以太阳能为代表的新能源由于其间歇性、不稳定的特性，在供、需两个方面呈现出时间、空间和强度的错配特征，并呈现出季节性特征。但常规的储热系统具有较大的热损耗和较低的效率。基于此，本文首先阐述了跨季节复合储热用于供热的技术背景，其次分析了常见的跨季节储热供暖技术，最后重点以地下跨季节储热技术为例，探究地下复合储热系统特性。关键词：关键词：跨季节；复合储热；供热 中图分类号：中图分类号：TU831.3 以太阳能为代表的新能源，受天气、季节等因素的影响，呈现出间歇性、不稳定的特征，可再生能源供需双方呈现出强度、时空失配、季节性等特征。夏季气温高，具有充足的太阳能却无供暖需求，而在冬天，由于太阳能资源匮乏，很难满足生活用热需求。所以，利用长时间存储的特性来实现跨季储存是非常有前途的。跨季储存可将太阳能、工业废热等热能从夏天或过渡季节传输到冬季，解决了目前太阳能热储存稳定性差、利用率低等问题，拓展新能源利用的深度和广度。地下跨季节储热是解决新能源发电在时间、空间和强度上的失配问题，近年来得到了快速的发展和广泛的应用。但目前存在着大量耗热量和太阳能利用率低等问题，制约了地热资源的高效利用。为此，有必要对其进行深入地研究，掌握其内部热量传输机制及工作规律，以达到合理、高效利用地下热能，进一步达到满足严寒地区供热的目的。1 技术背景 通过对新能源供暖过程中不同时段的热存储，能够有效地缓解新能源供暖在时间、空间和强度上的失配特征，拓展新能源供暖的应用范围和深度。由于地下跨季节储热技术较为成熟和应用范围较广，已成为目前我国建筑节能领域的一个重要发展方向。根据储热形式的不同，可将其划分为热水储热（HWES)、砾石一水储热(GWES)、地下管储热(BTES)和含水层储热(ATES)。HWES）与 BTES 是一种利用储热技术，以热水形式储存热能。由于水比热大，单位体积水的储热能力也高，且储/释热速度快、位置灵活，因此被广泛用于跨季储热。但是，它的设备投资较高，放热量大；地埋管储热技术是指将地埋在井内，利用换热介质的流动来储热。埋管的型式有单管、双 U 型、套管三种。储热材料可就地取材，热容易于增大。然而，由于土壤储热量和导热系数小，存储容量大，储/释热速率慢，需增设缓冲池，以加快其对热负荷的快速响应；同时，BTES 也面临着散热困难等问题。如何减少系统的散热损耗、提高日照利用率，已成为世界范围内的一项重要课题。一些学者从储热器的形状入手，比如 Schmidt 等，Diner 等人提出了减小储热器的体积比以减小热量损耗的观点。Zhang 等研究表明，对于埋地埋管储热系统，随着埋管深度的增加，热损失减小。也有人从储热介质（如隔热层和衬里）的边界入手，如 Ucar 等，比较了无保温地上水箱、地面水箱和不加保温的地下水箱三种不同类型的储热体系，发现与前两者相比，地下水箱不保温可获得较高的太阳能保证率。Dalenback 等人的研究显示，要想获得同样的效果，地表水箱的高度应该增大到1.9倍，保温层的厚度也增加到原来的两倍。Lottner 等人将不锈钢或 HDPE 内衬于热水箱的顶部和侧面，以降低水蒸气穿过混凝土墙时的热量损耗。Givoni 等人注意到，地下储热容器周围的土壤并未起到储热作用，这也是地下储热装置效率较低的一个原因。综上所述，国内外从保温材料与保温材料、水箱与地埋管结构、系统运行模式等方面进行了深入的研究，以期达到降低散热、提高储/释热效果的目的。本项目拟采用地埋管储热与储存热相结合的新型地下复合储热体系，采用试验与数值模拟相结合的方法，对中国科技期刊数据库 工业 A-18-其储/释热特性进行研究，揭示其滞回效应、温度场分布及随时间的演变规律，从而为降低储热系统跨期耗损、提升能源效率提供理论依据。2 常见的跨季节储热供暖技术 2.1 大型储热水箱跨季节储热 相对于其它热存储技术，水热存储具有单位容积热容大，流动性好，获取热更快等优点。所以，水箱储热已在许多大型季节性储热工程中得到应用。在太阳能跨季储热系统中，储热器多采用圆筒形，该结构有利于降低导热系数，降低散热损失，其内部温度分层及外部隔热层是储热技术研究的热点。2.2 地下含水层跨季节储热 地下含水层以地下沙、砾石和石灰岩为主，上下两层是不渗透的水层。利用地下蓄水层进行跨季储热，具有投资少、受地质条件苛刻等优点，是目前国内外研究的热点。含水层储热设备需设置冷井处和热井处。在夏天，当太阳能量充沛时，收集到的热量就会被储存在热水井中。在冬天，从热水井中抽出热水，供建筑采暖及生活热水供热，并将已采得的热水注入冷水井中。2.3 地埋管跨季节储热 埋管储热通常采用地下土层储热，而地埋管储热则是在竖井中埋设单 U 型管和双 U 型管。其原理是利用水等媒介将太阳能的热能存储于土层或岩层中，当冬天采暖时，利用地下水等媒介将地热从竖井旁的土石中排出。地埋管储热系统因其储热密度小，比传统的储热系统大 3 倍-5 倍。地下埋管的储热对地质条件有很高的要求，适合于岩石、饱和水、壤等地质条件。2.4 岩石类跨季节储热 岩体储热的隔热效果与水箱保温相似，但需在其上部及周围加设隔热层。在岩土工程中，通常采用卵石、砾石、砂石、砖石等介质，通过与换热介质（水或空气）进行传热，从而实现储热与释热。岩石类跨季节储热系统因其较小的能量密度，其容积是储热器的 3 倍左右。2.5 人工含水层跨季节储热 砾石一水储热是一种以砾石、水为主要介质的人工储热系统。当太阳能热能被存储时，砾石一水储热设备内的热通过埋在砾石中的换热管道与水流、砂砾等介质发生传热。由于这种储热设备无需建造承载结构，所以与热水储热器相比，成本更低。2.6 相变材料跨季节储热 相变储热是指通过材料在相变过程中所吸收的能量来储存能量，而用于大规模的储热，则可以通过将所获得的热存储在相变储能系统中。目前，国内外学者们已开始将相变储热技术运用到农业大棚及热泵系统中。2.7 热化学跨季节储热 热化学储能不仅储存热量高，而且可在室温下长时间保持零损耗，而且其热化学吸收温区与中、低热利用温区相符。特别适合建筑采暖、结构紧凑的跨季储存，与相变材料的跨季储存相似，目前还在研究中。当前，国内外学者对吸附/吸收热化学储热体系进行大量研究。3 地下跨季节储热技术 地下储热系统的特点是占地少，造价低，太阳能利用率高。现有的地下洞穴、地下含水层、土壤、岩石或人工蓄水池等均可作为储能介质，因而日益引起世界各国的重视，是可再生能源综合利用的重要方向。另外，在工业中无法得到充分利用的热量和排放后的热量，也可以被高效地存储起来，供空调，发电，以及建筑供暖等等。该技术可大幅减少 CO2、SOx、NOx、CFC 等污染物排放，进一步实现电网峰谷负荷均衡，达到“削峰填谷”的目的。地下跨季节储热通常由可再生能源（如太阳能）、地下储热、热泵及用户侧的热利用等组成。利用反向卡诺原理，将低品位的热能转化为高品位的热能，并通过低位的热能转化为高位的热能，实现热能的高效供给，此外，还可为居民提供热水，是一种环保高效的新能源开发方式。如图 1 所示。跨季节储热系统运行分为两个主要阶段：（1）储热阶段（2）释热阶段。（1）储热阶段：在夏季气温高、日照强的情况下，利用集热设备将太阳能及其他可再生能源直接注入地下储热系统中。同时，热泵系统还能将房间内的热能吸收，并将这些热能转移到地面上，既实现了储热，又实现空调的制冷，为使用者提供一个舒适的室内环境。（2）释热阶段：当冬季气温偏低、日照不足时，采用跨季储热系统，可将地下储热介质中的热能持续中国科技期刊数据库 工业 A-19-释放出来。在满足居民采暖需求的同时，通过与热泵技术相耦合的方式，将低温下的低位热能转换成高质的热能，最终实现“夏储冬用”的目标。图 1 地下跨季节储热示意图 地下管储热技术因其高效、环保和节能等特点而备受关注。资料表明，采用土壤源热泵供热，较普通燃煤锅炉节约能耗约 25%50%；与空气源热泵比较，节约能耗约 30%50%。与普通冷水机组比较，节能率高达 10%30%。与电供暖相比，该采暖系统可节约能耗约 70%，节能效果非常显著。地埋管是一种新型的地源热泵采暖技术，其主要功能是为冬季供热提供充足的热能，并保持土壤的吸热与释热，并确保地温在某一特定的温度范围之内。地埋管储热作为一种土壤储热方法，其获得的热源温度相对较低，能源品位相对较低，但却能够有效保障能源的利用效率，从而克服在不同季节储存热量损耗过大的难题，具有广阔的应用前景。4 地下复合储热系统特性分析 热量存取效率(从储热体取出的热量与存入储热体的热量之比)为系统重要的性能指标。从储/释热量、储热体内储/释热体规模匹配、埋管个数、埋管间距及土壤导热系数等多个参数对系统效能的影响规律开展研究。4.1 储/释热质量流量 将储热体容积与土壤体积比按 1：3.3 进行匹配，储热体的大小如图2所示，储热容量达到6.8103m3。土壤与储水箱的初温分别为 15、储热口 80、释热口 15、储热与释热量相同、储热与释热量相同、水箱与地埋管的质量流量各占一半。图 2 储热体水和土壤规模匹配 很明显，随着储/释热量的增加，储热材料的温度、储热、释热及散热都将增大。图 3 质量流量对系统效率的影响 在不同的储放热流量条件下，连续运行 5 年后，复合储热系统的效率变化曲线如图 3 所示。从图 3 可以看出，随着运行年限的增加，系统效率在不同的质量流量下都有逐渐增大的趋势，且趋于平缓。其中，在 2000kg/h 的质量流量条件下，第一年系统效率只有43.6%，第三年达到 59.0%，接下来的两年里逐步上升至 60.8%；在质量流量 6000kg/h 的情况下，第一年系统效率是 56.9%，第三年是 68.8%，随后的两年里是70.0%。结果表明，当物料流速增大时，系统的效率也随之提高，但提高的幅度较小；4.2 储热体规模匹配 假定储热体内的储水容积与土壤体积比为，保中国科技期刊数据库 工业 A-20-持总储热容积 6.8103m3。重点分析不同规模的储热体匹配对系统效率的影响。储/释热质量流量取6000kg/h。图 4 显示了不同规模匹配的复合储热体的效率变化曲线。结果表明：各系统的效率都随使用年限的增加而增大，且总体上趋于平稳。当=1：5.9 时，系统效率处于最低状态；当值增大时，系统的效率也随之提高，当增大到 1：0.7 时，第五年系统的效率可以达到 72.9%，但是由于水箱容积所占比例的增大，将使设备的投资费用大大提高。当=1：2 时，运行至第5 年系统效率达 72.4%，接近=1：0.7 时的效率值。不同规模匹配下复合储热体的热损耗见图 5，从图中可以看出，复合储热体的热损耗随的增大而增大。当从 1：2 增加到 1：0.7 时，热损增幅最大其原因在于：值增大，储水容积增大，土壤有效容积受压缩，埋管层间距减小，埋管距离越近，储热材料温升越高，损失越大。图 4 不同规模匹配下的系统效率 图 5 不同规模匹配下的热损 图 6 是不同尺寸配比下，单位埋深埋地管的热交换功率。从使用年限看，埋地埋管单位埋深储热量随使用年限的增加呈递减趋势，但递减幅度较小，结果表明，随使用年限的增加，储热材料的温度逐渐升高，储热难度增大。随着使用年限的增加，释热功率逐渐增大，说明储热体温度逐年升高，这对释热过程是有利的。就储热体规模的匹配而言，随着的增大，地埋管与水箱间距离越近，埋管的储热功率越小。当从 1：2 增加到 1：0.7 时，埋地管的储热能力明显下降；随着温度的增大，热释放功率增大，说明地埋管与水箱距离越近，热损失的恢复效果越好。因此，储热系统的规模匹配需要综合考虑，即既要实现高效储放热，又要尽可能降低设备投资成本，减少散热损失。图 6 不同规模匹配下地埋管单位埋深换热功率 5 结论 综上所述，针对这一问题，本文拟将地下埋管与热水储热有机地融合起来，形成一种全新的多期混合储热体系。兼具优势与劣势的复合储热体系，可有效减少空间占用，降低隔热材料用量，且储/放热机理具有灵活性。基于上述研究，将对该复合式储热系统的特性进行深入地研究，并对其做试验验证，得出以下结论。随着储/释热速率的提高，系统的效率也相应提高。另外，与系数相匹配的储热装置的效率也会随之提高，但储热单元所占容积比例越大，其耗热量也越大。为此，需要从多角度出发，在实现高效储/释热功率的前提下，尽可能地降低设备投资和散热损耗。参考文献 1 徐 德 厚,周 学 志,徐 玉 杰,等.新 型 地 下 跨 季 节 复 合 储 热 系 统 性 能 规 律 J.储 能 科 学 与 技中国科技期刊数据库 工业 A-21-术,2021,10(5):1768-1776.2徐德厚,周学志,徐玉杰,等.新型地下跨季节复合储热系统热量损失机理研究J.中国电机工程学报,2021,41(17):5983-5990,中插 18.3王子逸,徐玉杰,周学志,等.跨季节复合储热系统储/释热特性J.储能科学与技术,2020,9(6):1837-1846.4 王 子 逸,周 学 志,徐 玉 杰,等.地 下 跨 季 节 复 合 储 热 系 统 热 扩 散 机 理 研 究 J.工 程 热 物 理 学报,2021,42(8):1917-1924.5刘洪芝,刘思琪,叶振东,等.钙镁二元水合盐复合热化学储热单元的储热特性研究 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