張承虎, 師熙隆, 朱添奇, 薛貴鈺

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類對(duì)于能源的開發(fā)利用也呈急劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)。目前,占能源消費(fèi)主導(dǎo)地位的是煤炭、石油、天然氣。根據(jù)BP全球能源消費(fèi)年鑒(2021版),全球一次能源消費(fèi)從1995年至2020年增長(zhǎng)了57%,其中煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)了74%。而我國(guó)一次能源消費(fèi)增長(zhǎng)了292%,其中煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)了177%,遠(yuǎn)高于世界平均水平。

以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了環(huán)境問題突出。在雙碳目標(biāo)的引領(lǐng)下,清潔能源的開發(fā)利用規(guī)模勢(shì)必大幅擴(kuò)大[1],但是清潔能源的不穩(wěn)定性、時(shí)空匹配錯(cuò)位、供需不平衡等特性極大制約其利用和推廣[2]。蓄熱技術(shù)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(jié)合的方式改善建筑的蓄熱特性,也可以應(yīng)用于建筑供熱系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)熱量削峰填谷,增強(qiáng)供熱系統(tǒng)調(diào)峰能力[3]。

本文對(duì)適用于建筑供熱蓄熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行綜述。

2 蓄熱技術(shù)分類

蓄熱技術(shù)可分為直接蓄熱、間接蓄熱。直接蓄熱技術(shù)可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、熱化學(xué)蓄熱[4-6]。近年來,出現(xiàn)了間接蓄熱技術(shù),通過技術(shù)手段提取低品位熱能進(jìn)行儲(chǔ)存,再利用時(shí),利用儲(chǔ)存能力提取低品位熱能。結(jié)晶蓄熱屬于典型的間接蓄熱技術(shù)。

3 直接蓄熱技術(shù)

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(dǎo)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(chǔ)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(yè)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(chǔ)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,特別是高溫區(qū)流動(dòng)性強(qiáng),保證了高溫下蓄熱裝置的安全性以及工況的穩(wěn)定可調(diào)[9]。

② 固體蓄熱

氧化鎂具有熔點(diǎn)高、密度大、導(dǎo)熱快的特點(diǎn),將氧化鎂制成磚體,可將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在氧化鎂磚中[10]。氧化鎂磚蓄熱體為常壓系統(tǒng),熱性能穩(wěn)定,設(shè)備運(yùn)行安全性高,工作時(shí)溫度可達(dá)800 ℃以上,且儲(chǔ)熱能力強(qiáng),蓄放熱效率高。與液體蓄熱相比,反復(fù)蓄放熱易導(dǎo)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(jù)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(jìn)程穩(wěn)定易控的顯著優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用[12]。

固-液相變材料按照種類劃分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料[13-15]。無機(jī)相變材料具有腐蝕性、易過冷、相分離的缺點(diǎn),極大限制了無機(jī)相變材料在建筑中的應(yīng)用[16-18]。與無機(jī)相變材料相比,有機(jī)相變材料不易發(fā)生過冷、相分離,且綠色環(huán)保,固態(tài)成型好,在建筑蓄熱系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值[19]。對(duì)于復(fù)合相變材料,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)添加石墨能明顯提高傳熱效率。

3.3 熱化學(xué)蓄熱

與潛熱蓄熱方式相比,熱化學(xué)蓄熱的蓄熱密度有數(shù)量級(jí)的提升。根據(jù)蓄熱溫度的不同,將熱化學(xué)蓄熱分為高溫、低溫?zé)峄瘜W(xué)蓄熱。高溫?zé)峄瘜W(xué)蓄熱材料包括金屬氫氧化物、金屬氫化物、金屬碳酸鹽,低溫?zé)峄瘜W(xué)蓄熱材料包括結(jié)晶水合物、氨合物等[20-28]。

4 結(jié)晶蓄熱

溴化鋰結(jié)晶蓄熱是最常見的結(jié)晶蓄熱方式。溴化鋰結(jié)晶蓄熱系統(tǒng)流程見圖1。系統(tǒng)運(yùn)行過程分為蓄熱、放熱。蓄熱過程:天氣晴朗時(shí),閥16開啟,閥15關(guān)閉。太陽能集熱器收集的熱量通過結(jié)晶加熱器使溶液結(jié)晶腔內(nèi)的溴化鋰溶液不斷蒸發(fā)濃縮結(jié)晶,產(chǎn)生的水蒸氣在水蒸氣凝結(jié)腔內(nèi)的冷凝釋熱器表面放熱凝結(jié),加熱冷凝釋熱器內(nèi)的水,實(shí)現(xiàn)熱水供應(yīng)。

1—溶液結(jié)晶腔; 2—水蒸氣凝結(jié)腔; 3—結(jié)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(huán)泵; 9—溶液循環(huán)泵;10—凝結(jié)水循環(huán)泵; 11—溶液噴淋裝置; 12—凝結(jié)水噴淋裝置;13—隔熱板; 14—熱水循環(huán)泵; 15、16—閥門。

放熱過程:陰天及夜間,閥15開啟,閥16關(guān)閉。污水等低品位熱源通過低品位取熱器加熱噴淋的凝結(jié)水,汽化產(chǎn)生的水蒸氣在溶液結(jié)晶腔內(nèi)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(shí)現(xiàn)熱水供應(yīng)。隔熱板起到隔絕溶液結(jié)晶腔與水蒸氣凝結(jié)腔傳熱的作用。

結(jié)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(guān),在儲(chǔ)存時(shí)間上可以非常長(zhǎng),也不存在常規(guī)顯熱、潛熱蓄熱方式隨著儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng)散熱損失就越大的弊端。

5 蓄熱技術(shù)特點(diǎn)[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(yōu)點(diǎn):蓄熱系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,成本低廉,通常對(duì)環(huán)境友好。

缺點(diǎn):系統(tǒng)體積比較大,不適宜大容量長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱量,熱損失問題突出。要考慮強(qiáng)化傳熱以及膨脹性匹配的問題。

研究熱點(diǎn):創(chuàng)新蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化策略,有效控制蓄放熱過程中的熱損失。

② 潛熱蓄熱

優(yōu)點(diǎn):與顯熱蓄熱相比,潛熱蓄熱在控制溫度方面更具優(yōu)勢(shì)。蓄熱密度明顯高于顯熱蓄熱方式,同體積情況下可儲(chǔ)存更多熱量。裝置簡(jiǎn)單易操作,設(shè)計(jì)靈活,便于管理,造價(jià)低。

缺點(diǎn):相變過程中蓄熱材料熱物性會(huì)發(fā)生變化,許多有機(jī)蓄熱材料如脂肪酸類具有毒性以及很強(qiáng)的腐蝕性,易導(dǎo)致蓄熱材料與容器的相容性(相變儲(chǔ)能材料與儲(chǔ)存容器長(zhǎng)期相容的能力,從而保證儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)和減少污染的重要特性)降低。實(shí)際應(yīng)用中的相變分離問題影響系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。通常使用的相變材料熱導(dǎo)率比較低,且價(jià)格普遍比較高。

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

③ 熱化學(xué)蓄熱

優(yōu)點(diǎn):儲(chǔ)熱密度大,可最大限度節(jié)省儲(chǔ)存空間。蓄熱期間的熱損失非常小。

缺點(diǎn):蓄放熱過程復(fù)雜,難控制,需考慮系統(tǒng)嚴(yán)密性。蓄放熱循環(huán)中的傳熱傳質(zhì)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(jià)格高。

研究熱點(diǎn):新型蓄熱材料的研究與開發(fā),系統(tǒng)嚴(yán)密性控制及安全性監(jiān)測(cè)。

④ 結(jié)晶蓄熱

優(yōu)點(diǎn):陰天及夜間可持續(xù)提供熱能。結(jié)晶蓄熱形式節(jié)約空間,可在較低溫度下運(yùn)行,熱量損耗比較小。

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

研究熱點(diǎn):結(jié)晶蓄熱材料應(yīng)朝著低成本、高儲(chǔ)能密度、高循環(huán)穩(wěn)定性以及長(zhǎng)使用壽命方向發(fā)展。

6 結(jié)語

與其他蓄熱技術(shù)相比,結(jié)晶蓄熱技術(shù)提取低品位熱能進(jìn)行儲(chǔ)存,有利于低品位熱能的利用,后發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯。目前,蓄熱技術(shù)種類多樣且應(yīng)用范圍廣,在應(yīng)用于建筑供熱時(shí)要考慮不同建筑的供熱特點(diǎn),因地制宜,合理選取。在蓄熱材料特性以及蓄熱系統(tǒng)的多元供熱模式方面仍存在極大的技術(shù)挑戰(zhàn),也是今后的重點(diǎn)研究方向。