跨季节复合储热用于供热的研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、,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
7、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
8、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
9、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
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