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清洁供暖储热技术现状与趋势

作者:凌浩恕等 来源:储能科学与技术 发布时间:2020-06-04 浏览:
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摘 要:推进北方地区建筑冬季清洁供暖,是重大的民生工程、民心工程。目前清洁供暖技术种类繁多,各具特点,其中集成储热技术的清洁供暖技术是研究热点。为了全面分析清洁供暖储热技术发展现状和趋势,本文分析并总结了清洁供暖技术、储热技术的性能特点和发展现状,并结合二者的性能,分析了典型清洁供暖储热技术发展现状和趋势。结果表明,清洁供暖技术分为清洁燃煤集中供暖技术、天然气供暖技术、电供暖技术和可再生能源等其他清洁供暖技术。其中,利用储热技术的电供暖技术由于可以配合电网调峰,解决可再生能源电力波动性,受到了广泛的关注。储热技术分为显热储热技术、潜热储热技术和热化学储热技术。显热储热技术具有储热规模大、寿命长、成本低、技术成熟度高等优点,是研究最早、利用最广泛、最成熟的技术;潜热储热技术具有储热密度高、放热过程温度近乎恒定的优点,是目前主要研究和应用热点;热化学储热技术具有更大的能量储存密度可实现长期储存热能等优点,但处于实验室验证阶段。清洁供暖储热技术有逐步聚焦的趋势,主流技术包括水储热技术、高温固体电储热技术、相变电储热技术等。本研究可为我国北方清洁供暖技术设计和应用提供参考和依据。

关键词:清洁供暖;储热;显热储热;潜热储热;热化学储热

供暖能耗大、污染重一直是我国北方地区打赢“蓝天保卫战”面临的主要问题之一。数据显示,我国北方地区城乡建筑取暖总面积达206亿m2,且83%采用燃煤取暖,年消耗4亿吨标煤,占一次能源消费的9.17%,其中约2亿吨标煤为污染严重的散烧煤,烟尘产生总量相当于工业用煤的2.7倍。燃煤供暖不仅影响人居环境的改善,而且是北方地区冬季雾霾天气的主要原因之一。推进北方地区建筑冬季清洁供暖,是重大的民生工程、民心工程。

低谷电能储热的清洁供暖技术不仅可有效平衡电网负荷,提高电网的效率利用率,还可利用低谷电价政策,实现分布式供暖的低成本运行,是清洁供暖技术领域的研究热点。目前电能储热的清洁供暖技术在国内外得到了应用。

为了分析清洁供暖储热技术发展现状和趋势,本文首先对清洁供暖技术进行分析,总结现有清洁供暖技术形式及其特点。然后全面综述了储热技术的研究和发展现状,并在此基础上,结合清洁供暖技术和储热技术的特点,分析了典型面向清洁供暖的储热技术,为我国北方清洁供暖技术设计和应用提供参考和依据。

1 清洁供暖技术

清洁供暖技术是指通过高效用能系统,利用清洁化燃煤(超低排放)、天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热、核能等清洁能源,实现建筑低排放、低能耗的供暖技术。

根据能源种类,清洁供暖技术可以分为清洁燃煤集中供暖技术、天然气供暖技术、电供暖技术、可再生能源及其他清洁供暖技术,见图1。

图1   清洁供暖技术

1.1 清洁燃煤集中供暖技术

清洁燃煤集中供暖技术是对燃煤热电联产、燃煤锅炉房实施超低排放改造,使得烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度在基准氧含量6%条件下分别不超过10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的供暖技术,具备环保排放要求高、成本优势大等特点。清洁燃煤集中供暖技术被称为清洁供暖技术的主力军,对城镇居民清洁取暖、减少大气污染物排放起主力作用,供暖面积约35亿m2,占比17%。

清洁燃煤集中供暖技术尽管应用面积最大,但是多集中于建筑密度大的城市地区,而大多数农村地区由于建筑布局分散、地理位置偏远、负荷密度低,因而不具备采用清洁燃煤集中供暖技术的条件。

1.2 天然气供暖技术

天然气供暖技术是以天然气为燃料,采用脱氮改造后的燃气锅炉等集中式供暖设施或壁挂炉等分散式供暖设施,向建筑供暖的技术,具有燃烧效率较高、基本不排放烟尘和二氧化硫的优势。我国北方地区天然气供暖面积约22亿m2,占总取暖面积11%。

但是天然气供暖技术往往受到燃气管网的限制,城市地区和城郊农村实用性较强,而大多数农村地区由于成本和安全性的限制,燃气管网敷设不完整,无法实现天然气供暖。我国天然气对外依存度2018年已超过40%,大规模推广天然气取暖受到我国天然气资源的限制。

1.3 电供暖技术

电供暖技术是以电力为能源,利用电锅炉、热泵等集中式供暖设备或发热电缆、电热膜、储热电供暖器等分散式供暖设备,为建筑提供热量的技术。电供暖技术具有布置和运行灵活等优点,可广泛应用于城市和农村。我国北方地区电供暖面积约4亿m2,占比2%。

但是目前常规的直热式电供暖技术运行费用较高,应用可行性受到较大的限制。利用储热的电供暖技术得到了广泛的关注,其不仅可以利用峰谷电价配合电网调峰,还可以解决风电、光电等可再生能源电力波动性,促进可再生能源消纳,并逐渐成为研究和应用热点。

1.4 可再生能源及其他清洁供暖技术

可再生能源等其他清洁供暖技术包括地热、生物质能、太阳能、工业余热等清洁供暖技术,合计供暖面积约8亿m2,占比4%。

地热供暖技术是可再生能源清洁供暖技术应用最广的一种,供暖面积约5亿m2。地热供暖技术是使用换热系统,将地热资源中的热量提取,并给建筑供暖的技术。地热供暖技术虽然发展比较迅速,但是仍受到地热资源分布、冷热负荷不平衡、地下水回灌难等问题限制。

生物质能清洁供暖技术是指以生物质原料及其加工转化形成的固体、气体、液体燃料为能源,利用专用设备为建筑供暖的技术,包括达到相应环保排放要求的生物质热电联产、生物质锅炉等。生物质能清洁供暖技术供暖面积约2亿m2,受到生物质能来源和数量的限制,多应用于农村地区,无法保证建筑密度大的城市地区建筑供暖。

工业余热供暖技术是指通过余热利用装置,回收工业生产过程中的余热,并进行换热提质,为建筑供暖的技术。我国工业余热供暖面积约1亿m2。虽然我国工业生产的能源效率在20%~60%,余热总量非常巨大,但是工业生产的间歇性、远离生活区、供暖系复杂、投资较高等缺点限制了工业余热供暖技术的发展。

太阳能供暖技术是利用太阳能资源,通过太阳能集热装置向用户供暖的技术。由于太阳能具有间歇性和不稳定性,单独利用太阳能供暖技术需要大面积的太阳能集热装置,成本高、维护复杂,因此,太阳能供暖技术主要以辅助供暖形式存在,配合其它供暖技术共同使用,目前供暖面积较小。

2 储热技术

集成储热的电供暖技术可以降低供暖的运行成本、调节电网负荷,促进风电、光电等可再生能源电力的消纳,逐渐成为研究和应用热点。但是,集成储热的供暖技术的应用效果与储热有直接关系。

储热技术是以储热材料为媒介,将太阳能光热、电制热、地热、工业余热、低品位废热等热能进行储存,并在需要时进行释放利用,力图解决热能供给与需求间在时间、空间或强度上不匹配所带来的问题,最大限度地提高能源利用率而逐渐发展起来的一种技术。储热技术根据储热原理可以分为显热储热技术、潜热储热技术和热化学储热技术,见图2。

图2   储热技术

2.1 显热储热技术

显热储热技术是利用储热材料的热容量,通过升高或降低材料的温度而实现热量储存或释放的技术,是研究最早、利用最广泛、最成熟的技术,具有原理简单、材料来源丰富、对环境友好、成本低廉等优点,但通常也存在储能密度低、温度输出波动大、自放热与热损失大等问题。

根据储热材料的相态,常用的显热储热技术可以分为液体储热材料和固体储热材料。常见的液体储热材料包括水、熔盐、导热油、液态金属等,固体储热材料包括岩石、复合混凝土等。不同显热储热材料特点见表1。其中,水、导热油、岩石、混凝土等是最常见的低温(<120 ℃)显热储热材料,导热油、熔盐、岩石、混凝土等也是常见的中高温(120~600 ℃)显热储热材料,岩石和液态金属也是超高温(≥600 ℃)显热储热材料,但是液态金属技术尚不成熟,处于研究阶段。

表1   显热储热材料特点

2.2 潜热储热技术

潜热储热技术,又称相变材料,是利用储热材料在物相变化过程中吸收或释放大量潜热以实现热量储存和释放的技术,具有储热密度高、放热过程温度近乎恒定的优点。

根据储热材料工作过程中相态转变的基本形式,潜热储热材料可以分为固-气、液-气、固-固和固-液四类相变材料。其中,固-气和液-气相变材料在相变过程中存在体积变化大等问题,固-固相变材料存在相变潜热小和塑晶现象严重等缺点,相关研究和实际应用较少。固-液相变材料具有较大的相变焓、较小的体积变化,是目前主要研究和应用对象。

按照工作温度,固-液相变材料又分低温相变材料和高温相变材料。其中,低温相变材料主要包括聚乙二醇、石蜡和脂肪酸等有机物及无机水合盐,中高温相变材料主要包括无机盐、金属和合金等。不同的相变材料特点见表2。从表中可以看出,石蜡、无机水合物等低温相变材料技术成熟度相对较高,已实现部分材料的示范应用,但是仍存在导热系数低、腐蚀性、过冷度和相分离等问题;无机盐、金属等中高温相变材料虽然具有相变焓较大、密度较高等优点,但是相关材料腐蚀性、过冷度等问题仍需要进一步研究,目前技术成熟度较低,仍处于实验室研究阶段。

表2   相变材料特点

2.3 热化学储热技术

热化学储热技术是利用储热材料相接触时发生可逆化学反应进行热量储存和释放的技术,具有更大的能量储存密度、可在常温下无损失地长期储存热能等优点,但也存在技术成熟度不足、反应速率难以控制等问题。

根据反应特点,热化学储热技术可分为化学反应、吸附和吸收3种储热技术。其中,化学反应储热技术是基于不同化学物质的可逆反应;吸附储热技术是基于被吸附物向吸附剂表面的累积或聚集;吸收储热技术是基于被吸收物在吸收剂内的溶解或渗透。

按照工作温度,热化学储热材料可分为中低温热化学储热材料和高温热化学储热材料。其中,中低温热化学储热材料主要是利用水蒸气、氨气作为吸收剂和吸附剂,常见的材料体系见图3。高温热化学储热材料可以分为金属氢化物体系、有机物体系、氧化还原体系、氢氧化物体系、氨体系和碳酸盐体系,常见的材料见图4。

整体而言,不同的储热技术特点和技术成熟度见表3和表4。从表中可以看出,显热储热技术在储热规模、效率、寿命、成本、技术成熟度等方面具有较大的优势,但是储能周期较短、能量密度较低等方面也限制了其应用发展,特别是一些储热体积限制较大的应用场合。潜热储热技术具有较长的储能周期、较大的能量密度、较高的热效率和较长的使用寿命,但是其储能规模和成本仍需要进一步改善,其技术成熟度也需要进一步提高,以达到商业应用的要求。热化学储热技术在储热周期、能量密度等方面具有较大的优势,但是储能规模、效率、寿命、成本、技术成熟度需要进一步改善,且相关研究仍处于实验室验证阶段,需要大量的时间和经费进行基础研究以推进实际应用。

3 面向清洁供暖的典型储热技术

正如第2部分提到的显热储热技术和潜热储热技术基本成熟,已应用于清洁供暖系统,热化学储热技术仍处于实验室研究阶段。经过长期的发展,目前面向清洁供暖的储热技术有逐步聚焦的趋势,目前占主导地位的储热技术包括水储热技术、高温固体电储热技术、相变电储热技术等。

3.1 水储热技术

水储热技术是最早应用于清洁供暖系统的技术之一,其结构原理图见图5,主要是在谷值电价时利用电锅炉进行热水加热,储于储水罐;在峰值电价时利用储水罐热水供暖。水储热技术具有热效率高、运行费用低、运行安全稳定、维修方便等优点,在国内外都有很多应用实例,但是也存在储水罐体积较大、受占地空间限制等问题。

图5   水储热供暖技术原理图

在20世纪80年代初,欧洲已成功开发和运行水储热技术的电力供暖系统,以解决冬季供暖高峰负荷问题,美国也采用上述相关技术,并取得了很大成效。Verda等以都灵地区供暖系统为例证明,水储热系统可减少约12%的一次能源消耗和约5%的总成本。邵小珍等设计并建造了护国寺中医院水储热供暖系统,经过实际运行发现,锅炉出水温度可达到70 ℃,保证用户在室外温度较低时的采暖,锅炉房各项指标基本达到设计要求。麻延等采用水储热技术为北京市建筑质量监督总站进行供暖,运行结果表明,水储热技术供暖系统运行费用可较燃气锅炉省52%,且供暖效果佳,运行时间灵活。王昆对比唐山地区1万平米建筑采用120天供暖时间的燃气、地源热泵、市政、水蓄热等供暖技术经济效益,发现水蓄热供暖技术综合经济效益最佳,见表5。张旭等分析了宾馆水蓄热供暖技术技术可行性,发现水蓄热技术的投资回收期为1.3年,运行成本低于燃油锅炉和燃气锅炉。

表5   不同供暖技术的经济效益

3.2 高温固体电储热技术

高温固体电储热技术是在谷值电价时利用电加热设备直接将电能转化为热能,并储存于固体储热器;在峰值电价时与供暖系统热水进行换热,进而为建筑供暖的技术,其技术原理图见图6。高温固体具有储热密度大、储热温度高、储热体积小等优点,不但克服液体储热技术的缺点,而且兼具环保、高效、节能、安全等多项优势。

图6   高温固体电储热供暖技术原理图

国外对高温固体电储热技术的研究始于20世纪70年代,到80年代初,欧洲部分发达国家已开始进行实际应用。Sorour对高温固体电储热器进行了优化设计,发现蓄热材料大小、高度、换热流体流量以及输入热量是影响蓄热性能的主要参数。Laing等开发了高温混凝土蓄热示范模块,验证了模块在500 ℃的稳定性以及200~500 ℃环境中长期储热的损耗。我国在高温固体电储热技术应用已达到国际领先水平,但是目前研究多为应用形式的设计和经济性的分析,对于技术涉及的传热传质过程等基础研究缺乏深入的探讨。刘晓东设计了一种固体电储热供暖装置,利用氧化镁砖和热管组成封闭的储热单元,降低氧化镁砖固体的氧化速度。朱建新提出了一种带预制固体热能存储装置的供热系统,利用金属伞裙把固体储热材料分段,减小大范围开裂损坏的危险。葛维春等对固体电制热储热供暖机组,利用室内温度需求、建筑物耗热量、建筑物热指标、采暖季热负荷、储热机组加热功率与蓄热量等5个指标提出一种经济性配置方法。苗常海等通过临界电价法分析水储热、高温固体储热、市政供暖技术、相变电储热技术的经济性,发现水储热、高温固体储热技术相比市政供暖更具经济可行性,且前者的经济性最好。曲弘等验证了高温固体电储热供暖技术对于实行峰谷电价地区的非居民项目具有显著的经济效益。陈彬等分析了高温固体电储热供暖技术不仅具有一定的经济效益,更可产生环境效益,增大低谷段的风电和核电等清洁能源消纳能力。表6为北京某供暖面积200万m2电蓄热方案经济性对比,从表中可以看出高温固体电储热技术的经济性优于水储热技术,且采用花岗岩为固体储热介质的经济性明显好于以镁铁砖为固体储热介质。

表6   不同供暖技术的经济效益

3.3 相变电储热技术

相变电储热技术是近些年开始发展的技术,具有储热密度高、储释热过程温度恒定等优点。目前,相变电储热技术结构主要有两种:一种是类似于水储热技术,将相变储热装置替代储水罐,在电价谷值时,开启电锅炉制热,并利用相变储热装置将热量进行储存,在电价峰值时,相变储热装置为建筑供暖;另一种类似于高温固体电储热技术,将相变材料做成相变材料砖,并放置于固体储热器中,在电价谷值时直接储存电加热装置的热量,在电价峰值时为建筑供暖。

Brousseau等通过模拟证明,相变电储热装置在家用电采暖领域具有很大的应用价值。与高温固体电储热技术类似,我国相变电储热技术领域的研究也多为应用形式的设计和经济性的分析,需要加强对相变电储热传热机理等基础内容的研究。丁玉龙等设计了一种集产热、储热、供热于一体的复合相变材料蓄热式电热供暖系统,利用缠绕方形翅片的换热盘管提高盘管与相变储热材料之间的换热效率。他们还提出一种油浸式相变储热电暖器,利用导热油完全浸泡相变储热模块,解决了目前储热式电暖器储热容量小、体积和重量大、导热性能不高等问题。童敏等设计了一种相变储热峰谷供暖系统,利用电加热管在谷电时为相变储热装置储热,在峰电时为用户端供暖。何淋等也设计一种由箱体、电加热装置、相变材料组成相变蓄热供暖装置,可利用相变材料将用电谷期的电能储存起来,然后在其他的时段输出并提供持续稳定的热水。相虎昌等在天津某商业建筑应用相变电储热技术,并发现该技术运行费用仅为燃气锅炉供暖系统的84.5%。张继皇等开发了一种相变电储热装置,并应用于天津水游城,应用结果显示,该系统运行效率为97.5%,较原采暖系统运行费用可节省64%。贺鑫等对比了水蓄热技术和相变蓄热技术的区别,发现相变蓄热技术多为恒温放热,热稳定性优于水蓄热技术。尽管如此,但是相变蓄热材料成本较高,相变蓄热技术初投资高于其他技术,投资回报期也高于其他技术,如表6所示。

4 结论

(1)清洁供暖技术可以分为清洁燃煤集中供暖技术、天然气供暖技术、电供暖技术和可再生能源等其他清洁供暖技术。其中,集成储热技术的电供暖技术由于可以利用峰谷电价配合电网调峰,解决风电、光电等可再生能源电力波动性,促进可再生能源消纳,受到了广泛的关注,并逐渐成为研究和应用热点。

(2)储热技术可分为显热储热技术、潜热储热技术和热化学储热技术。显热储热技术具有储热规模大、寿命长、成本低、技术成熟度高等优点,是研究最早、利用最广泛、最成熟的技术;潜热储热技术具有储热密度高、放热过程温度近乎恒定的优点,是目前主要研究和应用热点;热化学储热技术具有更大的能量储存密度可实现长期储存热能等优点,但处于实验室验证阶段。

(3)清洁供暖的典型储热技术有逐步聚焦的趋势,主流技术包括水储热技术、高温固体电储热技术、相变电储热技术等。水储热技术是最早应用于清洁供暖系统的技术之一,运行成本低于燃油锅炉和燃气锅炉;高温固体电储热技术的经济性优于水储热技术,且采用花岗岩为固体储热介质的经济性明显好于以镁铁砖为固体储热介质;相变电储热技术可恒温放热,热稳定性优于水蓄热技术。

引用本文: 凌浩恕,何京东,徐玉杰等.清洁供暖储热技术现状与趋势[J].储能科学与技术,2020,09(03):861-868. (LING Haoshu,HE Jingdong,XU Yujie,et al.Status and prospect of thermal energy storage technology for clean heating[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):861-868.)

第一作者:凌浩恕(1988—),男,博士,助理研究员,从事蓄热蓄冷等储能技术研究,E-mail:linghaoshu@iet.cn;

通讯作者:徐玉杰,研究员,研究方向为大规模物理储能技术研究,E-mail:xuyujie@iet.cn。

关键字:储热技术

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