蓄冷与蓄热技术应用

蓄冷与蓄热技术应用王宝龙2城市用电负荷波动明显背景1—电力“移峰填谷”背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结02468100:002:305:007:3010:0012:3015:0017:3020:0022:30用电负荷（kMW）2005年2006年2007年2008年2009年深圳市夏季典型日用电负荷变化3城市用电负荷波动明显深圳市冬季典型日用电负荷变化0123456789100:002:305:007:3010:0012:3015:0017:3020:0022:30负荷（kMW）2005年2006年2007年2008年2009年背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—电力“移峰填谷”4空调采暖用电是城市用电的重要组成部分44.4%年最大负荷空调用电负荷Max上海背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—电力“移峰填谷”5空调采暖用电是城市用电的重要组成部分57.5%年最大负荷空调用电负荷Max重庆背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—电力“移峰填谷”6空调采暖负荷昼夜变化剧烈020406080100120140024681012141618202224单位面积负荷强度（w/m2）小时（h）上海地区典型办公建筑夏季设计日负荷变化背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—电力“移峰填谷”7空调采暖负荷昼夜变化剧烈01020304050607080024681012141618202224单位面积负荷强度（w/m2）小时（h）上海地区典型办公建筑冬季设计日负荷变化背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—电力“移峰填谷”8结论：城市电网用电负荷波动明显空调采暖负荷是城市用电负荷的重要组成部分空调采暖负荷昼夜大幅变化是城市用电负荷变化的影响因素之一背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—电力“移峰填谷”9如果发电装备容量调节性能差或快速性不足，则可能导致电网电压和频率的变化，影响电网的安全运行增加发电装备的装机容量•发电设备装机容量需要按照尖峰用电需求设计，投资大降低发电装备的平均效率•非用电高峰时，发电设备需要降载运行•部分载荷时发电设备效率降低背景1—用电负荷波动的危害背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结10供电侧管理：•主机调峰：复合电网结构使用调节特性好的当地发电机组：水电机组：负荷调节速度快；燃气轮机：调节速度较快，能满足日负荷变化调节•蓄能调峰：抽水电站：快速，但建设周期长，效率60%~70%压缩空气：与天然气混合进入燃气轮机发电超级电容、蓄电池：蓄存效率高；价格昂贵；多用于风电、光伏电力性能改善背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—用电负荷波动的应对12需求侧管理（DSM）技术•对于直接使用电力的生产过程，通过电价等手段鼓励其错峰用电•对于需要将电力转化为其他能源使用的生产和过程，则要考虑转化能源的储存•基于空调用电在推高城市尖峰用电，拉大峰谷用电量差中的重要影响，发展空调用冷/热蓄存是降低电网峰谷差的有效手段！背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—用电负荷波动的应对13在不需冷量时间利用制冷/热设备将蓄冷介质中的热量移出/充入，进行蓄冷/蓄热，然后将此冷量/热量用在空调用冷/热高峰期背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景1—蓄冷/蓄热技术14建筑室内需求温度介于冬夏室外温度之间背景2—冷能/热能的季节转移℃-10-20-3001020304028℃夏季18℃室内需求温度范围热源冬季26℃背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结15通过季节性蓄冷/蓄热，冬/夏季的室外自然冷/热能可用于建筑的供冷和供热℃-10-20-3001020304028℃夏季18℃室内需求温度范围热源天然冷冬季天然热26℃背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结背景2—冷能/热能的季节转移16背景3—减小制冷/热主机装机容量通过长周期（数天）蓄冷/蓄热，减小建筑的制冷制热设备的装机和电力增容容量，提高室内环境保障质量忙时闲时17利国：通过蓄冷、蓄热，建筑用能可在短周期内实现“移峰填谷”，降低电网用电负荷波动，从而降低发电设备装机容量，提高发电设备发电效率，保证电网安全；利民：（1）分时电价和设备补贴政策的实施能有效降低用户带蓄冷、蓄热空调系统的运行费用和初投资；（2）季节性蓄冷和蓄热能实现冬夏自然冷热能的利用，是建筑节能的技术手段之一；（3）降低制冷及电力设备容量，提高保障质量。背景—小结背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结18热能蓄存（TES）装置分类：蓄存机理热泵蓄存显热蓄能液体固体潜热蓄能固液相变气液相变热化学蓄能吸收/吸附蓄能吸收蓄能吸附蓄能化学蓄能背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结19蓄热介质潜热蓄热材料高温类（120℃~850℃）单纯盐混合盐金属碱低温类（0℃~120℃）有机物化合物石蜡脂肪酸类其他（赤藻糖醇）低共熔体无机物化合物盐的水合物氢氧化物水合物包合物低共熔体显热蓄热材料：水、岩石、土壤等潜热背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结20与蓄冷不同，周围环境中存在大量的免费热源，所以蓄热热量除来自自身产热，也可来自环境热源。因此，蓄热热源包括：•电热：电力直接产热•热泵：通过高品位电力和热力输入，从环境总获取热量，最终实现热量增量供给•太阳能：通过太阳能集热器产热•工业余热：工业生产过程产生蓄热热源背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结21利用低谷电时间进行蓄热，所蓄的热量白天采暖及生活热水使用。蓄热材料MgO（氧化镁）等，蓄热温度达到800℃左右。蓄热装置：固体蓄热电锅炉背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结22采用高温水或者蒸汽进行蓄热蓄热装置：蒸汽蓄热电锅炉背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结23蓄存太阳能用于供暖或生活热水蓄热装置：太阳能集热器背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结24通过热水或者直接电热在电力低谷或者热水生产高峰时蓄存热量，用于电力高峰供暖。蓄热装置：带相变蓄热的地板辐射采暖背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结25蓄热可通过利用低谷电时间（电锅炉或热泵）进行蓄热，满足白天采暖及生活热水需求，可实现电力的“移峰填谷”。蓄热如采用太阳能或工业余热等免费热源，可实现建筑的有效节能。一般，蓄热设备与原热源并列使用，因此系统设计和运行方法简单或与蓄冷相同，后续不再单独讨论。蓄热技术—小结背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结26蓄冷装置特指实现冷量存入与放出的部件。譬如：蓄冰槽、蓄冷水罐。蓄冷装置的特性直接决定蓄冷系统的性能。关键的蓄冷装置特性包括：•蓄冷密度：单位体积蓄冷量•蓄冷速率：单位时间能蓄存冷量与总蓄冷量的百分数•取冷速率：单位时间能取出剩余冷量的百分数蓄冷装置背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结27除季节性蓄冷外，环境中缺少可免费获取的自然冷源，因此，蓄冷冷量一般需要通过人工制冷设备（冷水机组、制冰机）获得。蓄冷冷源背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结28蓄冷介质•要求：单位体积蓄冷量大、换热能力强、过冷度小、腐蚀性毒性小、性质稳定•常用：水、冰、共晶盐、气体水合物等载冷介质•要求：凝固点低于蓄冷介质、性质稳定、粘度低、腐蚀性毒性小•常用：乙二醇溶液、丙三醇溶液、水等蓄冷介质与载冷介质分隔•要求：高导热、抗腐蚀、能形变•常用：金属、塑料、高分子材料或者没有蓄冷装置构成背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结29常用蓄冷装置分类分类类型主要生产厂家蓄冷介质蓄冷流体取冷流体显热式水蓄冷水水水潜热式冰盘管（外融冰）B.A.C，Evapco(益美高)(美国、日本)冰制冷剂水载冷剂冰盘管（内融冰）蛇形BAC，RH圆形Clamac(高美)蛇形Fafco冰载冷剂载冷剂封装式冰球:CIAT/西冷/台佳冰板:开利/台佳蕊芯球:台湾/华源冰或其它共晶盐载冷剂载冷剂冰片滑落Mueller,Turbo(美国)冰制冷剂水冰晶（生成于盐水中或者过冷水中）Mueller.MaximalceY.T.LiSunwell(加拿大)气体水合物（中国）冰或其它水混合物气体水合晶体制冷剂载冷剂水或载冷剂背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结30利用冰的融解潜热，335KJ/Kg蓄冷密度：0.02～0.025m3/kWh制冷机应提供-3～-7℃的温度，它低于常规空调用制冷设备所提供的温度（这意味着需要选用专用制冰机组或者双工况（制冷+制冰）机组）冰蓄冷特征背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结31将蓄冷介质封装在球形或板形小容器内，并将许多此种小蓄冷容器密集地放置在密封罐或开式槽体内，从而形成封装式蓄冰装置。封装冰蓄冷冰板蕊芯冰球冰球背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结32蓄冷时：低温载冷剂从罐底流入，高温载冷剂从罐顶流出释冷时：高温载冷剂从灌顶流入，低温载冷剂从罐底流出封装冰冰槽结构背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结33蓄冷•蓄冷速度慢：冰的热阻及内部自然对流热阻大•载冷剂平均水温影响大封装冰蓄冷及释冷特点背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结34释冷•出水温度高，释冷速率低•需要载冷剂释冷，出水温度5~7℃，一般替代常规冷源（而非低温冷源）蓄冷及释冷特点背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结35冰盘管式蓄冷装置是由沉浸在水槽中的盘管构成换热表面的一种蓄冰设备，蓄冷时载冷剂通过管内，冰在管外冻结。主要冰槽形式盘管冰蓄冷蛇型盘管圆型盘管U型盘管背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结36蓄冷特点•管内流速高（处于过渡流或者湍流），换热系数大•冰的热阻大，后期蓄冷效率低•管外自然对流，换热系数小，非完全冻结式可采用空气搅拌•末期管材导热系数对蓄冷性能影响不大盘管式冰蓄冷背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结37盘管式外融冰系统简化原理图38外融冰释冷特点•温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面上的冰层自外向内逐渐融化•换热效果好，取冷快，供水温度低（1~2℃）盘管式冰蓄冷取冷量和液位变化曲线012345678910111213012345取冷时间（H）取冷温度（℃）05101520253035404550556065取冷量（RHT）存冰量ＩＰＦTinlowToutupQＩＰＦ背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结39外融冰释冷特点•理论上不需要二次换热装置•不可搭接（nonice-bridging），蓄冰率(IPF)不大于50%，故蓄冰槽容积较大盘管式冰蓄冷背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结40内融冰释冷特点•来自用户或二次换热装置的温度较高的载冷剂在盘管内循环，使盘管外表面的冰层自内向外逐渐融化进行取冷•冰层自内向外融化时，由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系统仅为冰的25%左右，导致取冷速率低，水温高盘管式冰蓄冷背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结41盘管式内融冰系统简化原理图FCU/AHU42盘管式冰蓄冷：取冷速率22.5%20%17.5%15%背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结43蓄冷特点•管材导热系数对蓄冷性能影响不大•管内流速低，阻力大•管外自然对流，换热系数小•完全冻结式释冷特点•残冰量大•取冷温度高•不能搅拌圆型及U型盘管冰蓄冷背景蓄热技术蓄冷装置蓄冷系统设计与运行总结44主要盘管蓄冰槽制造厂B.A.CClamac(高美)Fafco管外径mm26.67(钢制)16(塑料制)6.35(塑料制)冰层厚度mm约30.0约12.0约10.0盘管外表面积m2/RTH0.621.81.56蓄冰槽体积m3/RTH0.0780.0630.061乙二醇溶液量Kg/RTH4.13.62.2冰/水体积m3/RTH0.0480.0380.038蓄冰装置重量Kg/RTH94.365.81流动、阻力mH2O～7.5～11.5～7.5背