北方清洁能源供暖技术研究进展与展望F

北方清洁能源供暖技术研究进展与展望李先庭清华大学建筑科学技术系2020/3/61.背景2.清洁供暖技术进展3.问题与误区4.展望与建议2目录3中国建筑能耗增长迅速建筑能耗增长速度快建筑能耗中空调、供热和热水能耗所占比例最大城镇化建设促使了建筑面积的快速增长2020300亿m2相对于2004年面积翻一番数据来源:清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告.北京：中国建筑工业出版社,2010.中国建筑能耗的增长42005年世界主要几个国家的建筑能耗情况圆圈的面积代表总能耗大小发达程度中国发达国家人均能源消耗量如果中国城镇人均建筑能耗达到美国人均建筑能耗的50%水平，预计2020年中国的建筑能耗将超过2005年中国能源供给总量中国如果走发达国家的能源发展模式，将出现灾难性的后果中国建筑能耗预测数据来源:清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告.北京：中国建筑工业出版社,2010.中国是目前世界上温室气体排放量最大的国家雾霾:燃煤供暖产生的颗粒物是雾霾的主要来源之一中国面临的能源与环境问题5中国面临的能源与环境问题6北方城镇采暖季雾霾天数明显增多源解析显示PM10/2.5与燃煤的关系Fig.2北京市冬季大气PM10源解析比例Fig.12014年北京市大气PM10与PM2.5逐日分布情况良冬季燃煤供暖对PM2.5的贡献率大，燃煤锅炉粉尘与污染物排放严重能源消耗总量控制(2020)全国能源消耗总量不超过40亿吨标煤总建筑面积不超过600亿m2建筑能耗总量不超过10亿吨标煤全国各地PM2.5浓度下降10%，重点区域降低幅度更大中国未来的能源与气候发展目标71billiontce2020BuildingEnergyconsumption(billiontce)各类政策促进热泵技术发展8“煤”改“电”热风型热水型李克强：促进节能减排低碳发展改善环境保护生态为了解决以上问题，实现能源与气候发展目标，清洁供热越来越受重视！1.背景2.清洁供暖技术进展3.问题与误区4.展望与建议9目录典型清洁能源技术应用情况-可再生能源2014年太阳能供热+生活热水装机容量占比（中国占70%以上）地热能的利用总热量逐年变化20072008天津地热供暖面积（万m2）12001300全国地热能总供暖面积（万m2）2400年增长率10%地热直接供暖面积增长情况可再生能源-生物质能源10典型清洁能源技术应用情况-各类电热泵11房间空调器几乎全是热泵型空调器空气源热泵热水机组强势进入热水市场0500010000150002000025000300001998200020022004200620082010工程应用总面积(万m2)年份North43%South8%Central18%East31%地源热泵的工程应用面积•中国制冷空调工业协会.中国空调热泵相关产品调研报告[M],2013•国家统计局，中国产业信息网•徐伟.中国地源热泵发展研究报告2008.北京:中国建筑工业出版社,2008.6060.45715.96235.27016.56268.56048.67564.383.6101.5110133.5020406080100120140160010002000300040005000600070008000201120122013201420152016热泵热水器内销数量（万台）家用空调器内销数量（万台）年份房间空调器热泵热水器67.678.187.389.297.217.120.024.026.927.00.020.040.060.080.0100.0120.020092010201120122013国内销售额（亿元）年份空气源热泵水/地源热泵房间空调器和热泵热水器空气源热泵和水/地源热泵各类热泵的销量和市场份额逐年增加空气源、地源热泵的工程应用面积增长迅速12典型清洁能源技术应用情况-清洁燃料利用传统生物质能煤炭石油天然气水能核能0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%18601880190019201940196019802000薪柴我国燃气与燃煤的消耗增长世界一次能源消耗变化情况-65-45-25-51535550501001502002502010201120122013201420152016年增长率[%]燃气采暖热水炉总销量[万台]燃气锅炉逐年销量情况日本燃气机热泵的出口与本土销量变化情况2.1热点技术进展-空气源热泵（1）低温性能改善变频技术机理：增加转速，提升制冷剂循环量，提高制热量缺点：不能解决压缩效率低及排气温度高的问题室内温度时间双级压缩技术机理：通过二次吸气，提升有效制冷剂循环量及制热量，并显著提升热泵在极低环境温度下的效率缺点：造价高、变工况及低压比制热效率低第1级第2级末端双级耦合技术132.1热点技术进展-空气源热泵14（1）低温性能改善三缸双级变容积比压缩机-15℃制热工况下热泵制热量达到额定制热量，COP达1.92～2.05W/W；-30℃制热工况下，热泵制热出风口温度可达45℃；54℃制冷工况下，制冷量比单级变频空调提高122%～136%，能效提高44%～47%。格力国家节能环保制冷设备工程技术研究中心针对普通单机双级增焓容积比固定，无法兼顾制热全工况内的能效要求的问题，开发了三缸双级变容积比压缩机。冷凝器蒸发器闪蒸器高压缸低压缸1低压缸2一级节流阀二级节流阀2.1热点技术进展-空气源热泵15（1）低温性能改善涡旋压缩机补气技术冷凝器蒸发器压缩机主膨胀阀经济器补气膨胀阀单向阀M调节阀机理：通过中间补气，提升有效制冷剂循环量，降低欠压缩损失，实现容量和效率双提升；缺点：极低温工况性能提升不及双级压缩清华大学王宝龙团队、北京工业大学马国远教授等团队在此技术领域开展了一系列研究。该项技术在北方地区煤改电中得到了广泛使用。制热工况下热泵制热量提升15%~35%；制热COP提升5%~15%2.1热点技术进展-空气源热泵16（1）低温性能改善转子压缩机补气技术揭示了补气回流是限制转子压缩机补气系统性能提升的关键！近30%的补气制冷剂将回流至吸气管清华大学王宝龙团队针对传统滚动转子压缩机制冷剂回流的问题，开展了无回流技术相关研究。00.10.20.30.4-20-15-10-505回流比[-]蒸发温度[℃]2.1热点技术进展-空气源热泵17（1）低温性能改善提出了新型无回流端面喷射结构2345678-15-10-505制热量[kW]蒸发温度[℃]45端面补气45端面不补气实验结果表明，新型端面喷射：①制热量：比常规单级提升了17.1%~31.0%，比双级只小1.2%~5.6%②COP：相比端面喷射不补气时，提升了7%~10%2.1热点技术进展-空气源热泵18（2）除霜抑霜技术蓄热除霜哈尔滨工业大学姜益强教授团队对多联机空气源热泵的相变蓄能除霜系统进行试验研究。采用相变材料在供热过程中蓄存热量用于除霜，解决除霜时热源不足的问题，缩短除霜时间，恢复时间短[1]。试验结果显示，相对于常规除霜系统，新系统除霜时间缩短了3.7%，COP达到了3.1，接近正常供热水平。多联机空气源热泵相变蓄能除霜系统原理图试验类型常规螺旋管室内机负荷率/%100100除霜时间/s505335化霜水质量/kg6.16.1常规除霜与蓄能除霜效果[1]姜益强,田浩,董建锴.多联机空气源热泵相变蓄能除霜特性试验研[J].制冷与空调,2012,14(8):102-105.2.1热点技术进展-空气源热泵19（2）除霜抑霜技术换热器表面改性抑霜北京工业大学刘中良教授使用亲水表面翅片，减少结霜量西安交通大学徐光华教授利用超声波降低结霜程度；东南大学梁彩华教授团队通过超疏水表面涂层减少结霜量，缩短除霜时间超声波作用下冷凝器结霜过程微观图[1]LiuL,WangHY,ZhangXH,etal.Anexperimentalstudyonminimizingfrostdepositiononacoldsurfaceundernaturalconvectionconditionsbyuseofanovelanti-frostingpaint[J].InternationalJournalofRefrigeration,2006,29(2):229-236.[2]WangD,TaoT,XuG,etal.Experimentalstudyonfrostingsuppressionforafinned-tubeevaporatorusingultrasonicvibration[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2012,36(1):1-11.2.1热点技术进展-空气源热泵20（3）无霜技术[1]高强.无霜空气源热泵系统的实验研究[D].哈尔滨工业大学,2011.[2]张晨,杨洪海,刘秋克,吴建兵.闭式热源塔用作空调冷热源的分析[J].建筑热能通风空调,2009,06:71-73.[3]Wen,X.,etal.(2012).Experimentalstudyonheattransfercoefficientbetweenairandliquidinthecross-flowheat-sourcetower.BuildingandEnvironment57:205-213.[1]LiZhang,MichiyukiSaikawa,TakeshiFujinawa.StudyonFrost-freeAirSourceHeatPumpWaterHeaterSystem[J].InternationalJournalofRefrigeration,2013,88(1023):37-42.[2]梁彩华,潘晓鹏,汪峰,等.基于调湿与蒸发冷却的无霜空气源热泵系统:中国.201610857703.5,2016-09-27.2.1热点技术进展-空气源热泵21（3）无霜技术-蓄热再生[1]WANGF,WANGZ,ZHENGY,etal.2015.Performanceinvestigationofanovelfrost-freeair-sourceheatpumpwaterheatercombinedwithenergystorageanddehumidification.AppliedEnergy[J],139:212-219.表面涂覆固体吸附剂西安交通大学王沣浩教授对基于吸附除湿的无霜空气源热泵进行了改进，在两级蒸发器的基础上增加了蓄热模块，并开展了相关的实验研究。与常规的逆循环除霜空气源热泵的性能比较(a)制热量(b)COP2.1热点技术进展-空气源热泵22（3）无霜技术－溶液再生方法清华大学李先庭教授团队采用冷凝热回收对内热型溶液再生装置进行了改进，再生器出口的湿空气在再生器和冷凝器之间不断循环，能够充分回收冷凝热，再生效率较高；东南大学张小松团队采用热泵系统对绝热型再生器进行了改进，利用热泵冷凝热加热溶液，蒸发器回收湿空气的潜热，并进行了模拟研究，结果表明，热泵COP能够达到4.3，再生潜热COP能够达到3.5，潜热百分比高达82%。冷凝热回收溶液再生再生装置热泵驱动型溶液再生装置[1]李先庭,石文星,王宝龙,等.一种溶液再生处理装置:中国.201210234947.X,2012-07-06.[2]文先太,梁彩华,刘成兴,等.基于空气能量回收的热源塔溶液再生系统节能性分析[J].化工学报,2011,62(11):3242-3247.2.1热点技术进展-空气源热泵23（4）空气源热泵与冷却塔相结合的复合热泵空气源热泵与冷却塔的结合清华大学李先庭教授团队提出了风冷换热器与冷却塔结合的热泵系统。风冷换热器弥补了冷却塔在冬季无法使用的缺点，而冷却塔则弥补了风冷换热器夏季散热效率低的缺点，二者搭配使用，优势互补，保障了热泵系统的高效和稳定运行；根据相关文献，空气源热泵与冷却塔结合的热泵系统，夏