蓄熱冷器在采暖空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

蓄熱冷器在采暖空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽反射的地板熱在四季和24小時內(nèi)是不平衡的。從廢熱回收設(shè)備回收的廢水熱量也隨著時間的推移而顯著變化。這些能源的開發(fā)和使用只有依靠儲熱器才能實現(xiàn)經(jīng)濟和實用。一般采暖、空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用的蓄熱(冷)器可以分成顯熱蓄熱(冷)器(包括水蓄熱器、土壤蓄熱器、水—土壤蓄熱器)、潛熱蓄熱(冷)器、化學(xué)蓄熱(冷)器三種類型。1顯熱蓄熱器采暖瑞典、美國、加拿大、德國、英國、丹麥、意大利、荷蘭、俄羅斯、法國、瑞士、芬蘭、波蘭、羅馬尼亞、土爾其、印度等國都對蓄熱器蓄熱進行了理論研究,還設(shè)計建造了一些用于采暖、空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)的顯熱蓄熱器,已投入使用。從目前研究的進展情況看,瑞典處于領(lǐng)先地位。顯熱蓄熱器可以積蓄各種溫度的熱量,例如:深度為150～200m的石質(zhì)土中的水蓄熱器或含水層蓄熱器可積蓄溫度高200℃的熱量。采用平板式太陽能集熱器可以收集較低溫度的熱量用蓄熱器蓄熱,在用熱季節(jié)里直接取熱供使用,也可以用熱泵升高溫度后供用戶。目前為此目的使用的熱泵都是壓縮式熱泵,尚未見吸收式熱泵的報道。雖然熱泵要消耗能量,但它能提供輸入能量3～3.5倍的熱量。用蓄熱器結(jié)合熱泵供熱的經(jīng)濟性優(yōu)于常用的一些供暖方式,因為采暖、空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)對供熱溫度要求不高(工業(yè)上對供熱溫度往往要求高得多),采用熱泵的供熱系數(shù)就高(供熱溫度越高供熱系數(shù)越低)。隨著石油、煤等非再生能源的枯竭,熱泵結(jié)合蓄熱器回收大量較低溫度余熱、廢熱和太陽能具有獨特的優(yōu)點,是一項節(jié)能的有效措施。1.1蓄熱箱和太陽能供熱水的蓄熱能力很大,為4.187F(×106/m3·k)而卵石為3.7F,玄武巖2.58F,砂子2.21FF,石灰?guī)r1.845F,粘土1.28F,因此國內(nèi)外用天然水體和人造水池作蓄熱(冷)器的實例很多。我國南京五臺山體育館設(shè)計建造了蓄冷水池,目的為減少制冷設(shè)備的容重。日本自七十年代起,設(shè)有蓄冷(熱)水池空調(diào)系統(tǒng)的建筑,占同期竣工建筑的10%以上,并把采用這類系統(tǒng)放在省能、省資源、有效合理利用能源技術(shù)的首位。瑞典的波林蓋市附近用一個湖泊作為蓄熱器,并用功率為750kW的壓縮式熱泵從湖泊中獲取熱量。天熱時上層湖水溫度可達20℃,底部為16℃;夏季,底部溫度為1～5℃。在運行的第一年,供熱系數(shù)為2.3。地上式鋼制或鋼筋砼水池蓄熱箱的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)以及對環(huán)境觀瞻上的影響,一般均不如其它類型的蓄熱器好。但瑞典經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后,采用了容積為55×103m3的大型鋼板蓄熱水箱,用在斯德哥爾摩市西南50km處的居民點集中式太陽能供熱系統(tǒng)中,供住房總面積為5.5×104m2的525戶居民用熱。全年采暖供熱量3.2×109W·h/a,熱水供熱量為2.5×109W·h/a。丹麥等國對半地下式(圍堤式)和地下式水蓄熱器的熱工特性進行了研究。半地下式水池可用施工時挖出的土筑堤。地下式的做成倒截角錐形狀或倒截圓錐形狀,底部和斜坡均防水處理(通常用聚氯乙烯薄膜),頂部保溫。丹麥的林格比市一個有200棟二層樓房的住宅區(qū)建造了這類蓄熱水池,容積為49.4×103m3(見圖1),最高計算水溫為40℃,最低10℃。供熱量的80%直接取自于太陽能,20%由高峰壓縮式熱泵供給。瑞典在烏普薩拉市附近的居民區(qū)建造了一個太陽能供熱用的季節(jié)性蓄熱器,供550棟住宅用熱,蓄熱器容量為105m3,在石質(zhì)中的人造環(huán)狀蓄熱器離地面深30m(見圖2),蓄熱器底部水溫40℃,上水溫度90℃,內(nèi)表面不保溫。供熱量的60%來自太陽能,從三月至九月蓄熱,十月至第二年二月用壓縮式熱泵供熱。蓄熱器的造價僅為地下水池的50%。1.2蓄熱器系統(tǒng)土壤可以象井水或空氣一樣作為低品位熱源,用壓縮式熱泵吸熱向住宅供暖。一些西歐國家大量獨戶住宅已裝設(shè)了這類供暖系統(tǒng),據(jù)報道德國超過5萬套,瑞典超過1萬套。按德國的氣候條件,土壤蓄熱器占地面積為采暖房間的3～4倍。建造蓄熱器要在凍土下面埋設(shè)聚氯乙烯塑料盤管,若把盤管在水平方向或垂直方向布置成多排,占地面積就可小得多。目前已建成的大型土壤蓄熱器有:瑞典的庫拉維克和孔克斯巴卡兩地的二個均為垂直盤管土壤蓄熱器。一個用于向四棟總面積為3230m2、多戶住宅供暖的太陽能供熱系統(tǒng),蓄熱器平面尺寸為26m×26m,體積為8.1×104m3,地下盤管總長度為5600m。外區(qū)深12m處土溫為10～25℃;內(nèi)區(qū)平面范圍5m×5m、深8m處土溫為30～60℃,熱泵的功率為50kW,出冷凝器后熱媒溫度為50℃。另一個蓄熱器用于房屋面積為1.5×104m2的學(xué)校的太陽能供熱系統(tǒng),蓄熱器體積為8×104m3,盤管埋深35m,管道總長為42840m,按計算8年內(nèi)就可收回投資。瑞典的瓦烏爾魯斯的一個太陽能供熱系統(tǒng)在1983年初投入使用,采用的兩臺壓縮式熱泵每臺22kW。卵石蓄熱器體積為3500m3,用聚乙烯塑料管(內(nèi)徑為16mm)制盤管,管道豎向距離0.7m,平向間距0.6m,埋深為5～40m,管道總長8400m。蓄熱器的底部作防火處理,頂部和側(cè)壁隔熱,上部復(fù)土深1m(見圖3a)。系統(tǒng)用于總體積為2.5×104m3、總面積為8.6×103m2、年需熱量為341×106W·h/a的房屋供熱。蓄熱器的投資約占總投資的36%。荷蘭格羅寧根市的一個圓筒形季節(jié)性蓄熱器,用于太陽能供熱系統(tǒng),向100棟獨戶住宅供熱。蓄熱器直徑為40m,體積2.3×104m3,豎向盤管高20m(見圖3b)。盤管上部土中布置隔熱層。據(jù)計算,蓄熱器中土壤溫度變化范圍為20～60℃,蓄熱能力為2.7×106J(m3·K)。在這一季節(jié)性蓄熱器中央放有容積為100m3的短期蓄熱水箱。蓄熱器的能量總回收率為68%。1.3水—水—土壤蓄熱(冷)器含水層蓄熱器的含水層,是飽和的多孔固體層,有時也稱為“固體海錦”。含水層的厚度數(shù)米至數(shù)百米不等,經(jīng)含水層水的滲透流動速度通常為1.5～5m/a。在“充熱”時,由一組豎向含水層灌入熱水,由另一組豎井取出經(jīng)冷卻的水,在“取熱”時,水經(jīng)兩組豎井的流向相反(見圖4a)。瑞典研究了含水層和河流相結(jié)合的復(fù)合式蓄熱器。夏季,河水經(jīng)過熱交換器送入含水層;冬季,從含水層取出,經(jīng)熱泵供熱(見圖4b)。法國在維希市建造了體積為105m3的水—土壤蓄熱器,有120個深井,在片麻巖中深約65m。井群布置在約1600m2(36m×44m)的面積上,井管直徑150mm,水溫80～10℃,平均年效率為60%。因為井水直接與土壤接觸,為保護供熱系統(tǒng)避免結(jié)垢,在管路中設(shè)置了熱交換器。芬蘭“EKONOCONSULTINGENGINEERS”公司和赫爾幸基技術(shù)大學(xué)對石質(zhì)土中的深井蓄熱器進行了研究,在赫爾幸基的該公司實驗室的地下,按直徑6m的圓周上打了16個直徑50mm、深15.5m的豎井,水沿銅管流至井底,把熱量傳給土壤。熱量不僅來自太陽能,還利用通風(fēng)系統(tǒng)的廢熱(空氣溫度35℃)。冬季,用積蓄的熱量對通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)進行初加熱。2在冰蓄熱熱泵供熱潛熱蓄熱(冷)器中蓄熱(冷)物質(zhì)發(fā)生了可逆變的相變(融化和凝固、蒸發(fā)和冷凝),并伴隨著潛熱的吸收和釋放。在固—液相變蓄熱中,“充熱”時固態(tài)物質(zhì)融化,“取熱”時凝固。在液—氣相變蓄熱中,“充熱”時液態(tài)物質(zhì)氣化,“取熱”時凝結(jié)。對蓄熱物質(zhì)的要求是:熱容量大、蓄熱能力強,化學(xué)穩(wěn)定性好,融點低,對人體、動植物無害,價格低廉。如果相變溫度接近零度,蓄熱器用于供熱時對絕熱要求就可以低些,甚至不必保溫。但采暖設(shè)備要求熱媒有較高的溫度,這時就必須采用熱泵。用于供冷的冰蓄冷水池必須很好地保溫。裝填固—液相變物質(zhì)的潛熱(相變)蓄冷器,如冰蓄冷水池。目前,國內(nèi)外對冰蓄冷技術(shù)的研究與應(yīng)用實例,在眾多的期刊上已廣泛介紹,因篇幅所限,本文不再介紹。裝填液—氣相變物質(zhì)的潛熱(相變)蓄熱器,例如,蒸氣蓄熱器,目前國內(nèi)外應(yīng)用實例較多,如上海江南造船廠使用的由同濟大學(xué)研制的40m3蒸汽蓄熱器;南京3521廠使用的16m3蒸汽蓄熱器;德國使用的2000m3預(yù)應(yīng)力鑄鐵蓄熱器,儲300℃、100bar的過熱水等。3金屬氫化物的作用對裝填化學(xué)蓄熱器的物質(zhì)與潛熱蓄熱器同樣要求蓄熱能力強、腐蝕性小、無毒、價格便宜等,特別要求不燃燒、不爆炸、可逆反應(yīng)速度快、不產(chǎn)生副產(chǎn)品。目前,對于化學(xué)蓄熱器的研究還處于初步階段。丹麥、西班牙、挪威、美國和德國對裝填能吸收和放出氫的金屬合金的固—氣體化學(xué)蓄熱器進行了試驗研究,并已用于熱泵供熱、供冷系統(tǒng)。氫與金屬合金反應(yīng)形成氫化物時,會放出一部分氫離解為原子的離解熱,而當(dāng)外界供熱時,逆向反應(yīng)從氫化物中分解出氫?？赡娣磻?yīng)時,金屬合金體積變化不大,例如1升鑭鎳合金能吸收1.6L液氫,這時合金的體積只增大25%。這樣,氫化物就成了獨特的蓄熱物質(zhì)。在同樣體積下,某些氫化物比水多蓄熱6～14倍。氫化物可分為低、中、高三類,低溫的氫化物在低于0℃以下分解,高溫的氫化物在高于100℃以上分解。低溫氫化物分解出氫時的溫度還與裝填體積大小有關(guān)。利用低溫氫化物可大大降低環(huán)境介質(zhì)(空氣、水)的溫度(0～20℃)