北方清洁能源供暖技术研究进展与展望F.ppt

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 1 14 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 2020 300亿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 4 2005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 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 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 7 2020 BuildingEnergyconsumption 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 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 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 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 我国燃气与燃煤的消耗增长 世界一次能源消耗变化情况 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 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 双级耦合技术 13 2 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 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 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 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 实验结果表明 新型端面喷射 制热量 比常规单级提升了17 1 31 0 比双级只小1 2 5 6 COP 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 常规除霜与蓄能除霜效果 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 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 COP 2 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 夏季能效能够提高13 30 1 李筱 蒸发冷换热器的实验 仿真与应用研究 D 清华大学 2013 103 2 1热点技术进展 空气源热泵 24 5 空气源热泵用于电网调峰 清华大学江亿团队提出可以采用空气源热泵作为虚拟调峰电厂运行 并对其可行性进行了论证 可有效解决电网负荷的峰谷变化问题 同时提高电厂发电效率 减少农村燃煤采暖带来的能耗及污染问题 并提高了室内的舒适性 以京津唐电网为例 2 2热点技术进展 地源热泵 25 25 1 马宏权 龙惟定 地埋管地源热泵系统的热平衡 暖通空调 2009 39 1 102 106 2 范蕊 高岩 陈旭 等 基于热平衡的土壤源热泵系统特性分析 同济大学学报 自然科学版 2011 39 2 282 286 3 YouT etal DynamicSoilTemperatureofGround CoupledHeatPumpSysteminColdRegion Proceedingsofthe8thISHVAC SpringerBerlinHeidelberg 2014 439 448 供热为主的建筑取热量 排热量土壤温度下降系统性能衰减甚至无法运行 1 北方地源热泵的长期土壤热不平衡 2 2热点技术进展 地源热泵 26 2 地源热泵系统热平衡技术 辅助设备补热或减少取热锅炉 哈尔滨工业大学等 可靠性高能效比低 高能低用太阳能集热器 大连理工等 绿色环保初投资高 运行维护困难空气源热泵节能性有待进一步提高 土壤 辅助设备 地源热泵机组 地源热泵生活热水机组 地埋管 生活热水水箱 分 集水器 热源系统 用户房间末端 供热系统 生活热水泵 采暖热水泵 取热水泵 取热水泵 生活热水循环水泵 运行模式 地源热泵机组供暖地源热泵机组供空调地源热泵机组供生活热水补热机组补热 热管 热泵补热机组供生活热水 2 2热点技术进展 地源热泵 2 地源热泵系统热平衡技术 清华大学李先庭教授团队提出结合热泵和热管功能的补热机组 用该机组实现了非供暖期制取生活热水和向土壤补热 供暖初末期直接供热 可实现土壤全年热平衡 补热机组原理 充分利用热管技术和热泵技术各自优势充分利用空气蕴含的低品位能量实现夏热冬用可靠 节能 经济夏季制热能效比可达13以上 2 2热点技术进展 地源热泵 2 地源热泵系统热平衡技术 2 2热点技术进展 地源热泵 29 3 风冷换热器与地源热泵相结合的复合热泵 针对地埋管地源热泵存在的热不平衡问题 清华大学李先庭教授团队提出了风冷换热器与地埋管结合的热泵系统 风冷换热器与地源热泵的结合 风冷换热器与地埋管结合 可有效解决地源热泵热不平衡问题 三大功能 供暖 供冷 补热 根据相关文献 风冷换热器 地源热泵系统 与传统的锅炉 分体空调系统相比 节能率可达24 34 1 游田 王宝龙 石文星 空气 土壤双源热泵系统在我国北方地区的应用 J 暖通空调 2016 12 40 45 2 2热点技术进展 地源热泵 30 4 新型埋管技术 新型埋管技术桩基埋管 山东建筑大学方肇洪教授团队等 地下连续墙 同济大学夏才初教授团队等 地铁隧道青岛理工大学胡松涛教授团队等 2 2热点技术进展 地源热泵 31 5 降低埋管数量技术 辅助设备 辅助设备直接或耦合供热哈尔滨工业大学等提出 锅炉地源热泵承担60 热负荷 锅炉承担40 热负荷时最经济空气源热泵清华大学李先庭教授团队等提出复合补热机组与地源热泵耦合供热空气源换热器 已有热泵机组提高热泵机组供暖性能制热量最大提高35 系统COP提高17 减少埋管数量减少至60 32 2 3热点技术进展 太阳能等可再生能源 天津大学由世俊团队针对太阳能作为驱动源驱动吸收式热泵为教学楼供热 节能效果显著上海交通大学王如竹团队针对太阳能发电驱动的电热泵进行了样机的开发和生产 1 太阳能驱动热泵 33 2 3热点技术进展 太阳能等可再生能源 阳光充足 仅需太阳能热水单元运行加热蓄热水箱中的水 当阳光不足 需开启空气能热泵热水单元 共同加热蓄热水箱中的水 为用户提供热水需求 当阴雨天或夜晚 需运行空气能热泵热水单元 太阳能热水单元运行停止 夏季热泵供冷 太阳能供生活热水 夜间蓄冷 用户侧取冷及太阳能供生活热水 冬季太阳能热泵供热模式 太阳能蓄热模式 蓄能热泵供热模式 空气源热泵供热模式 空气源和蓄热联合供热模式 空气源和太阳能热泵供热模式 2 太阳能空气源热泵 2 3热点技术进展 复合源热泵 34 太阳能与空气源热泵结合 清华大学李先庭教授团队提出了太阳能与空气源结合的热泵系统 风冷换热器弥补了太阳能集热器的不稳定及夜间或阴雨天气无法使用的缺点 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 三大功能 太阳能直接制热模式 太阳能空气源热泵模式 空气源热泵模式 除霜模式 根据相关文献 太阳能与空气源结合的热泵系统 一次能源效率可达1 13 与太阳能集热器 电加热系统相比 节能率达58 集热型蒸发器 1 冉思源 李先庭 徐伟 新型间联式太阳能空气源热泵用于供热的效果分析 J 暖通空调 2016 12 8 14 2 太阳能空气源热泵 35 2 3热点技术进展 太阳能等可再生能源 100m 1km 2km 10 20 40 50 70 通过更深层的地热热源 可以提取高于70 的高温水用于直接供热也可通过封闭埋管采集深层地热 通过热泵提升后用于供热 3 地热能利用 打井直接利用地热 封闭埋管采集深层地热 36 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 直接式显热回收 1 王智民 天然气锅炉烟气余热回收与效率 区域供热 2003 04 第18 19页 2 徐俊芳 王随林 潘树源 等 天然气锅炉烟气冷凝热回收利用技术工程应用方案探讨 J 暖通空调 2009 11 128 132 3 Sui linW ChunleiZ ShuyuanP etal StudyonApplicationofHeatRecoveryTechnologyofFlueGasCondensationintheReformofGasBoiler TheFirstInternationalConferenceonBuildingEnergyandEnvironment 2008 C 冷凝式锅炉 1 燃气锅炉与高效热回收 直接热回收法 吸收式热泵热回收 进风空气加湿热回收 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 37 2 燃料驱动吸收式热泵 燃料锅炉直接供热的一次能源效率 1 0 李先庭等 燃料锅炉驱动吸收式热泵供热1份燃料转换化为热量时 还可从外界提取热量 一次能源效率 1 0 增压吸收式热泵 GAX吸收式热泵 双效吸收式热泵 能效比更高可运行范围更广 38 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 增压型吸收式热泵 2 燃料驱动吸收式热泵 GAX循环 1 34 1 96 1 37 1 51 39 提高网输送能力50 80 提高电厂供热能力30 50 降低供热能耗40 60 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 3 吸收式换热器实现大温差换热 清华大学江亿院士团队提出吸收式换热器 实现了供热管网100度以上的大温差及电站冷凝热的回收 立式结构 六级自流 较强的自稳定与自平衡性能 各传热传质过程分级 形成冷凝与蒸发压力梯度 大幅度减少不匹配耗散 实现了非常好的运行效果 比用常规卧式机组性能提高了30 以上 小型化设计 占地1 3m2 40 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 3 吸收式换热器实现大温差换热 清华大学江亿院士团队开发出立式吸收式换热器 实现了楼宇规模的应用 41 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 4 工业余热供热 清华大学江亿院士团队提出工业余热采集 整合 输配及利用的系统方法 实现了工业余热供暖的规模化应用 42 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 5 燃气机热泵 发动机 压缩机 燃气机热泵结构原理图 燃气机热泵机组构造 环境温度 发动机转速 不同系统的性能比较 环境温度越高 系统的制热量和一次能源效率越高与电热泵规律基本一致 具有很好的部分负荷特性调节特性更加符合适应于不同温度下的调节 存在热回收 故一次能源效率大于电热泵与吸收式热泵各自有适应的供热区域 2 4热点技术进展 清洁燃料供暖 43 6 生物质燃料冷热电联供系统 基于内燃机发电的生物质热电联供系统 基于燃气轮机发电的生物质热电联供系统 生物质 生物质 利用可再生的生物质能源可以减少化石燃料的利用进一步节能系统与吸收式热泵 内燃机发电机组或者燃气机热泵机组均可有机结合 1 背景2 清洁供暖技术进展3 问题与误区4 展望与建议 44 目录 45 1 空气源热泵容量设计平衡点 常规的设计选型方法存在的问题 设计选型容量偏大 初投资大 部分负荷运行时间较长 设备率高 效率低 计算模型 地点 北京 建筑用途 住宅 总面积 1050m2 负荷计算软件 DeST h 采暖季 11 15 次年3 15假设 拟合建筑负荷与外温的曲线空气源热泵采用样本负荷率 建筑负荷 制热能力 建筑负荷与不同的设计温度下机组制热能力 46 1 空气源热泵容量设计平衡点 不同外温的小时数与对应的机组负荷率 注 热泵初投资按照额定供热量1 2元 W计算 供热量不足的部分用燃气锅炉补足 初投资单价为0 2元 W 机组的不同负荷率的运行时间与初投资对比 满负荷设计系统的高负荷率 80 运行时间小于1 设计时的1 10 满负荷设计系统的低负荷率 30 运行时间是1 设计时的4倍以上 较大的选型势必会带来水泵风机等附属设备的能耗增加 低负荷率运行时间越长 其季节COP会越低 按照满负荷设计时 机组的初投资是按照1 设计时的两倍以上 47 1 空气源热泵容量设计平衡点 通过相对较高的设计参考温度可以提高机组的部分负荷性能 同时还可以在一定程度上减小初投资 低温工况如何保障 48 2 可再生能源是否一定节能 以太阳能为例 建筑模型假设与计算方法 将太阳能 电加热系统和空气源热泵分别用于供热 比较一次能源效率 建筑面积100m2 取北京 成都 沈阳 拉萨作为典型城市 空气源热泵性能取自产品样本 性能拟合公式为COP 2 3026 0 0038 T0 1 0 01556 T0 式中T0为环境温度 典型城市气象条件和太阳能 电加热系统设计参数 太阳能 电加热供暖案例分析 49 2 可再生能源是否一定节能 以太阳能为例 太阳能 电加热系统的一次能源效率为0 38 0 61 低于空气源热泵的0 71 0 92 太阳能 电加热系统中 来自太阳能的能量占比 太阳能保证率 较低 只有20 50 因此辅助热源对整个系统的能效有较大影响 以电加热作为辅助热源造成系统能效较低 一次能源效率和太阳能 电加热系统中太阳能占比 太阳能 电加热供暖案例分析 50 3 供暖温度问题 地板辐射采暖的供水温度一般低于60 有的采用30 40 的供水温度也能达到良好的供热效果 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 JGJ26 2010 换热站不宜直接提供温度低于60 的热媒 城镇供热管网设计规范 CJJ34 2010 以热电厂或大型区域锅炉房为热源时 设计供水温度可取110 150 现国内暖气片供水温度过高问题 供水70 时 散热器表面会散发烤糊的灰尘或是有害气体 1 存在较大的垂直方向上的温度差 温度分布不均 供回水温度高 造成高品位能源浪费 城市热力管网设计规范 GJJ34 90 规定设计供水温度为95 70 国内许多工程的设计供回水温度 85 60 80 60 70 50 丹麦 芬兰 供回水温度70 40 2 波兰 供回水温度80 60 的 欧洲标准EN442 供回水温度未来的趋势为55 45 是否可以采用低温采暖 满足供暖的舒适要求 1 ArnoldSpringer DevelopmentofSteelPanelRadiatorsandDevelopmentofEuropeanStandardsforHeatingRadiatorsNov 2003 2 IEAdistrictheatingandcoolinghandbook