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暖通专业新技术 1 蓄热原理物体在温度或状态发生变化时要吸收或放出热量 利用物体的这种特性 我们可以把热量蓄存起来 待需要时再释放出来 蓄热的意义在我们专业 供暖或空调工程的实际运行中 热负荷或冷负荷一般都是在变化的 供热和供冷 特别是自然界所能提供的热量或冷量与所需的热量 即负荷 无论是在时间上还是在数量上往往是不同步的 因此 为了充分利用能源 就需要蓄热 采用合适的蓄热方式 利用特定的装置 将暂时不用或多余的热量通过合适的材料蓄存起来 需要时再释放出来加以利用的方法称为蓄热技术 1 1蓄热技术的发展 1 可追溯到远古时代 天然的冰 雪 以改善生活环境 2 在国外的发展1873年发明蓄能锅炉1929年变压蒸汽蓄能技术 蒸汽蓄能电站 高峰负荷发电50MW20世纪60年代 美国把相变材料热控技术用于航天上 在相变储能理论研究与应用方面 美国一直处于领先地位 如太阳热储存 冰蓄冷技术 应用蓄热设备 其次是日本 20世纪70年代 研究用于采暖和制冷系统的相变材料 如水合硝酸盐 磷酸盐 氯化钙的蓄能 另外德国 瑞典 法国 意大利 前苏联等在蓄能的相变材料方面进行了大量的研究 3 在国内的发展国内对蓄热相变理论和应用也进行了较广泛的研究 但起步晚 上世纪80年代开始 如相变蓄热 太阳房的蓄热 近年来的冰蓄冷 墙体蓄热 相变材料开发等研究较多 1 2热能的储存时间 1 随时储存 随用随取 2 短期储存 以天或周为储热的周期 其目的是维持一天 或一周 的热能供需平衡 3 中期储存 以十天或二十天 或一个月 两个月为储热周期 4 长期储存 以季节或年为储存周期 其目的是为了调节季节 或年 的热量供需关系 1 3蓄热材料1 3 1蓄热材料的必要条件 1 蓄热材料的热物性导热系数较大 比热较大 密度较大 焓值较大 相变材料的相变潜热较大 2 蓄热温度范围适合根据需要的工作温度 选择合适材料 显热变化温度范围 相变温度等 3 传热特性传热与材料的热物性有关 如导热系数 导温系数 比热以及流体的动力特性系数等 4 循环动力要求循环动力小 流动阻力小 5 过冷和过饱和的特性在潜热蓄热中 PCM过冷却和过饱和都不能保持相变温度 而且蓄热量也会改变 6 蓄热材料不易老化保持原有特性 性质稳定 7 蓄热材料的性能参数齐全性能参数齐全 而有些蓄热材料缺少完整的性能参数资料 8 其他经济性 价格 PCM的安全性 无毒 无害 可燃性 对环境的污染和破坏性 1 3 2蓄热的方法大体可分为三类 即显热蓄热 潜热蓄热 化学蓄热 1 显热蓄热通过温度升高或降低达到蓄热或释热的目的 比热容越大 密度越大 所蓄的热量就越多 在太阳能热水系统中多采用水作为蓄热材料 在空气为吸热介质的采暖系统中 通常选用岩石 床 卵石等为蓄热材料 2 潜热蓄热 利用蓄热材料发生相变而蓄热 相变潜热比显热大得多 潜热蓄热具有更高的蓄热密度 一般大多采用固体 液体相变蓄热 熔点在适应范围内 液体 气体相变蓄热应用最广的是水 热性能 化学性能稳定 但体积变化大 蓄热容器大 适用于随时储存和短期储存 3 化学蓄热 利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热来达到热能的蓄存和提取 是一种高能量密度的蓄存方法 技术难度大 在研究开发中 应用较少 1 3 3部分主要蓄热材料的热物性 1 显热蓄热材料固体岩石 土壤 混凝土等 导热系数小 反应慢 温度范围广 价格低 金属类 导热系数大 反应快 成形好 缺点是价格高 易氧化 高分子材料 价格比较便宜 易成形 蓄热密度小 导热系数较小 一般不能用于高温 液体水 最常用 蓄热密度大 价格便宜 无污染 安全 水溶液 无腐蚀 氟类一般比较安全 使用温度可选择 缺点是蒸汽压力高 从环保方面受制约 复合媒体乳胶 蚀 液 胶囊固液系统温度域广 传热性能好等优点 有易沉淀等缺点 2 潜热蓄热材料 水 比热C 4 21KJ Kg K 固体相变潜热333KJ Kg 与显热蓄热相比 装置紧凑 可小型化 蓄放热相变时 温度可保持一致 相变温度不能自由选择 反应慢 潜热蓄热系统中难以控制的是过冷 过饱和现象 它不仅与物性有关 还和容器壁 加热 冷却的速度 振动等多种因素相关 3 化学蓄热材料 蓄热密度可非常大 受物性的组合限制 材料不同 蓄 放热的特性不同 反复使用常出现材料的劣化 老化 4 蓄热材料表 蓄热材料表 石蜡一般分子式CnH2n 2n 5 10之间是液体 n 15是固体 n 5是气体化学蓄热材料CaCl2 8NH3 CaCl2 8NH3 4NH3 T 303K 反应温度 H 166KJ mol 2 地下蓄热 前文已阐述过 采用蓄热技术 可以有效的利用能源 地下蓄热可根据能源的使用状态 可进行短期 中期或长期蓄热 2 1地下蓄热的历史和现状 初期开发 采用地下水 现在也有缺点 污染水源和土壤 长期取地下水有地面下沉的危险 有地下温度越来越低 取热量越来越少的可能 水的回灌有问题 不能全部回灌 已有一些地区采用土壤源热泵 夏季空调向地下排热 冬季从地下取热向地下蓄冷要点 应该保持地下热平衡 否则不能长期使用 2 2地下蓄热的特点和方式2 2 1土壤作为蓄热材料的特点 到处可取 可进行大容量地蓄热 土壤的热容量比较大 地下水不流动的情况下蓄热能力高 土壤的导热系数较小 对于蓄热 取热不利 但有利于保温 使用安全 价格低廉 一般可不需特别的空间 可和太阳能 未利用的余热结合进行有效利用 既可作为热泵的热源 又可作为制冷机的冷源 土壤的物性与土壤的种类 含水率等密切相关 不是常数 向土壤蓄热需要埋设土壤换热器 增加造价 因换热器向周围散热和向地面散热 热回收率不高 热扩散性较高 一般不宜高温蓄热 冬夏联合使用可得到很高的蓄热效率 2 2 2地下蓄热系统 系统的组成由以下三部分组成 地下换热器 地面热源系统 热 泵 量回收系统 地下蓄热系统示意图 地下蓄热的方式总体可分为两大类 即无边界蓄热和有边界蓄热 无边界蓄热主要是采用管道式和带水层式有边界蓄热 管道式 水槽式 池 坑 式 管道式无界管道 在地下埋管 有水平式和垂直式水平式一般埋深在0 5 2 0m 特点是该系统受地面的气候影响大 多用在气温不太低 供暖期较短 热负荷不大的区域 垂直埋管 一般埋深20 100m 也有更深的可达200m 但埋深一般需经过经济比较后确定 特点 占地面积小 受地面上的影响小 长期蓄热比水平式有利 土壤中的水分的多少 对传热有很大的影响 在有流动的地下水的情况 取热量和蓄热量都增大 散热损失也增大 垂直式管道分为三种排列 管道断面图 以单U型为基准即为1 套管型换热量 取热量 为0 85 0 9 双U型为1 3 1 4 双U型用在钻孔成本高的区域 水平管也可多层埋设 但这种方式有工程量大 占地面积大的缺点 在欧美住宅应用较多 带水层的情况地下停留的水层中蓄储冷热水 是一种很有希望的地下蓄热方式 难点在于地下水文资料需要齐全 准确 地下水槽式在地下埋设水槽 利用水槽内水的热容量和周围土壤的热容量进行蓄热 大多考虑大深度圆筒水槽 北欧很多场合把岩洞作为存储在地下的水槽 在日本北陆进行融雪实验 成功的用例很多 地下坑式坑根据边界情况分为有界蓄热和无界蓄热 有界蓄热即为保温的坑的蓄热 在坑的周边用保温材料进行保温 坑内用砂石土壤或水 采用水蓄热 就有防水问题 蓄热材料采用砂石或土壤 换热器采用水平埋管 这种有界蓄热方法常用在气温不是很低的区域 优点是散热损失小 槽内温度较高 初冬可采用循环泵循环供暖 节能效果显著 但造价较高 无界蓄热 采用自然 天然 的湖 沼等进行蓄热 坑的周边的土壤也参与蓄热 也有用半球形蓄热器进行水蓄热的 为防止腐蚀 有人采用不锈钢半球形蓄热器埋在地下 其他方式 利用建筑物的地下空间 建储水槽储水或储存冰 雪 包括周围土壤进行自然蓄热 蓄冷 在建筑物下层的土壤中埋设管道 与下层相接的房间进行自然的供冷 供暖的方法 在建筑物地下室的蓄热水槽 和空气及周围的土壤三者构成了长 短期的蓄能的方法 以上几种建筑物和土壤结合的长期蓄热 是一种不需要大花费建设费用的非常有希望的蓄热方式 但一般规模不大 2 3利用方式地下蓄热有蓄热和蓄冷两种 有的系统二者兼有之 对于热回收 有直接用冷热水循环的方法 也有用热泵取热 制冷的方法 利用地下土壤既可作为热泵的低温热源 也可作为制冷机的冷源 在寒冷地区 把二者结合起来 冬天利用夏季制冷的冷凝热 夏季利用冬季制热后的冷量 这样可得到很高的热效率 地下大水池 德国用的比较多 长期蓄热以热水池为主 而且规模都比较大 蓄水量1万多m3 至几万m3的池子也有一些 最近在计划建设更大规模的 但目前只能解决全年用热的50 60 下表是利用方式的分类及其内容 利用方式分类表2 2 表中所示的内容 如图4 图7所示 图4蓄热供暖 图5蓄冷供冷 图6土壤源热泵供暖 图7土壤源热泵供暖和自然供冷或机械供冷 2 4蓄热温度的划分根据蓄热的温度可分为蓄冷 低温蓄热 中温蓄热 高温蓄热 表2 3蓄热温度划分 2 5地下蓄热的设计要领2 5 1蓄热规模和供暖容量蓄热规模越大 蓄热效率越高 在管道式蓄热的方式 最大规模有德国22万m3岩石 8万m3用粘土蓄热 100万m3以上的带水层 后者以太阳热为热源 采用太阳热进行季节性蓄热 实行集中供暖2000户以上 一年需热量50Gwh 具有很大的经济性 2 5 2建设费用管道式仅是钢式桶容器建设费用造价的1 3左右 而池 坑式更便宜 但根据规模大小 其建设费用有较大的差异 在国外 50kw 10000kw 约2万 200万美元 合400 200美元 kw 10Mw 合200美元 kw50kw以下 约4000 5000元 kw在国内蓄热方式不同也有很大的差异国内可能更高一些 大约5000元 kw 2 5 3蓄热效率和回收热量蓄入的热量与取出的热量之比称为蓄热效率 蓄热效率与蓄热规模 输入温度 蓄热时间 取出温差等有关 在计算上一般可取50 75 实际上由于对流热损失等要比预想的大 规模大取大值 规模小取小值 热回收率 某周期中回收的热量 该周期中蓄贮的热量 热回收率受蓄热温度和回收温度影响大 2 5 4土壤条件地下水位浅 地下水的流动小 自然对流等的效果没有 饱和土壤透水性低是所希望的 不饱和土壤具有高的导热系数是必要的 2 5 5管径管径与埋深关系 埋设管管径是2 3 1 2in 1 一般2 3较合适 直径越小热流密度越大 但单位管长的放热量减少了 因此不能说细了好 应选择合适的管径 表2 3表示了管径和用途的概要 同心圆2 以上 大深度圆筒水槽数米以上的也有 大部分采用聚乙烯管 PE管 2 5 6管的间距及排列当埋管大于1根时 一般是互相有影响的 其影响程度是由多管排列的间距和排列方法等候所决定的 一般来说 要求出与单管传热量的减少系数 一般间隔取2 4m 导热系数大 间隔取大值 岩石的情况可取5m 但是管距的大小与管径 蓄热时间 周期 负荷大小 区域 等有关 通常是管径的50倍以上 2 5 7土壤的热物性 1 土壤是由固体 液体 气体构成的 导热系数忽略其很多的因素而取平均值 不同的土壤因构成成分不同 导热系数有很大的差别 2 体积热容量一般土壤的体积热容量在0 3 0 9 Cal cm3 的范围 3 因冻结热物性变化大 冻结后热物性发生变化 细砂 淤泥 粘土等冻结后的导热系数比冻结前的大1 5 2倍 2 6系统设计 1 建筑负荷的计算冷 热负荷取大者 计算时也应按峰值计算 2 计算应埋入地下换热器的总长度根据单位管长的负荷计算总长度 它与地域 采暖时间 管径等多种因素有关 一般可取20 40W m 间歇情况可乘以系数K K 1 1 1 4 它与运行时间 停止频率有关 运行时间长取小数 2 7土壤的传热理论 土壤的传热的理论有有线热源 有限元等 数值模拟结果及分析 二管取热地下温度场 数值模拟结果及分析 单管取热地下温度场 3 管道管径由流量决定 流量由负荷和温差决定 可取温差1 5 3 可参照 泵功率 热量 W KW 10 4 泵的选择根据扬程 流量来确定 应小流量 小扬程 有的系统热泵效率虽较高 但系统运行功率大 系统COP仍小 5 钻孔可机械化和半机械化 实际孔深应大于设计深度 6 安装根据阻力情况 土壤换热器可并联 也可串联 水平管道应注意排气 回填时 底部应放一些细砂 回填应填实 无空气 以增强传热 有的加金属来增强传热 打压试验 有规定必须试压 在安装前 后均须打压试验 承压能力达到要求 管道低处应注意设放水阀 在设计时就应考虑 管道的布置 要考虑对称性 阻力小 应用例1应用例2 3 太阳热蓄热及应用3 1太阳能资源地球的污染 大气的升温 利用可再生能源 太阳能 水能 海洋能等 但都是来自太阳能 优点 可再生 永久 到处都有 公平 绿色能源 缺点 密度低 间歇变化 晴天1KW m2 需接收面积大 太阳的能量太阳的表面温度大约5497 中心温度为1500万到2000万摄氏度 总辐射量为3 751023kw 太阳常数是1367w m2 它的能量只有22亿分之一到达地球表面 约8 1105亿千瓦 到达陆地约为1 7105亿千瓦 这是全世界一年耗能的3 5万倍 已被利用的占0 002 3 2太阳能的收集利用方式 1 发电发电效率电的蓄存发电成本 2 热能转换效率高技术最为成熟应用最为普遍商业化程度高 成本低 安全可靠贮热装置是太阳能利用中不可缺少的 3 太阳能的收集方式聚焦式太阳塔蓄热式太阳塔太阳能集热器太阳能热水器平板式真空玻璃管式热管式太阳能空气集热器等 平板太阳能集热器 图3高效平板太阳能集热器示意图1 玻璃盖板 中空玻璃 2 木框3 后保温板4 集热板芯5 集热管6 侧保温板 1 吸热板 作用与要求 最大限度地吸收太阳辐射 尽可能地减少反射能量 结构形式其优缺点 2 1 2设计热负荷的概算方法 吸热板上的涂层要求 有高的太阳能吸热比 同时具有低的发射率 喷涂法 化学法 电化学法 真空蒸发法 磁控溅射法 透明盖板要求 太阳透射比高 具有较好的耐冲击强度 防雨雪 冰雹 使用寿命长 盖板 平板玻璃 钢化玻璃一般为0 83 低者低于0 76 规定不低于0 78 国外市场高者可达0 90 0 91 玻璃钢板太阳透射比高 导热系数小 冲击强度高 一般在0 88 使用寿命不如平板玻璃长 透明盖板的层数及问题一般用单层 当温差 环境温度与集热器平均温度差 较大时 可用双层 一般情况下 不用三层 因为随着层数增加 太阳辐射透射比明显减小 3 保温平板集热器除盖板外都需要保温 以减小热损失 保温材料 岩棉 矿棉 聚氨酯 聚苯乙烯 其导热系数保温层厚度 集热器工作温度较高 气温较低 要求厚度较大 一般厚度为30 50mm 4 平板集热器的热性能 能量方程 集热器在规定时间内输出的有用能量 在规定时间内入射到集热器上的太阳辐射能量 集热器在规定时间内对周围环境散热量 效率方程 集热器效率 透明盖板透射比与吸热板吸收比的有效乘积 集热器总热损失系数 w m2k 吸热板温度 环境温度 太阳辐射强度 集热器效率曲线 平板集热器的优缺点优点 结构简单 适应性强 制造成本较低 易与各类建筑物结合使用 具有一定的承压能力缺点 热效率较低 改善平板集热器性能的途径加强保温 提高盖板的透光率 提高吸收率 2 2 2真空管太阳能集热器 真空管集热器 将吸热体与透明盖板之间抽成真空1 全玻璃真空管集热器1 全玻璃真空管的结构 由1 内玻璃管 2 外玻璃管 3 选择性吸收涂层 4 弹簧支架 5 吸气剂等组成 玻璃 硼硅玻璃3 3 热膨胀系数3 3 10 6 耐热温差大于200 真空度为10 3pa 选择性涂层 磁控溅射工艺 2 全玻璃真空管集热器的基本结构 由1 真空集热管 2 反射板 3 联箱 4 底座支架等组成 3 集热器的特点 1 当tp ta值较大时 热效率较高 比平板集热器 2 容水量大 管内的热水不能取出 3易爆管 一根管坏 系统的水流出 系统不能正常工作 4 应用情况 1 市场占有率高 保有量高 2 严寒地区应用有耐冻问题 3 集热器的有效面积小 4 用在热水系统可靠性差 2 2 3热管式真空管集热器 分类金属热管真空管集热器和全玻璃热管集热器 1 热管式真空管集热器的构造热管真空管 联箱 支架 底托等组成 2 工作原理1 金属热管式 热管工作原理2 全玻璃热管式 3热管式真空管集热器的特点 1 耐冻热管采取了特殊的抗冻措施2 启动快热管的工质热容量小 3 保温性能好热管的热量只能单向传递4 承压能力强可与自来水管道直接连接5 耐热冲击好可直接上冷水 6 热效率较高管内不装水 4 热管及其应用 凝结段2 蒸发段3 管芯4 工作液5 蒸汽 应用现状 热管节能应用半导体制冷热管在维护冻土基础中的应用电力电子元件电机冷却液化气残液领域等 热管节能应用 对暖通空调 太阳能利用 地热能利用 低品位废热利用等的热管节能应用 地埋热管式供热空调系统中 热管的上端安放在储能水池中 热管的下端被埋在地下土壤中 热管是竖直安置 热管将地下的地能传递给储能水池中的水 经过管道 循环泵 把能量输送到热泵机组的蒸发器 热量被蒸发器吸收后再返回储能水池中 锅炉的余热回收 热管技术回收锅炉烟道气余热 利用热管技术回收锅炉烟道烟气余热 既可提高锅炉进口水温 也可预热空气 热管换热器在空调系统中的热回收 利用热管对空调回 排风中能量回收利用 以达到节能目的 从生产废气中回收余热 为工厂及其附近居民区供暖 回收生产中的余热 继续用于再生产 此外 在太阳能热水器和太阳能空调中都用到了热管技术 热管在维护冻土基础中的应用 热管技术是寒区工程中广泛使用的一项主动冷却地基土体的技术 美国在20世纪60年代末申请了应用于多年冻土中的热管技术专利后 成立了研究机构 对热管技术在多年冻土中的应用进行了一些研究 加拿大已将热管广泛应用于北美寒冷地区的工程建筑物 用于冷却地基确保冻土稳定 70年代中期热管在美国阿拉斯加1000多公里长的输油管线工程中得到应用 该管线从北冰洋起横穿阿拉斯加至太平洋 全长1200多公里共使用热管112000根 该区域很大部分管线的地面下为多年冻土层 为了防止油热引起的地面下沉 将管道置于地面上 在管线支撑的垂直支柱内安装热管 依靠季节性致冷起到阻止垂直支柱冻土下沉的作用 甚至使冻土层过冷而增加其强度 热管直径为5 7 5cm 长度为8 18m 工质为氨 美国阿拉斯加输油管线工程 我国在青藏铁路修建之前 国内很少对此技术进行研究 建在海拔4000米以上高原地带的青藏铁路 全长1142公里 有960公里长的路基下是长年不融化的永久冻土层 每到夏季 因地面温度升高 导致路基表层土质松软 给火车安全运行带来隐患 解决冻土融涨问题成为青藏铁路建设成败的关键 专家们经讨论选择了主动保护冻土的措施 其中以热管技术保护冻土效果最佳 这种热管长7米 是一种碳素无缝钢管 5米埋入地下 地面露出2米 里面灌装有液态氨 通过液态氨 将冬季大气的 冷气 带到地表土层 让它保持冷冻状态不松软 通过露出地面管径外表的 翅片 把蕴含在地表土层中的热量散发到空气中 冬季依靠热管原理工作 夏季依靠刚性绝缘板来减少热量进入冻土 青藏铁路 坐落在大约离北极650km的加拿大埃雷迈尔岛的边缘的CFS报警站由于通风板混凝土地基通分孔的堵塞 下部多年冻土的过分的热退化引起了垫板不可接受的沉降 为了重建建筑物下的温度场 决定使用新开发的水平热管系统安装在现有的通风管中来恢复地基 起到阻止基础沉降的良好作用 加拿大埃雷迈尔岛CFS报警站 3 3太阳能热储存技术选择 1 按整个系统来考虑要考虑蓄热条件 成本 体积 2 选择合适的蓄热温度一般是中 低温蓄热 高温较少 根据散热设备 负荷等的要求 如果用于太阳能热动力系统中 需较高温 高温集热器 高温蓄热 热水系统需获得工业和生活热水 显热蓄热合适 如要求温度波动小 体积小 相变潜热蓄热根据所需贮能装置容量的大小 装置 保温材料及厚度都需设计 计算 3 蓄热材料显热蓄热最常用的是水 其次是砂 石 土等 潜热蓄热利用相变材料 水 水化盐 熔盐 石蜡族 其他 水化盐无机盐的水化物 含结晶水 化学表达式 熔解温度32 是首选材料 熔解热高 熔化时体积变小 导热系数较大 缺点 含结晶水数会发生变化 熔点不一致 熔化 凝固过程不可逆 腐蚀性强 考虑相容性 应用例3 熔盐碳酸盐 氯化物 硝酸盐 氟化物硝酸盐熔点一般为300 左右优点 廉价 腐蚀性小缺点 溶解热小 83 125KJ Kg 导热系数小 有机相变材料包括石蜡与非石蜡有机物石蜡的熔点在 5 66 之间 溶解热较大 无毒无腐蚀 50 以下稳定性好 熔化时体积变化率小 无明显的过冷现象 其他相变材料水 金属 比较有希望的是铝 钡 锌 铝的熔点为658 溶解热为395KJ kg 204 m k 3 5太阳池 有淡水池和盐水池之分 1 盐水池 深度1 3m 它是集热器与储热器的有机结合 可跨季蓄热 太阳池 1902年发现于匈牙利的一个盐水湖 由于湖中盐水浓度随着深度增大 斜率 抑制了盐水的对流 温度可上升到70 左右 1948年以色列的塔布等人提出了人工太阳池的概念和设想 从那以后世界各国的研究开始活跃起来 1 原理 淡水池竖向产生自然对流 热水层在上 散热量大 太阳池内用盐水 池内的盐水浓度随着深度而变化 若底部含盐15 中上部7 5 控制了竖向的自然对流 静止的水是不良导热体 导热损失小 池底部可达到90 以上 要保温 太阳光的穿透率随水的深度而下降 池深2m 透过率约为30 例4池深2 5m 面积10 5亩 池底温度90 低沸点介质循环发电 效率可达8 大型盐池发电的成本接近水电站的成本 下图是盐水太阳池的原理图 池的上表面为了防止风雨灰尘的影响 有若干cm厚的清水层 它的下部由高浓度深1 1 5m的盐水浓度层构成 且形成了一定浓度的斜率 在它的下部的1 5 2m深由20 高浓度盐水蓄热层构成 太阳照射到数千平方米的地面上 进行集热 底部是70 80 的水 上部是有斜率 浓度变化 的盐水层 越深其密度越大 即使温度上升 也不产生浮力 抑制了对流 为此 蓄热层由1 1 5m温度高的非对流保温层保护 同时长波辐射也不能穿过保温层 这样蓄热层可蓄贮大量的热 性能及用途太阳池实际上是一个大的太阳能集热蓄热器 全年蓄热 蓄热量大 可冬季取热供暖 日本在该领域有较多的研究 在北海道的网走 北纬44 建成了试验用的池子 用此地的气象条件进行了计算 其结果 无负荷时蓄热层冬季可达60 夏季94 且达到最高温度的时间比日射最强的时间晚一个月左右 进行有负荷试验 热取出率不同 降温不同 取热率10 最高温度75 15 61 20 50 抽热率 取热量 水平总入射量 而且池子越大 其相应的温度越高 例如 15 取热 1000 池子 53 10000 66 1000 以下的池子 由于热损失大 得不到明显的效果 该实验池D 44m 斜率保温层1 3m 蓄热层1 5m 清水层0 2m 带负荷时达到70 冬季即使被雪覆盖 蓄热层水温可保持20 以上 该池子适用在较低纬度的区域 2 无盐型太阳池 盐水太阳池的关键是盐水层中盐水的浓度是随深度而按特定的规律变化的 而且一旦发生漏水事故要发生盐害 这是其最大的缺点 为此 人们提出了多种无盐型太阳池 这些太阳池有的还处在研究阶段 从低成本 构造简单 小型温室采暖到集中住宅的共同热源都有采用 粘性膜太阳池 其采用高粘度聚合物水溶液构成保温层 用多层透明膜分开其厚度 厚度越小 透光率越低好 抑制对流的效果越好 但是 膜数增加 其反射 吸收损失也会增大 因此 为了使蓄热层获得最大的光透量 各层应当有合适的厚度和合适膜层数 经模拟分析计算结果知 在一定的条件下 保温层厚度0 5m 膜数7层 蓄热水层1m 抽出量1 2L m2 h 是合适的 用三种不同型式的太阳池做了实验 一是在日本和歌山县汤浅镇屋盖型 二是表面集热型 屋盖型 一种是在覆盖的二重透明膜中 只在夜间用风机充填聚苯乙烯小球型颗粒进行保温 另一种是在水面上覆盖二层透明保温膜 表面集热型是在池的水面上敷设一层黑色保温板 用太阳能电池驱动循环泵 把蓄热的水用洒水器洒在黑色板上 吸收太能热升温 由黑色保温板集热 后来 把这种型式的集热器改为在黑色保温板上配置管群 使水在管内循环 并在其上部用透明膜覆盖以防止水蒸发 经测试 水温总是保持比室外气温高20 以上 1m2池面积相当于回收3 67L石油 集热效率30 2 蓄热效率15 4 尔后把10 的冷水通入管中 其量为10L min 一日12小时通水的话 1组团的放热量约为9 104MJ 在日本仙台的机场 设置了这样的组团20个 从6月到11月空调排热 飞机跑道集热及相当于跑道面积的一成的太阳集热器集热的总和为2 9 106MJ 用这些热量供给机场全年所需的热量2 7 106MJ已经很充足了 这种方法也适用超高层建筑 夏季把空调排热蓄贮在6m 6m和12m 12m的蓄热组团中 冬季 从它回收的热和屋顶上设置的3500m2的太阳能集热器收集的热进行供暖和供热水 下图1是夏季蓄热时组团中土壤的平均温度变化曲线 图2是冬季放热时组团土壤中平均温度变化曲线 机场长期蓄热蓄冷系统 该系统是由瑞典 德国开发的 日本以机场和超高层建筑为对象进行了研究 最初进行了详细的模拟计算 确认了它的实用性 在机场的空地上 把直径为0 1m的垂直管埋深100m 25根为1组 一共埋设若干组 把热水注入埋管中利用大地进行季节性蓄热 蓄冷 注入的热水是夏季机场内设施空调排热 及跑道下深3 5cm 间距12cm排列的蛇形管通水 可以收集太阳能 蓄存的热量用于冬季机场跑道融雪 设施的供暖 供热水泵 机场跑道地下蓄热水温为40 相当于1根管20L min 一天注入8小时 初期土壤10 可以计算出 6m 6m的一个组团 60日蓄热后 蓄热量2 8 105MJ 图1 图2 夏季9月中旬温度达到最高45 左右 冬季取热下降 如果把太阳能集热器的太阳能电池组合起来用的话 与传统的锅炉和空调系统相对比 CO2排出量可以大大的削减 自然能自给式房屋的蓄热 关于太阳房太阳能储存的方法有很多 也有很大的区别 大体可分为蓄热槽型 地板下地中蓄热型以及墙壁蓄热型 蓄热槽型根据蓄热媒体 形式及蓄热场所等不同有各种各样的方法 一般情况下 是数日之内的短 中期蓄热 地板下的地中蓄热蓄热型是长期蓄热 低温蓄热 利用自然土壤成本低 和地板供暖结合也比较容易实现 但防水 减少散热和向周围散热是需要进一步研究的问题 利用墙壁即把墙壁做成混凝土的或空心砌块的或砖的进行蓄热属于另一类 如下图 图3 所示 把日射到房子的南壁面的太阳能直接蓄热 夜间供暖被称为太阳房系统 对于能源完全自给式建筑 不仅供冷 供暖无传统热源 而日常生活所必需的电 给水 下水等所有的能源都需要自给 一般采用太阳能电池发电 有些采用潜热蓄能材料蓄能 即长期蓄热与短期结合 蓄热墙 国外有水墙壁以增加蓄热量 蓄热罐 罐密封装水 室内温度波动小 这种墙壁最好用在室内变化比较大的场合 从另一角度上讲蓄热量大 也即热容量大的建筑物其最大负荷可以减小 这对于零能耗或低能耗建筑十分重要 保温越好 热负荷越小 太阳辐射对它的影响也就越大 因此对于这样的建筑物 其热容量或者说蓄热量越大 热负荷越小 因此 很多零能耗低能耗建筑的热容量很大 当它的蓄热量不大时 我们就要刻意地去增加它的蓄热能力 往往采用显热蓄热或潜热蓄热 蓄热地板吸收太阳能辐射热的相变蓄热地板 a 降低室温变化幅度 b 提高室内热舒适 c 可利用谷电价供暖 d 问题 房间的平均温度是否与采用相变材料有关 是否节能 供暖大容量蓄热槽适用于供暖蓄热方式的蓄热材料具备的条件是 单位体积蓄热量大价格便宜安全化学性能稳定 水是大容量蓄热槽的首选蓄热材料 1 蓄热槽的种类 1 开放式即与大气直接连通的方式 见图1 大多采用此种方式蓄热 蓄水量可达数千m3 为了直接把水送入用水设备 水泵需要较高的扬程 且需要一个通断控制阀 2 密封式 不与大气直接连通的密闭槽 见图2 一般采用钢制的桶或罐 一般容量比较小 一般可达100m3 蓄热的目的主要用于减少热源机的峰值负荷 其优点是蓄热水的管理容易 泵的动力相对较小 缺点是罐体承压大 2 蓄热槽的形式 1 平形槽多数是建在建筑物的地下室 水深比较浅 单槽容积50m3 可单独使用 也可多槽用连通管连接起来共同使用 管径可200 600mm 只要单槽的温度分布均匀 那么其他各槽的温度依次变化 蓄热槽的效率就比较高 为了促进各槽的混合 减少死水区域 连通管的位置 直径就要经过很好的设计 多槽连通时有连通管式和潜入管式之分 见图3和图4 平形蓄热槽的水流向 见图5 潜入管式蓄热槽配管的方式使各槽内的温度分布是分层的 也就是说 布置配管的方式可以诱导温度分层 与调整结构相比 调整管道的连通方式 要简单得多 在实际工程中 由于四季的变化 冷 热负荷在一年当中是变化的 蓄热也需要适应季节的变化 进行蓄热和蓄冷的变化 平形蓄热槽可以采用开 闭连通管的方法进行控制 来适应负荷的变化 2 竖形槽 利用水的温度与密度关系 使槽内水的浓度分布为上部高 下部低 为了使这种温度分布形成 槽必须有一定的高度 为了不破坏温度分层 蓄热水的出入必须考虑 要在适合于槽的形状的分配器的设计方面下功夫 合理设计的竖形槽 虽然建造成本较高 但效率高 运行也容易 是多采用的一种形式 见图6 竖形槽的内部有多种不同的构造形式 见图7 采用哪种方式好 是由蓄热槽的本体形状等因素决定的 配管方式 分配器的构造 形状 与温度分布有关 平形蓄热槽 竖形蓄热槽的温度分布见图8 大型蓄热槽一般是由多个蓄热槽的组合 不同的连接方式 控制方法可实现蓄槽不同的功能 如蓄冷槽 低温蓄热槽 中温蓄热槽 显然功能不同 保温方式及保温厚度也不相同 4 1太阳能4 1 1太阳能集热器1平板型集热器低温热利用的基本部件 世界太阳能集热器的主导产品 4太阳能及其它新能源在暖通专业的应用 图3高效平板太阳能集热器示意图1 玻璃盖板 中空玻璃 2 木框3 后保温板4 集热板芯5 集热管6 侧保温板 1 吸热板 作用与要求 最大限度地吸收太阳辐射 尽可能地减少反射能量 结构形式其优缺点 2 1 2设计热负荷的概算方法 吸热板上的涂层要求 有高的太阳能吸热比 同时具有低的发射率 喷涂法 化学法 电化学法 真空蒸发法 磁控溅射法 透明盖板要求 太阳透射比高 具有较好的耐冲击强度 防雨雪 冰雹 使用寿命长 平板玻璃 钢化玻璃一般为0 83 低者低于0 76 规定不低于0 78 国外市场高者可达0 90 0 91 玻璃钢板太阳透射比高 导热系数小 冲击强度高 一般在0 88 使用寿命不如平板玻璃长 透明盖板的层数及问题一般用单层 当温差 环境温度与集热器平均温度差 较大时 可用双层 一般情况下 不用三层 因为随着层数增加 太阳辐射透射比明显减小 3 保温平板集热器除盖板外都需要保温 以减小热损失 保温材料 岩棉 矿棉 聚氨酯 聚苯乙烯 其导热系数保温层厚度 集热器工作温度较高 气温较低 要求厚度较大 一般厚度为30 50mm 4 平板集热器的热性能 能量方程 集热器在规定时间内输出的有用能量 在规定时间内入射到集热器上的太阳辐射能量 集热器在规定时间内对周围环境散热量 效率方程 集热器效率 透明盖板透射比与吸热板吸收比的有效乘积 集热器总热损失系数 w m2k 吸热板温度 环境温度 太阳辐射强度 集热器效率曲线 平板集热器的优缺点优点 结构简单 适应性强 制造成本较低 易与各类建筑物结合使用 具有一定的承压能力缺点 热效率较低 改善平板集热器性能的途径加强保温 提高盖板的透光率 提高吸收率 2 真空管太阳能集热器 真空管集热器 将吸热体与透明盖板之间抽成真空 1 全玻璃真空管集热器1 全玻璃真空管 由1 内玻璃管 2 外玻璃管 3 选择性吸收涂层 4 弹簧支架 5 吸气剂等组成 玻璃 硼硅玻璃3 3 热膨胀系数3 3 10 6 耐热温差大于200 真空度为10 3pa 选择性涂层 磁控溅射工艺 3 集热器的特点 1 当tp ta值较大时 热效率较高 比平板集热器 2 容水量大 管内的热水不能取出 3易爆管 一根管坏 系统的水流出 系统不能正常工作 2 全玻璃真空管集热器的基本结构 由1 真空集热管 2 反射板 3 联箱 4 底座支架等组成 4 应用情况 1 市场占有率高 保有量高 2 严寒地区应用有耐冻问题 3 集热器的有效面积小 4 用在热水系统可靠性差 3热管式真空管集热器 分类金属热管真空管集热器和全玻璃热管集热器 1 热管式真空管集热器的构造热管真空管 联箱 支架 底托等组成 2 工作原理1 金属热管式 热管工作原理2 全玻璃热管式 3 热管式真空管集热器的特点 1 耐冻热管采取了特殊的抗冻措施2 启动快热管的工质热容量小 3 保温性能好热管的热量只能单向传递4 承压能力强可与自来水管道直接连接5 耐热冲击好可直接上冷水 6 热效率较高管内不装水 4 1 2太阳能供暖 供暖方式可分为被动式和主动式两种1被动式太阳房 供暖 不用机械动力而在建筑物本身采取一定的措施 利用太阳能进行供暖的房屋 1 直接受益式太阳房 2 集热蓄热墙式太阳房 2主动式太阳能供暖 1 太阳能集热系统1 并联 1 太阳能集热系统 2 串联3 混合式系统 并联与串联同存在 2 太阳能供暖系统 显热蓄热供暖系统潜热蓄热供暖系统 3 太阳热水系统特点 1 平板型集热器热水系统系统简单 在工作温度较高时热效率较低 工作可靠2 真空玻璃管集热器热水系统结构较复杂 热效率较高 工作可靠性差 3 热管集热器热水系统热效率较高 起动快 造价较高 工作可靠 4 太阳热水系统的防冻 4 太阳热直接供暖系统的特点 讨论 1 优点 直接供暖热损失小 绿色供暖 2 缺点 适用范围 阴雨雪天 水温 3 存在的问题 一般应有备用热源或蓄热装置 4 应用的地域及条件 4 2太阳能 热泵供暖 4 2 1热泵1热泵的工作原理2热泵供暖系统 水源热泵 3地下水源热泵系统 1 优点 2 存在的问题 地下水源热泵系统 4 2 2太阳能 热泵系统 1工作原理2太阳能 热泵供暖系统 1 应用地域 或条件 2 存在的问题与解决方法 工作原理示意图 4 3土壤源热泵供暖系统 1分类 1 水平埋管供暖系统构造工作原理应用条件 工作原理示意图 2 垂直埋管供暖系统 2 垂直埋管热泵供暖系统构造工作原理应用条件 2 地埋管换热器 1 构造 2 间距 3 地下温度场数值模拟结果及分析3 土壤源热泵供暖系统存在的问题及解决方案 土壤温度的变化由模拟结果可以看出 无论是一根管还是二根管 随着取热时间的增加 土壤的温度都随之下降 但一根管 二根管下降的幅度不是很大 而四根管由于总的换热量较大 下降得较明显 埋管间热干扰的影响一根管模拟时的单位管长换热量取20W m 二根管模拟时的单位管长换热量也取20W m 可以看出 在各个时间二根管的土壤温度都比一根管的土壤温度要低 即二根管的蓄热效果比一根管要差 这是因为埋管之间存在热干扰 不同埋管的热作用区域发生重叠 这种扰动使得管群换热时换热效果恶化 所以要在土地面积允许的情况下尽量增大埋管间距 减少管群之间的相互干扰 这样才能保证良好的换热效果 数值模拟结果及分析 数值模拟结果及分析 单管取热地下温度场 数值模拟结果及分析 二管取热地下温度场 4 4太阳能 土壤源热泵供暖系统 1 工作原理 2 适用于什么样的地域3 土壤源热泵系统存在的问题及解决方案 有限边界土壤蓄热 2 水化盐蓄热 例 兰州市一太阳房 屋顶顶棚放有蓄热材料制成储热器 日间蓄热 晚间放热 熔点19 6 潜热81 4kJ kg 室温波动1 7 3 5 41 吸收太阳能辐射热的相变蓄热地板 a 降低室温变化幅度 b 提高室内热舒适 c 可利用谷电价供暖 d 问题 房间的平均温度是否与采用相变材料有关 是否节能 2 墙体蓄热系统蓄热材料墙 石蜡混合材料 蓄热罐墙 水墙 3 6土壤源热泵供暖供冷系统 4 5土壤源热泵供暖供冷系统 1 适用于什么样的地域2 工作特点3 存在的问题 解决的方案 4 使用的局限性5 扩大使用区域需要的条件6 扩大使用区域至严寒地区的方案 土壤源热泵供暖供冷系统 4 6太阳能 土壤源热泵 土壤蓄热供暖供冷新技术 1 系统的构成2 工作原理3 运行模式或工况4 最适用的区域5 存在的问题及解决方案的设想 4 7太阳能加热制沼气 4 7 1沼气池加热的几种方法分析 1 燃煤加热沼气池 2 用沼气加热沼气池 3 用太阳热 能 水系统加热沼气池4 7 2太阳能加热系统的特点 1 不均匀性 2 间歇性 3 太阳能集热器面积的确定4 7 3太阳能 土壤蓄热 土壤源热泵联合加热制沼气 1 系统的构成 2 工作原理 3 运行工况 4 经济和社会效益分析 4 8自然能源的直接利用 4 8 1严寒 寒冷地区利用地下土壤冷源供冷的可行性分析4 8 2地下土壤冷源直接供冷系统4 8 3自然蓄冷供冷系统的构成及其运行工况分析4 8 4自然蓄热供热系统 4 9太阳能吸附式制冷 太阳能制冷太阳能制冷因太阳能的供给和冷量的需求在时间和量上高度的同步而受到普遍的重视 太阳能制冷有很多方式 其中吸收式制冷和吸附式制冷是比较受关注的两种制冷方式 吸收式制冷技术已经比较成熟 且已形成了产业 本科书上已经讲了