建筑能源应用技术-课件 第9章 蓄能技术

第9章蓄能技术蓄能是通过某种介质或设备，将一种能量以相同或不同形式储存起来，并在需要时以特定形式释放。01能源供需特点·蓄热技术·蓄冷技术本章核心第9章蓄能技术｜课程导入学习目标1了解能源供应与能源需求的特点；2掌握蓄热蓄冷的基本原理；3熟悉常用蓄能技术。02第9章蓄能技术｜课程导入本章主要内容9.2蓄热技术显热潜热化学反应蓄热跨时段蓄热跨季节蓄热9.3蓄冷技术设计模式与控制策略冰蓄冷水蓄冷共晶盐蓄冷学习重点：湿球温度、热湿交换与设备组合039.1能源供应与能源需求的特点049.1能源供应与能源需求的特点能源供应和建筑能源需求都具有明显的时间与空间分布特征。蓄能通过储存和释放能量，缓解供给与需求不同步造成的矛盾。供应侧特点→需求侧特点→蓄能的必要性第9章蓄能技术05能源供应侧的时空分布特点•能源资源在空间上的分布与能源需求中心并不完全重合。•风电和太阳能发电出力受气象条件影响，具有随机性、波动性和间歇性。•新能源装机容量快速增加后，电力系统需要更强的调峰和备用能力。图9.12010—2023年我国新能源发电累计装机容量及占比我国新能源发电装机容量变化新能源装机规模和占比持续变化，增加了电力系统平衡波动出力的要求。第9章蓄能技术062023年我国电源装机容量构成图9.22023年我国电源装机容量构成•蓄能通过存储和释放电能，增加电力实时平衡与系统调度的灵活性。供应侧采用蓄能的作用•蓄能可以缓解可再生能源发电随机性给电力系统带来的冲击。•合理充放电可以辅助调节负荷峰谷差，并作为系统调峰备用和旋转备用的补充。•蓄能还可以增加可再生能源消纳，减少温室气体排放，提高系统运行的经济性和稳定性。第9章蓄能技术07能源需求侧的时空特点•建筑能源需求随使用时段、建筑功能和室外气候变化。•冷负荷和热负荷具有明显的日变化与季节变化。•能源需求的峰值时刻与能源供应的峰值时刻不一定相同。需求侧蓄能系统的组成•需求侧蓄能系统一般包括蓄能介质、适当的冷源或热源以及蓄能装置。•系统还包括辅助设备、调控器件和连接管路。•工程中由冷源或热源设备提供冷量或热量，蓄能介质和蓄能装置完成储存与释放。第9章蓄能技术08需求侧采用蓄能的作用•电能易传输而不易存储，热能易存储而不易传输，因此热力系统的时间常数远大于电力系统。•低谷时段可将蓄能介质降温或加热并储存，高峰时段再释放冷量或热量。•这一过程可实现移峰填谷，缓解电力供需矛盾，削减设备装机容量并节省运行费用。第9章蓄能技术099.2蓄热技术蓄热技术在低能耗或热量富余时段储存热能，并在建筑供暖、空调或热水需要时释放。第9章蓄能技术三类蓄热→跨时段蓄热→跨季节蓄热101）显热蓄热•蓄热介质受热时温度升高、内能增加，从而储存热量。•储热和释热过程中，材料本身只发生温度变化，不发生相变或化学变化。•常用介质有水、水蒸气和砂石。其方式简单、成本低，但蓄热密度低，装置体积较大。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热第9章蓄能技术11•物质发生固—液、液—气或固—气相变时吸收潜热，逆过程释放潜热。•相变过程中温度基本不变，因此潜热蓄热具有稳定的温度平台。•与显热蓄热相比，潜热蓄热的蓄热密度较高。2）潜热蓄热9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热第9章蓄能技术12（1）相变材料的组成与热物性•相变材料通常由主蓄热剂、相变点调整剂、防过冷剂、防相分离剂和相变促进剂等组分构成。•主要热物性包括热导率、膨胀系数、比热容、相变温度和相变潜热。•这些性质共同决定相变材料的储热能力和工程适用性。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热2）潜热蓄热第9章蓄能技术13（2）无机与有机相变材料•无机类储能材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属或合金及其他无机物。•有机相变材料包括高级脂肪烃、脂肪酸或其酯、盐类、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类等。•结晶水合盐可提供从几摄氏度到一百多摄氏度熔点的多种材料。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热2）潜热蓄热第9章蓄能技术143）化学反应蓄热•化学反应蓄热利用可逆化学反应，实现热能与化学热之间的转换。•典型体系包括CaO—H₂O、MgO—H₂O和H₂SO₄—H₂O。•其蓄能密度通常高于显热和潜热蓄热，并可通过催化剂或产物分离用于长期能量储存。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热第9章蓄能技术153）化学蓄热材料的要求•材料应具有较大的反应热和适宜的反应温度。•材料应无毒、无腐蚀性、不易燃易爆，反应不产生副产品。•可逆反应速率应适当，便于能量存入与取出，反应时材料体积变化应较小。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热第9章蓄能技术16水合与脱水反应•可逆化学反应在蓄热量和长期储存方面具有优势。•用于低温和中温蓄热时，水合与脱水反应的可逆性较好。•结晶水合物、无机氢氧化物、多孔材料和复合材料的可逆水合与脱水反应受到关注。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热第9章蓄能技术17三类蓄热方式比较显热与潜热•显热蓄热只改变温度，系统简单但蓄热密度较低。•潜热蓄热利用相变潜热，蓄热密度较高，并具有相变温度平台。化学反应蓄热•利用可逆反应蓄热，蓄能密度较高。•材料反应、安全性、可逆性和体积稳定性要求较高。9.2.1显热蓄热、潜热蓄热与化学反应蓄热第9章蓄能技术181)太阳能蓄热技术•太阳能蓄热通过一定蓄热手段，把太阳能储存在不同系统中。•蓄热系统可把太阳能以电能、化学能、生物能或高水位势能等形式储存，实现太阳能的时空转移。•这一过程用于解决太阳能的间歇性和不稳定性问题。9.2.2跨时段蓄热技术图9.3建筑本体蓄热的太阳能供暖系统图9.4带蓄热装置的太阳能供暖系统第9章蓄能技术19建筑本体蓄热的太阳能供暖系统图9.3建筑本体蓄热的太阳能供暖系统•建筑通过朝向、空间布局、围护结构和材料收集、储存并分配太阳热。•Trombe墙白天开启风口，利用热虹吸形成空气循环；夜间关闭风口，静止空气起保温作用。1)太阳能蓄热技术9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术20带蓄热装置的太阳能供暖系统图9.4带蓄热装置的太阳能供暖系统•晴朗白天由太阳能集热器收集热量并存入蓄热装置。•夜间把储存的热量输送到室内供暖末端，必要时配备辅助加热装置。1)太阳能蓄热技术9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术21两类太阳能蓄热系统的特点•利用建筑本体蓄热的太阳能供暖系统结构简单。•随着室内环境要求提高、建筑体量增大和气候变化复杂，建筑本体蓄热存在局限。•多数情况下需要配置蓄热装置，对室内环境进行干预并满足稳定供暖需求。1)太阳能蓄热技术9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术22图9.5蓄热电锅炉系统示意图•系统由电锅炉、蓄热水槽、换热设备、水泵、自动控制阀、供配电和控制系统组成。•换热器常用于将锅炉与供热系统分开，使一个热源可同时为多个系统供热。2)电锅炉蓄热技术9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术23图9.6相变蓄能围护结构与建筑能耗关系示意图•相变材料与传统建材复合后，围护结构可以吸收、储存并缓慢释放低温热能。•这种围护结构用于改善能源侧与需求侧在时间、空间和使用强度上的不匹配。3)相变蓄能围护结构9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术24表9.1常用建筑蓄能用相变材料和相变温度类别名称相变温度/℃类别名称相变温度/℃有机硬脂酸69无机Zn(NO₃)₂·2H₂O54棕榈酸62Na₂S₂O₃·5H₂O48十四烷酸54Zn(NO₃)₂·6H₂O36.4月桂酸42Na₂HPO₄·12H₂O35.5葵酸31.3Na₂SO₄·10H₂O32.4石蜡20～60CaCl₂·6H₂O29.7丁烯酸16～20KF·6H₂O18.53)相变蓄能围护结构9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术25相变材料与建筑材料复合•相变材料可以与陶瓷、石膏板、混凝土、塑料板和泡沫材料等复合。•材料可通过微细孔隙、聚合物空间网络或浸渍基体限制液态相变材料渗漏。•复合材料的蓄热量包括相变材料的相变潜热和混合材料的显热。3)相变蓄能围护结构9.2.2跨时段蓄热技术第9章蓄能技术261）地下埋管蓄热系统图9.7地下埋管蓄热系统•系统由闭环埋管换热器管路、循环流体、钻孔填料和钻孔周围岩土组成。•竖直埋管比水平埋管更常用，主要分为单U形和双U形。9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术27地下埋管蓄热系统的运行•蓄热阶段，循环流体把热量传递给地下岩土蓄热体。•取热阶段，循环流体从蓄热体中提取热量并送至建筑供暖系统。•该系统可以模块化设计，供热面积扩大时可增加埋管数量。地下埋管蓄热与地源热泵的区别•地源热泵把地下岩土作为冷热源，并重视换热和地下温度场恢复。•地下埋管蓄热把岩土作为“热电池”，还要求减少热量向周围岩土扩散。•因此两类系统对井深、井间距和地下水渗流的要求不同。1）地下埋管蓄热系统9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术282）地下水箱热水蓄热系统图9.8地下水箱热水蓄热系统•地下设置不锈钢或钢筋混凝土槽体，并在周围和顶部设置保温层。•热水密度较小而上浮，使水箱在垂直方向形成自然温度分层。9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术29蓄热水箱的温度分层•温度分层受水箱形状和尺寸、进出水口位置及几何形状影响。•蓄热与取热流体的温度、流速以及强化分层控制措施也会影响分层效果。•箱体、壁面和保温材料用于减少蓄热过程中的热量损失。水箱热水蓄热系统的运行与局限•系统包括热源端、蓄热端、用能端和地面小型能源站。•当蓄热温度降低后，可由锅炉或热泵进一步提升热量品位。•水箱长期运行可能发生腐蚀和泄漏，抗渗与保温措施会增加建造成本。2）地下水箱热水蓄热系统9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术303）地下含水层蓄热系统图9.9地下含水层蓄热系统•夏季从冷井抽取地下水，加热后回注热井，形成地下热水库。•冬季从热井抽取热水供暖，换热降温后回注冷井。9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术31含水层蓄热的条件•含水层应保持稳定，内部水流不宜过大，以减少蓄存热量流失。•为防止地下水化学性质变化，教材把含水层蓄热最高许用温度限定为50℃。•一般储存温度为40～50℃，供热时常需热泵提升供热品位。3）地下含水层蓄热系统9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术324）砾石—水蓄热系统图9.10砾石—水蓄热系统•砾石—水蓄热又称人造含水层储热，在地下坑槽中填充砾石和水。•系统可直接抽取介质或利用埋设管路换热，不依赖特定水文地质条件。•其密封、保温、防漏要求较高，储存相同热量时体积比纯水方式增加近50%。9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术33跨季节蓄热方式比较地下埋管与水箱•埋管系统可模块化，不占建筑内部空间。•水箱利用水的高比热和温度分层，但需要防腐、防渗和保温。含水层与砾石—水•含水层系统受水文地质条件限制。•砾石—水不依赖天然含水层，但体积较大，对槽体密封和保温要求高。9.2.3跨季节蓄热第9章蓄能技术349.3蓄冷技术蓄冷技术利用工程材料的蓄冷特性储藏冷能并合理使用。常用介质为水、冰和共晶盐，主要服务于建筑空调和部分工业过程。第9章蓄能技术设计模式与控制→冰蓄冷→水蓄冷→共晶盐蓄冷35全负荷蓄冷模式图9.11全负荷蓄冷模式•把白天高峰时段的全部冷负荷转移到电力低谷时段。•白天制冷机不运行，由蓄冷装置承担全部冷量。•该模式需要较大制冷机和蓄冷装置容量，设备投资和占地面积较大。1）蓄冷设计模式9.3.1常用蓄冷设计模式与运行控制策略第9章蓄能技术36部分负荷蓄冷模式图9.12部分负荷蓄冷模式•建筑典型日所需冷量由蓄冷装置和制冷机共同供给。•该模式设备容量和投资通常低于全负荷模式，但运行工况和控制更复杂。1）蓄冷设计模式9.3.1常用蓄冷设计模式与运行控制策略第9章蓄能技术37控制原则•应充分发挥蓄冷装置在电力非高峰期的蓄冷作用，并保证高峰期满足负荷需求。•应尽可能使制冷机长时间处于满负荷、高效率和低能耗条件下运行。•系统流程可采用并联或串联，串联时制冷机可布置在上游或下游。控制策略•全负荷蓄冷•部分负荷蓄冷

（1）制冷机优先控制：优先由制冷机直接供冷，蓄冷装置补充不足部分。

（2）蓄冷优先控制：优先发挥蓄冷装置的释冷能力。

（3）优化控制：结合电价、负荷预测、参数检测和控制系统，使运行费用和综合经济性最优。2）运行控制策略9.3.1常用蓄冷设计模式与运行控制策略第9章蓄能技术381）冰蓄冷基本知识•冰的相变潜热为335kJ/kg。•在通常7/12℃空调水温范围内，冰的单位质量蓄冷量约为水显热蓄冷量的17倍。•冰蓄冷容器体积较小，冷量损失通常为蓄冷量的1%～3%。9.3.2冰蓄冷技术图9.13IPF对蓄冷容积的影响•IPF是冰在冰蓄冷容器介质中所占的容积比。•当IPF为10%时，冰蓄冷容积约为水蓄冷容积的32%。•IPF一般控制在10%～40%。第9章蓄能技术39制冰方法与分类图9.14制冰方法与分类•按成冰形态可分为固冰和液冰。•按制冰过程可分为静态制冰和动态制冰。•制冰方式影响冰的形态、换热方式和系统结构。1）冰蓄冷基本知识9.3.2冰蓄冷技术冰蓄冷空调系统的组成•系统主要由制冰设备、蓄冰装置、空调设备、控制系统以及连接管路和构件组成。•通常采用乙烯乙二醇水溶液作为载冷剂。•系统一般向用户提供2～4℃低温冷水，可扩大冷水利用温差。第9章蓄能技术40冷媒盘管式蓄冷系统图9.15冷媒盘管式蓄冷系统•蒸发器盘管直接放入蓄冷贮槽，制冷剂在盘管内流动，使盘管外表面结冰。•取冷时采用外融冰方式，回水融化盘管表面的冰并获得冷量。2）冰蓄冷系统的形式9.3.2冰蓄冷技术第9章蓄能技术41完全冻结式蓄冷系统图9.16完全冻结式蓄冷系统•由冷水机组制备低温的二次冷媒,送入蓄冷容器中的盘管内,使容器中的水在盘管外表面结冰,并可达到完全冻结。•分为内融冰方式和外融冰方式。2）冰蓄冷系统的形式9.3.2冰蓄冷技术两种典型融冰机理第9章蓄能技术42封装式冰蓄冷系统•把水或有机盐溶液密封在塑料胶囊内，形成封装蓄冰单元。•封装件密集布置在金属贮罐或开敞贮槽中。•乙二醇水溶液在封装件外流动，完成充冷和释冷换热。2）冰蓄冷系统的形式9.3.2冰蓄冷技术片冰滑落式蓄冷系统•系统由制冰成套设备和蓄冰贮槽组成。•片冰表面积较大，均匀分布时可以获得1～2℃的释冷温度和较高释冷速率。•该系统适合尖峰用冷，但初投资较高，并对设备用房层高提出要求。第9章蓄能技术43冰晶式蓄冷系统•专用设备把8%乙烯乙二醇溶液冷却到0℃以下。•过冷的冰水双相液析出细小冰粒并形成冰晶。•冰水混合物呈淤浆状，称为液冰，可以用泵直接输送。2）冰蓄冷系统的形式9.3.2冰蓄冷技术第9章蓄能技术44图9.17水蓄冷系统流程示意图水蓄冷系统以冷水机组制备冷水，在低谷时段把冷量储存在蓄冷水槽中。用冷时从蓄冷水槽取出冷水，向建筑空调系统供冷。1）水蓄冷基本知识9.3.3水蓄冷技术水蓄冷以普通冷水机组为冷源，以保温池、槽或罐为蓄冷装置。它是在常规空调系统基础上增加蓄冷装置和控制构成的简单蓄冷形式。第9章蓄能技术45水蓄冷与冰蓄冷的区别制冷设备：与常规空调制冷机组相同，COP值高，运行能耗低。蓄冷装置：显热蓄冷所需蓄冷容器体积大，冷量损耗随之增加，亦难以适应旧建筑改造。介质输送系统：只使用水作载冷介质,但因冷水利用温差相对较低且多为开式系统,输水能耗增大。初投资：一般情况下初投资较小，如能充分利用消防水池或高层建筑地下基础梁空间构筑蓄冷水槽(池)，初投资可进一步减少。技术要求：水蓄冷空调系统不如冰蓄冷空调系统复杂，设计与运行方面技术要求不高。兼顾蓄热：尤其对于纬度适中地区,适宜利用较大的蓄水装置容积同时兼顾冬季蓄热供热，以利于简化热源并提高蓄冷装置的利用率。1）水蓄冷基本知识9.3.3水蓄冷技术第9章蓄能技术46水蓄冷装置Vw=Qst×3600/（CwρwΔt₂P）（9.1）•Vw为水蓄冷装置容积。Qst为蓄冷装置蓄冷量，单位kW·h。•Cw为水的比热，取4.19kJ/(kg·℃)；ρw为水的密度，取1000kg/m³。•Δt₂为二次冷冻水设计温差，一般取5～8℃；P为容积效率，一般取0.9～0.95。2）水蓄冷系统9.3.3水蓄冷技术第9章蓄能技术47减少供回水混合的技术措施图9.18减少蓄冷水槽内供回水相互混合的技术措施（a）为从蓄水槽口将空调回水经缓冲后喷洒而下，保持蓄水槽上方为温冷回水；较低温度的水则从槽底抽出，从而维持不同温度水的分层。（b）为以一种可移动的薄膜隔开回水和冷水的方法。（c）为采用空蓄冷桶轮替来分开冷水和回水的方法。（d）为采用蓄冷水池多槽分隔来减少冷水和回水混合的方法。2）水蓄冷系统9.3.3水蓄冷技术第9章蓄能技术48带漂浮水口的分格蓄水池图9.19带伸缩软管与漂浮水口的分格蓄水池•漂浮水口通过伸缩软管随水位变化。•大型蓄冷系统可把水槽分隔为多个单元，并采用串联、并联或复合流动方式。•充冷过程下进上出，取冷过程上进下出。

蓄冷池各分格之间采用带浮漂水口和伸缩软管的连通方式，保持了池内分隔方式中水流行程距离大的优点，同时又能充分利用水温自然分层作用来加大水池的有效蓄冷量。2）水蓄冷系统9.3.3水蓄冷技术第9章蓄能技术49热力分层与水流分布器图9.20水流分布器与温度分层•水流分布器使水缓慢、平稳地导入或导出蓄冷水槽。•上部温水区和下部冷水区之间形成温度剧变层，也称斜温层。•斜温层厚度一般不希望超过0.5m，分层良好时约90%的储存能量可利用。2）水蓄冷系统9.3.3水蓄冷技术

温度分层型蓄冷水槽的设计中，为使载冷介质水以重力流或活塞流缓慢平稳地导入或导出贮槽，关键是要在贮槽内正确配置水流分布器（亦称稳流器）第9章蓄能技术50图9.21高层建筑分区开、闭式回路混合流程水蓄冷系统的流程配置2）水蓄冷系统9.3.3水蓄冷技术开式流程

以使用开式蓄冷水槽（池）并直接向用户供冷为特征，按照蓄冷装置的类型，又可分为串联完全混合型流程和温度分层型流程。第9章蓄能技术51图9.22闭式制冷回路与开式辅助蓄冷回路结合流程开闭式混合流程:a.供冷回路与用户间采用间接连接b.高层供冷采用闭式回路，低层采用开式回路c.闭式制冷回路与开式辅助蓄冷回路结合d.水蓄冷系统远距离供冷流程水蓄冷系统的流程配置2