蓄热冷器在采暖空调系统中的应用

蓄热冷器在采暖空调系统中的应用

太阳反射的地板热在四季和24小时内是不平衡的。从废热回收设备回收的废水热量也随着时间的推移而显著变化。这些能源的开发和使用只有依靠储热器才能实现经济和实用。一般采暖、空调和热水供应系统采用的蓄热(冷)器可以分成显热蓄热(冷)器(包括水蓄热器、土壤蓄热器、水—土壤蓄热器)、潜热蓄热(冷)器、化学蓄热(冷)器三种类型。1显热蓄热器采暖瑞典、美国、加拿大、德国、英国、丹麦、意大利、荷兰、俄罗斯、法国、瑞士、芬兰、波兰、罗马尼亚、土尔其、印度等国都对蓄热器蓄热进行了理论研究,还设计建造了一些用于采暖、空调和热水供应系统的显热蓄热器,已投入使用。从目前研究的进展情况看,瑞典处于领先地位。显热蓄热器可以积蓄各种温度的热量,例如:深度为150～200m的石质土中的水蓄热器或含水层蓄热器可积蓄温度高200℃的热量。采用平板式太阳能集热器可以收集较低温度的热量用蓄热器蓄热,在用热季节里直接取热供使用,也可以用热泵升高温度后供用户。目前为此目的使用的热泵都是压缩式热泵,尚未见吸收式热泵的报道。虽然热泵要消耗能量,但它能提供输入能量3～3.5倍的热量。用蓄热器结合热泵供热的经济性优于常用的一些供暖方式,因为采暖、空调和热水供应系统对供热温度要求不高(工业上对供热温度往往要求高得多),采用热泵的供热系数就高(供热温度越高供热系数越低)。随着石油、煤等非再生能源的枯竭,热泵结合蓄热器回收大量较低温度余热、废热和太阳能具有独特的优点,是一项节能的有效措施。1.1蓄热箱和太阳能供热水的蓄热能力很大,为4.187F(×106/m3·k)而卵石为3.7F,玄武岩2.58F,砂子2.21FF,石灰岩1.845F,粘土1.28F,因此国内外用天然水体和人造水池作蓄热(冷)器的实例很多。我国南京五台山体育馆设计建造了蓄冷水池,目的为减少制冷设备的容重。日本自七十年代起,设有蓄冷(热)水池空调系统的建筑,占同期竣工建筑的10%以上,并把采用这类系统放在省能、省资源、有效合理利用能源技术的首位。瑞典的波林盖市附近用一个湖泊作为蓄热器,并用功率为750kW的压缩式热泵从湖泊中获取热量。天热时上层湖水温度可达20℃,底部为16℃;夏季,底部温度为1～5℃。在运行的第一年,供热系数为2.3。地上式钢制或钢筋砼水池蓄热箱的技术经济指标以及对环境观瞻上的影响,一般均不如其它类型的蓄热器好。但瑞典经过技术经济比较后,采用了容积为55×103m3的大型钢板蓄热水箱,用在斯德哥尔摩市西南50km处的居民点集中式太阳能供热系统中,供住房总面积为5.5×104m2的525户居民用热。全年采暖供热量3.2×109W·h/a,热水供热量为2.5×109W·h/a。丹麦等国对半地下式(围堤式)和地下式水蓄热器的热工特性进行了研究。半地下式水池可用施工时挖出的土筑堤。地下式的做成倒截角锥形状或倒截圆锥形状,底部和斜坡均防水处理(通常用聚氯乙烯薄膜),顶部保温。丹麦的林格比市一个有200栋二层楼房的住宅区建造了这类蓄热水池,容积为49.4×103m3(见图1),最高计算水温为40℃,最低10℃。供热量的80%直接取自于太阳能,20%由高峰压缩式热泵供给。瑞典在乌普萨拉市附近的居民区建造了一个太阳能供热用的季节性蓄热器,供550栋住宅用热,蓄热器容量为105m3,在石质中的人造环状蓄热器离地面深30m(见图2),蓄热器底部水温40℃,上水温度90℃,内表面不保温。供热量的60%来自太阳能,从三月至九月蓄热,十月至第二年二月用压缩式热泵供热。蓄热器的造价仅为地下水池的50%。1.2蓄热器系统土壤可以象井水或空气一样作为低品位热源,用压缩式热泵吸热向住宅供暖。一些西欧国家大量独户住宅已装设了这类供暖系统,据报道德国超过5万套,瑞典超过1万套。按德国的气候条件,土壤蓄热器占地面积为采暖房间的3～4倍。建造蓄热器要在冻土下面埋设聚氯乙烯塑料盘管,若把盘管在水平方向或垂直方向布置成多排,占地面积就可小得多。目前已建成的大型土壤蓄热器有:瑞典的库拉维克和孔克斯巴卡两地的二个均为垂直盘管土壤蓄热器。一个用于向四栋总面积为3230m2、多户住宅供暖的太阳能供热系统,蓄热器平面尺寸为26m×26m,体积为8.1×104m3,地下盘管总长度为5600m。外区深12m处土温为10～25℃;内区平面范围5m×5m、深8m处土温为30～60℃,热泵的功率为50kW,出冷凝器后热媒温度为50℃。另一个蓄热器用于房屋面积为1.5×104m2的学校的太阳能供热系统,蓄热器体积为8×104m3,盘管埋深35m,管道总长为42840m,按计算8年内就可收回投资。瑞典的瓦乌尔鲁斯的一个太阳能供热系统在1983年初投入使用,采用的两台压缩式热泵每台22kW。卵石蓄热器体积为3500m3,用聚乙烯塑料管(内径为16mm)制盘管,管道竖向距离0.7m,平向间距0.6m,埋深为5～40m,管道总长8400m。蓄热器的底部作防火处理,顶部和侧壁隔热,上部复土深1m(见图3a)。系统用于总体积为2.5×104m3、总面积为8.6×103m2、年需热量为341×106W·h/a的房屋供热。蓄热器的投资约占总投资的36%。荷兰格罗宁根市的一个圆筒形季节性蓄热器,用于太阳能供热系统,向100栋独户住宅供热。蓄热器直径为40m,体积2.3×104m3,竖向盘管高20m(见图3b)。盘管上部土中布置隔热层。据计算,蓄热器中土壤温度变化范围为20～60℃,蓄热能力为2.7×106J(m3·K)。在这一季节性蓄热器中央放有容积为100m3的短期蓄热水箱。蓄热器的能量总回收率为68%。1.3水—水—土壤蓄热(冷)器含水层蓄热器的含水层,是饱和的多孔固体层,有时也称为“固体海锦”。含水层的厚度数米至数百米不等,经含水层水的渗透流动速度通常为1.5～5m/a。在“充热”时,由一组竖向含水层灌入热水,由另一组竖井取出经冷却的水,在“取热”时,水经两组竖井的流向相反(见图4a)。瑞典研究了含水层和河流相结合的复合式蓄热器。夏季,河水经过热交换器送入含水层;冬季,从含水层取出,经热泵供热(见图4b)。法国在维希市建造了体积为105m3的水—土壤蓄热器,有120个深井,在片麻岩中深约65m。井群布置在约1600m2(36m×44m)的面积上,井管直径150mm,水温80～10℃,平均年效率为60%。因为井水直接与土壤接触,为保护供热系统避免结垢,在管路中设置了热交换器。芬兰“EKONOCONSULTINGENGINEERS”公司和赫尔幸基技术大学对石质土中的深井蓄热器进行了研究,在赫尔幸基的该公司实验室的地下,按直径6m的圆周上打了16个直径50mm、深15.5m的竖井,水沿铜管流至井底,把热量传给土壤。热量不仅来自太阳能,还利用通风系统的废热(空气温度35℃)。冬季,用积蓄的热量对通风系统的送风进行初加热。2在冰蓄热热泵供热潜热蓄热(冷)器中蓄热(冷)物质发生了可逆变的相变(融化和凝固、蒸发和冷凝),并伴随着潜热的吸收和释放。在固—液相变蓄热中,“充热”时固态物质融化,“取热”时凝固。在液—气相变蓄热中,“充热”时液态物质气化,“取热”时凝结。对蓄热物质的要求是:热容量大、蓄热能力强,化学稳定性好,融点低,对人体、动植物无害,价格低廉。如果相变温度接近零度,蓄热器用于供热时对绝热要求就可以低些,甚至不必保温。但采暖设备要求热媒有较高的温度,这时就必须采用热泵。用于供冷的冰蓄冷水池必须很好地保温。装填固—液相变物质的潜热(相变)蓄冷器,如冰蓄冷水池。目前,国内外对冰蓄冷技术的研究与应用实例,在众多的期刊上已广泛介绍,因篇幅所限,本文不再介绍。装填液—气相变物质的潜热(相变)蓄热器,例如,蒸气蓄热器,目前国内外应用实例较多,如上海江南造船厂使用的由同济大学研制的40m3蒸汽蓄热器;南京3521厂使用的16m3蒸汽蓄热器;德国使用的2000m3预应力铸铁蓄热器,储300℃、100bar的过热水等。3金属氢化物的作用对装填化学蓄热器的物质与潜热蓄热器同样要求蓄热能力强、腐蚀性小、无毒、价格便宜等,特别要求不燃烧、不爆炸、可逆反应速度快、不产生副产品。目前,对于化学蓄热器的研究还处于初步阶段。丹麦、西班牙、挪威、美国和德国对装填能吸收和放出氢的金属合金的固—气体化学蓄热器进行了试验研究,并已用于热泵供热、供冷系统。氢与金属合金反应形成氢化物时,会放出一部分氢离解为原子的离解热,而当外界供热时,逆向反应从氢化物中分解出氢。可逆反应时,金属合金体积变化不大,例如1升镧镍合金能吸收1.6L液氢,这时合金的体积只增大25%。这样,氢化物就成了独特的蓄热物质。在同样体积下,某些氢化物比水多蓄热6～14倍。氢化物可分为低、中、高三类,低温的氢化物在低于0℃以下分解,高温的氢化物在高于100℃以上分解。低温氢化物分解出氢时的温度还与装填体积大小有关。利用低温氢化物可大大降低环境介质(空气、水)的温度(0～20℃)