日本月光计划中的超级热泵集热系统上

日本月光计划中的超级热泵集热系统上

一、热泵热泵1、超级热采集系统是日本《月度光计划》中的一项大型节能技术研究和开发项目。计划从1985年初开始到1993年底结束共需9年时间完成。它在原已完成的热泵技术的基础上进一步提高效率,利用夜间负荷低谷时的多余电力(电价低)驱动高性能的热泵,将城市的低能级余热资源(如地铁的排气、河水、下水和空气的温差及工厂的低温余热等)回收,并形成可利用的高能级热能和冷能,再经化学蓄热器使之成为高密度的能源以便于贮存。然后在白天电力负荷高峰时放出用于空调、取暖及供热水用。2.热泵原理。热泵是一种把不便于利用的低温热源提高到可供利用的高温热源、藉以回收利用各种低温余热的高效节能装置。其原理是借助外部机械功(或热能),将从低温热源所吸收的热量和外加机械功(或热能)的相当热量一并传向高温热源,即逆卡诺循环。为此,它具有两种用途,将低温热源进一步降温的为制冷机,向高温热源供热的为热泵。同时,亦可以一机两用,如夏天制冷,冬天供热;或者同时制冷和供热,常年供应热水等。热泵的效率为所获得的热量Q1与耗功Aι,之商,通称为性能系数(cop)。即:Q2为低温热源吸热量。制冷时的cop为:T1、T2分别为初温和终温。热泵有两大类:(1)压缩式热泵。将氨等低沸点工质通入蒸发器从低温热源吸热后蒸发为氨蒸气,再经压缩机压至冷凝器将热量传给被加热物后变成液氨;经膨胀阀再送入蒸发器吸热后蒸发,如此循环工作传递热量。(2)吸收式热泵。把某种低沸点工质和容易吸收它的溶液相混合,利用在同一蒸汽压下溶液的沸点比低沸点工质高的这一特性而进行吸热和放热工作。常用的有水一溴化锂水溶液和氨一氨水溶液两种。常规热泵的功能系数一般为3～4,出口温度110℃3.化学蓄热原理。为了解决热量和冷量的贮存问题,过去多采用热水槽和冰槽。但由于它们的贮热密度太低,占地面积大,经研制发现一些可用于贮热的化学反应(如表1)。由于化学蓄热器贮热密度高和使用方便.既可以减少蓄热槽容积和占地面积,同时亦有利于提高贮热效率,从而经济上亦较有利。二、主要研究方向总的目标首先是将ccp提高到6～8,出口热水温度提高到150～300℃,以扩大应用范围;其次是实施装置小型化和高效化,以节约占地面积和降低成本见表2。主要研究开发进度为:1988年以前进行工质、材料和单项设备的基本研究并完成中间评价;1989年至1992年进行1O0kW级热泵和4万kJ(1万kcal)级蓄热器以及1000kW级系统的工业试验,并收集齐有关试验数据,以进行3万kW级系统的设计。三、主要研究和开发1.超高性能热的开发和设计(1)高效特种采用复式压缩机进行多段压缩,采用不同沸点的混合流体工质和密闭式电机。(2)高性能用螺杆压缩机,但需改进传动齿形以提高效率。工质仍采用不同沸点工质的混合液,并利用两段再热系统,以提高循环效率。(3)消轴向推力采用螺杆压缩机并选用双向传动齿轮,以抵消轴向推力从而提高效率。工质采用热稳定性好的三氯乙醇一水系工质,并采用可回收从冷凝器出来的膨胀功的二相膨胀螺杆机。(4)高温输出型包括高温水源采用可用于高温的水—汽系工质和8～12m/s的高速往复式压缩机。它可将150℃的余热提高到300℃。2.化学蓄热装置采用以下五种形状(1)热热质的制备利用负荷低谷时的多余电力驱动压缩式热泵产出150℃的热水将蓄热工质CaBr2·2H2O进行脱水反应,产生的水汽经冷凝器/蒸发器冷却后取出保存(—70℃),高负荷时用此水对蓄热工质进行水化反应,又可产出150℃的高温水,必要时可达170～200℃。(2)高温蓄热氨反应利用氨络合物和液状氨的吸热、放热反应进行200℃左右的高温蓄热。为了冷却到氨液温度,中间加压缩机。(3)工质吸收热的贮藏利用夜间低谷的电力制出工质溶液浓度不同的吸收剂贮存,白天再将工质的吸收热放出。反应式为:在吸收器和再生器间设压缩机,以通过压力变化改变反应温度,可达到85～150℃范围内的蓄热和放热。(4)低温蓄热型利用工艺物质浓度变化夜间利用多余电力驱动压缩式热泵产生的85～120℃热水,通过疏水性膜将蓄热工质通过浓缩后贮存,白天稀释后使之制冷。(5)冷能的贮藏利用笼型包合物生成时发热和分解时吸热的反应,而进行冷能的贮存。由于它的反应温度比冰高7～10℃,正适合于空调。但又比冰的传热性能好,有利于提高热泵和蓄热器的效率。四、日本民调峰开发的制约在开发过程中由于石油价格下降和所用工质破坏臭氧层而受到限制,开发曾一度拖延。但日本政府出于对民用电调峰任务加剧,仍抓紧进行。特别是近年来对城市排放NOx和CO2的控制严格化,更促进了中间阶段成果的试用。五、市低能效能源回收利用的措施日本政府已将原来的日光计划(以开发利用新能源为主)和月光计划合并为新日光计划。在计划中按经济、环保协调型的原则,已将大中型城市低能级能源的回收利用做为重要课题,要求达到回收全国用能量的6%和降低全国CO2排放量的9%的目标。我们除了搞好工业和交通、运输等系统的节能外,对于城市建