|
青岛市能源工程学会与青岛瑞焓清洁能源供热研究院联合开发项目《冷水相变储能热泵供暖供冷》通过一年多的能力于11月底结束。关于低品位能源热泵供暖制冷技术，新开发的冷水相变储能热泵供暖制冷技术是提取水中的潜热来供暖的，而传统的水源热泵技术都是提取水中的显热来供暖。研究表明，水在结冰过程中释放的凝固潜热相当于相同水量降温1℃放热量的80倍。如果按常规水源热泵供热系统取水温差5℃计算，相同的水量，冷水相变储能技术提取的热量相当于传统水源热泵技术的16倍，也就是说可供暖的面积是原来的16倍。换句话说，在相同供暖面积时，所需水量仅为原来水源热泵系统的1/16。这也就意味着采用水源热泵供热技术将不再受到水源、水量的限制，该技术从根本上助推了水源热泵供热系统的跨越式发展。
煤炭、石油、天然气等不可再生的化石能源是人类社会主要能量的来源，但是经过百年的过度开采和巨大消耗，已不可遏止的走向枯竭，而与之伴随的环境污染问题也日趋严重。由于大气质量急剧下降造成的雾霾问题已经严重的威胁到人类的生命健康并严重破坏了生态平衡。目前，各行各业都在积极研究能源问题，寻找节能、清洁、环保和可再生的新能源。
作为能耗大户的建筑用能，占社会总能耗的1/3左右。而建筑用能的主要部分是采暖空调用能，采用燃煤供暖，不仅煤耗量大而且严重污染环境，是雾霾产生的最主要原因之一。此外，采暖空调属于低品位能源消耗，常年介于18~27℃之间，利用任何诸如煤、天然气等化石等能源供暖制冷都是对能源的极大浪费，且会造成严重的环境污染。
利用新能源进行供热制冷已经得到了很大的应用，比如水源、地源、污水源、太阳能、生物能等的应用。其中，采用低品位能源供暖制冷是降低能源消耗和解决环境污染的有效途径之一。但是，低品位能源应用的必要条件是需要有可提取利用的低品位能源。我国虽然幅员辽阔、地大物博，但实际上低品位能源的分布是相当不均匀的，这也就是为何低品位能源的应用难以推广原因。因此，如何开发新型低品位能源和储能技术具有重大意义。低品位能源热泵供暖制冷技术有近150多年的历史，在理论上已经相当成熟，但将技术成果转化到日常应用却是一个崭新的课题，发达国家是从上世纪70年代开始进行商业推广的。我国自2000年以后，地源热泵兴起。我国是热泵的产量大国，污水源热泵供暖制冷工程案例众多，发展成熟，但是在很多地区因为受到低品位能源有限的限制而无法得到大力推广。
课题组自2000年以来专注于研究低品位能源受限问题，先后研发了冷水热量的提取装置和储热设备，申请了诸如一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统、一种利用凝固潜热的热泵系统、一种凝固热的采集方法、一种凝固热的采集装置及系统等专利，其目的是解决低品位能源供给不足而导致的无法供热制冷的问题。研发出一套成熟可行的冷水相变储能热泵供暖制冷系统，利用少量电能从少量冷水中提取水中储存的巨大潜热能源用于供暖制冷，广泛适用于水源匮乏和水温较低地区，其输送能耗不高于污水源热泵系统的10%。在凝固热的提取工艺上采用相变储能供暖制冷技术来实现，课题组研发了一套先进的凝固热提取和传热工艺，着重解决冷水结冰、除冰和排冰等关键性难题，实现了热泵技术连续稳定高效运行。
其主要研发内容包括：
1.冷水相变储能换热装置的开发。利用液固流态化的换热方法，在传统换热装置内部设置刮刀，间歇性的去除换热设备内部凝结的冰层，使得换热器内部始终处于固液并存状态，保持较高换热效率的同时实现固体冰层在换热器及管路内部不滞留，实现循环热传递。
2.冷水相变热储能热泵系统的开发。开发的冷水相变储能热泵系统不需要长距离与高位能差取水，使水泵的功耗降低25%左右，最终使系统输送能耗不高于污水源热泵系统的10%，而总投资降低10%。
技术关键，换热装置内部始终处于固液并存状态，需要设置合理的除冰循环；除冰装置的机械设计及可靠性验证；系统能耗分析，使系统达到最佳能耗比；系统实现全自动微电脑控制，安全可靠。主要技术经济指标，开发出成熟的冷水相变热储能热泵系统，实现热泵供热系统不需要长距离与高位能差取水，降低系统输送能耗25%左右，最终使系统输送能耗不高于污水源热泵系统的10%，系统综合性能系数不低于3.5，,系统总投资降低10%。项目达到了预期的技术水平，经济、社会效益及推广应用前景技术水平、经济、社会效益。本项目研究的冷水相变储能热泵系统不需要长距离与高位能差的取水，水泵的功耗降低25%左右。按照一般水源热泵系统中机组COP为3.8，水泵功耗占系统功耗的25%左右，本套系统输送能耗相比于污水源热泵系统高8.5%左右。相对于常规水源热泵系统，本系统不需要热源井或取水构建物，增加了凝固热换热器。一般来说，对于水源热泵系统，取水系统的费用占总初投资的20%～40%。本系统所增加的设备费仅占初投资的10～15%，而总投资则降低15%以上。此外，当用自来水作为热源时，每年每万平方米，一个采暖季所需水量为3000~4000立方米，自来水按照3元/m3计算，运行成本也就增加1元左右，经济上是可行的。在非严寒地区，白天的温度在0℃以上，若是采用空气源热泵，其效率是很低的。采用提取冷水潜热来供暖，设置蓄冰水箱，晚上提取潜热供暖，白天利用空气来融冰，可实现冷水储能，进一步提高经济效率。冷水相变储能热泵系统可以完全代替冰蓄冷系统，相比于现有的冰蓄冷系统，它具有初投资低、运行费用低的特点。夜间结冰，利用冷却塔排热；白天融冰制冷。本系统可以冬夏两用，经济节能。
冷水相变储能热泵供暖系统与市政集中供暖、燃煤锅炉与空气源热泵相比具有很高的经济性和节能性，虽然略次于污水源热泵系统，但其不受水源和地域限制，在经济上也十分具有优势的。本套系统输送能耗虽然相比于污水源热泵系统高8.5%左右，系统整体能耗也略高于污水源热泵系统，但是相比于燃煤供暖、天然气供暖和电供暖是十分节能的，有效解决能源匮乏和环境污染问题，因此该技术实现大规模推广的可行性是十分乐观的。本系统研制开发难度很大，需解决冷水相变储能热泵系统两个最大的技术难点，除冰工艺及能耗比例优化，且同时还要实现自动化控制，故需要大量时间进行试验数据积累及产品改进。项目进度如下：2018年2月-2018年5月：主要是进行产品的理论研究及相关实验平台的搭建，通过与以往的技术进行对比分析，进行产品模型制作及微型试验。2018年6月-2018年10月：进行产品试制，并进行试验观测，记录试验数据，明确换热除冰装置与热泵系统的调节匹配，对可能出现的隐患进行排除，为今后的中试提供基础。2018年11月-2018年11月底：主要是进行试点应用，在实际应用中获取大量工程数据后对产品进行进一步的改进，确保运行效果，为下一步规模化应用提供基础。
在收集和阅读资料，调查和分析国内外研究状况，借鉴国内外高温热泵机组相关研究成果的基础上进行，文献研究是项目展开的基础。理论设想、分析推导与实验验证的方法。基于中低温热泵机组的应用工艺的试验结果，理论设想高温热泵机组的可行性，分析其运行机制后，试验其可靠性。理论联系实际的方法。项目的研究成果是直接用于实践应用的，在研究的过程中特别注重与实验数据的吻合，针对示范项目的实践研究，对本文提出高温热泵机组相关的理论模式进行验证。实践研究的方法。对理论上很难得知的实际运行工况、参数、能耗及技术经济指标，基于示范工程做跟踪实践研究。调查当前技术发展现状和工程实际应用情况，召开课题组研讨会，探讨分析当前技术存在的难点和关键问题；根据问题提出解决思路并进行相关的理论计算和模拟验证，确定行之有效的解决方案；依据理论对除冰装置和换热工艺开展设计，达到预期要求；对开发的冷水相变储能热泵系统进行控制系统和最佳能耗比的研究，确保机组能够经济可靠运行；改进冷水相变储能热泵系统达到定型生产的要求。
青岛瑞焓清洁能源供热研究院作为课题的承担单位，负责组织课题的策划、实施，对合作单位工作的协调、监督检查，负责主要技术的攻关研究。主要任务包括：系统实验台的建设与实验研究；系统最佳运行工况研究；编写项目立项书、项目验收总结报告，组织课题验收等；青岛能源工程学会作为课题参加单位，在理论上进行技术支撑，协助课题承担单位积极完成项目，主要任务为冷水相变储能系统换热装置设计及其优化方案研究。项目用到的及需要增添的主要设备、仪器、材料已经完成，该项目主要需要使用的的仪器设备有：系统综合性能实验平台一套、换热性能实验台一套、液压工装一套、摇臂钻床一台、喷漆房一套、卷板机一台、带锯床一台、LD单梁起重机一台、焊接专机二台，以上设备及材料公司已经全部具备。根据项目要求还需添置的仪器设备及材料有：水源热泵机组1台、换热器2台、水箱1台、减速电机5台、水泵5台、法兰盘、钢板、橡塑保温棉等配件若干。合作项目达到了预期技术成果，申报和获准专利1项，发表论文2篇。将用1-3年推广建设一批示范工程，为2-5个项目应用冷水相变储热热泵技术。
|
