适用于建筑供热蓄热技术的应用与发展

适用于建筑供热蓄热技术的应用与发展

张宗福

淄博市清洁能源发展有限公司

摘要：本文总结了住宅供暖和储热技术的发展和应用，并详细阐述了直接储热（包括显热储热、潜热储热和热化学储热）和间接储热（晶体储热）的原理、特性和研究热点。

1概述

能源是人类生存与发展的基础。随着全球经济的迅速发展，能源的使用也在不断增加。目前，我们国家的传统能源主要依靠煤，石油，天然气。英国石油公司发布的《世界能源消耗年报(2021)》显示，与此相对，在1995-2020年间，全世界的主要能源消费增加了57%，同时，煤的消费增加了74%。但是，一次能耗和煤消费量分别上升了292%和177%，大大高于世界平均值。

我国能源消耗主要依赖于煤炭，这导致严重的生态环境问题。随着我国提出“双碳”战略，新能源的开采与利用将迎来新的快速发展。但是，新能源发展面临着不稳定、时空匹配及供求矛盾等诸多问题，制约着其大规模推广。所以，储存热能是解决目前国内洁净能源供求冲突的一种有效途径。储热技术能够将储热材料与建筑物主体结合，提高能量的储存性能，并可用于建筑供暖，达到削峰填谷的效果。此外，提高供暖系统的调峰能力也是关键。

本文将介绍适用于住宅供暖和储热技术开发与使用的情况。

2蓄热技术分类

热存储方法可以分为直接存储和间接存储两大类。直接存储可进一步细分为显热式存储、潜热式存储和化学存储。其中，显热式存储是指直接贮存高温热量以供后续使用，潜热式存储则是将热量转化为相变储存并释放，而化学存储则利用化学反应进行热储存与释放。另一方面，间接存储方法指的是将较少的热量以一定的方式储存起来，并在需要时提取其中的低位热量。这种方法有晶体储热技术，它是间接储热方式中具有代表性的一种。

3直接蓄热技术

3．1显热蓄热

根据储热物质的种类，可将其划分为液态和固态两种。液体物料的种类有：水、熔融盐、导热油等。一种固体蓄热材料，主要是由粘土、镁质砖等组成。

①液体蓄热

热水贮存热。将热量以可见的方式储存在水中。普通热水储存设备是储热槽，其储存温度在50-95度之间，可以满足一般采暖，生活热水和工业用热水的需要。

熔盐储存热量。熔盐储热也是一种显热储热形式，它是一种以熔盐为介质，以电热形式将热能存储在熔盐中，其储热密度通常为水的2-3倍。储热体具有与大气压相近的储放热特性，尤其是在高温区具有较大的流动特性，为储热器在高温环境下的安全运行和运行状态的稳定性提供了保障。

②固态储热

MgO熔点高，密度大，导热速度快，用它生产出的陶瓷砖可以把电能转换成热量并贮存在陶瓷砖内。镁砂砖作为一种常压力的储能装置，具有较高的热稳定性和较高的储存和释热效果。与液态储热法比较，重复储放热容易引起镁钙砖的裂纹和裂缝，从而制约了其服役年限。

3．2潜热蓄热

相变储能材料按其转变形式可划分为固-液转变、固-气相变、液-气相变等。固-液转变具有体积变化小、储能密度高、稳定性好等特点，近年来受到了广泛的重视。

按照固-液相变介质的种类，可以将相变介质划分为有机组分和组合机组。但是，由于其腐蚀性强、过冷以及相变过程中易发生相变等问题，限制了其应用。相比传统的无机相变储能，有机相变储能体系具有低过冷和相分离的特点，同时也更环境友好，因此在新型储能领域具有重要的研究意义。研究结果显示，通过加入石墨，可以显著改善复合材料的换热性能。

3．3热化学蓄热

相对于相变储热方法，热化学储热密度提高了一个量级。热化学储热按其储存温度可分为高温储热和低温化学储热两种类型。在这些材料中，金属氢氧化物、金属氢化物、碳酸盐类等是较高温度的化学储能材料，而晶体水合物和氨水则是较低温度的化学储能材料。

4结晶蓄热

利用溴化锂水晶作为蓄热量的一种方式是非常重要的。图1所示为一个用来储存一个溴化锂结晶系统的装置。该体系的运行分为储热和释热两个阶段。储热过程：在阳光充足的情况下，打开阀门16并关闭阀门15。利用集热设备对溶液晶体腔体中的溴化锂溶液进行连续的汽化、富集和结晶过程。通过与蒸汽相结合生成的热能在水蒸汽凝聚室中冷却，从而加热其中的水，以供应热水。

释热过程：在多云天气或晚上，打开阀门15并关闭阀门16。利用城市生活用水和其他中低品位的热源通过低温回收炉加热。水蒸汽通过喷洒到吸附床上的浓缩液上，被吸附在溶液结晶室内，从而加热热水管中的水，供应热水。热屏蔽层主要用于液体晶体空腔和蒸汽冷凝空腔之间的热量传递。

该方法利用太阳能和污水等低品位热源，不受结晶温度影响，存储时间更长，同时避免了传统显热和相变蓄热方式的不足。

图1溴化锂结晶蓄热系统流程

5蓄热技术特点

4种储热模式下的热量损耗和供暖温度如表1所示。

表1 4种蓄热方式的热损失及供热温度

①储热表

优势：储热系统比较容易，价格便宜，而且一般是环保的。

不足之处：该装置尺寸相对较大，不宜长时间贮存大容量的热能，散热问题十分严重。需要解决的是增强换热和膨胀系数的配合问题。

研究重点：通过对储热系统操作参数的优化设计，实现对储放热过程热量的高效调控。

②储热量

优点：相较于显热储热，相变储热在控温上具有明显的优越性。在相同的容积条件下，贮存的热能要比显热贮存量大得多。该设备易于使用、结构灵活、管理方便、成本低廉。

不足之处在于：在相变过程中，储热物质的热物理性质会改变，且很多含脂肪族化合物等的有毒且极具腐蚀性，容易造成与贮存介质的兼容性（即：相变储能材料可与贮存介质保持良好的兼容性，是延长储能装置服役周期、降低环境污染的关键）。在工程上，相变与相分离是一个重要的难题。常用的相变材料导热系数相对较小，成本也相对较高。

目前的研究重点是：发展新的相变材料和现有的相变材料之间的兼容性提高。研究了适合于太阳能储热和采暖与空调中的废热利用的低温热储热。

③热量储存

优势：具有较高的储热量密度，极大地节约了存储空间。储存过程中的热量损耗很少。

不足之处：储放热工艺较为繁琐，难以进行有效的调控，需要对整个体系进行紧密性的设计。储-释热循环存在着热、质传递性能不佳、综合效能低下、产生气腐蚀等问题，且存在安全隐患。储热体的成本较高。

研究重点：新型储热介质的研发、系统的紧密性和安全监控。

④晶体储存热量

优势：无论在多云的天气或夜晚，都能源源不断地为用户提供热量。晶体储热方式节省了占地面积，能在低温下工作，且散热损失相对较少。

不足之处：水汽传输依赖于管道两边的压力差，因此需要对整个系统进行气密性设计。其中，绝热层的换热对储、释热特性有很大的影响。

目前，晶态储能系统的发展方向是低成本、高储能密度、高循环寿命、可持续使用等。

6结语

与其它蓄热方式相比，结晶蓄热是一种新型的中、低品位热源存储方式。具有后发性和后效性的优势。目前，各种类型的储热技术都具有广泛的适用性。在应用于建筑物供暖时，需要根据不同的供暖需求，因地制宜地选择适当的储热技术。未来的研究重点将放在储热材料性能和储热方式的多样化上。

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