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热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……
栏目:科技创新 发布时间:2020-10-29
 "泵"系供热工程       热泵(洁能&节能技术;储电蓄热&蓄冷技术);       内能热泵(热媒"分子热运动&分子势能&q

 "泵"系供热工程

       热泵(洁能&节能技术;储电蓄热&蓄冷技术);

       内能热泵(热媒"分子热运动&分子势能"自热技术+虚拟蓄热技术);

       蒸汽泵(激波混热技术);

       输配泵(激波节电技术);

       水锤泵(热网最不利环节无动力增压技术);

       … …

       蓄能储电的价值

       储能技术即能量存储和再利用的技术,按其基本原理分类,可分为物理储能、化学储能以及一些前沿储能技术,其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能等,化学储能有铅炭电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器等,液态金属电池、铝空气电池、锌空气电池等属于比较前沿的技术。不同的储能技术其特征和应用范围也有所区别。单从储能技术评价指标来看,就包括功率规模、持续时间、能量密度、功率密度、循环效率、寿命、自放电率、能量成本、功率成本、技术成熟度、环境影响等。可以说,没有一种单一储能技术可以适应所有的储能需求,应按需选择合适的储能技术或技术组合。

       储能作用和价值体现在以下几个方面:

       对于发电集团来说,储能可以延缓发电装机投资,改善调频调峰性能,规避市场上的极端低电价风险,典型的应用技术有抽水蓄能、压缩空气、储热、液流电池、锂电池、铅酸电池等; 对于电网公司来说,储能可以延缓输电、配电设备投资,缓解局部电网阻塞,提供调峰调频、电压支撑,提供紧急备用、黑启动等。典型的应用技术有抽水蓄能、压缩空气、储热、飞轮、超级电容、液流电池、锂电池、铅酸电池;

       对于新能源运营商来说,储能可以减少弃水、弃风、弃光电量,改善电能质量,规避参与市场交易的偏差惩罚风险,规避市场上的极端低电价风险;典型的技术有储热配合光热发电、锂电池、铅酸电池;

       对于用户和售电公司来说,可以利用峰谷价差盈利,提供调峰调频等辅助服务,与分布式光伏配置使用,规避市场上的极端高电价风险,保证稳定的电能供应,规避停电风险等;

       从能源发展角度审视,电力、热力能源体系联系将更加紧密,可再生能源利用也将增加,为保障能源安全平稳输出,需要配套具有峰谷调节能力的储能系统,充分调动需求侧响应资源即是重点之一。而在清洁供热领域,要适应这种变化,需要加强用户侧响应,配套蓄热等技术响应电网对于能源的综合调度。能够在新能源上网的高峰期消纳电能,在低谷期为新能源上网腾出空间;

       对清洁供热而言,提前布局蓄热市场,配合需求侧响应,将符合“十四五”能源发展趋势,为进入政策更加完善的电力辅助服务市场奠定基础,以获得调峰补助等其它补偿收益。

       热泵节能

       -35℃,低温不再是障碍!这6大技术使空气源热泵战胜严寒:

       一.变频技术

       压缩机变频(变转速)技术能够在压缩机气缸工作容积不变的情况下,通过提高压缩机的运行频率,来达到增大压缩机实际输气量的目的,从而有效减缓制热量衰减幅度。

      二.准二级压缩技术

       与普通空气能热泵机组相比,准二级压缩空气能热泵系统机组具有以下两个突出特点:

       1)压缩机上设有中间补气口,通过辅路补入中温中压制冷剂,既增加了流经冷凝器的制冷剂循环流量,又降低了蒸发器入口的制冷剂比焓,从而提升低环境温度下的系统性能。

       2)通过关/开辅路上的节流装置,可以实现单级压缩热泵系统和准二级压缩机热泵系统的切换,既能够确保常温工况下的系统性能,又能够确保在室外低环境温度下的安全、可靠运行。

       三.单机双级压缩技术

       与采用准二级涡旋式制冷压缩机和准二级滚动转子式制冷压缩机的空气能热泵系统相比,双缸双级滚动转子式制冷压缩机空气能热泵系统具有以下优势:

       1)中间补气量大于准二级系统,有利于提高制热量和降低排气温度。

       2)压缩机的总压力比由低、高压级气缸分担,使得每级气缸的压力比显著减小,提高了压缩机的容积效率和等熵效率,有利于提高热泵制热量和COP。

       四.双机双级压缩技术

       为了实现空气能热泵在不采用电辅热等情况下满足寒冷地区冬季供热需求,采用两个压缩机串联的双机双级压缩空气能热泵系统应运而生。采用双机双级压缩的空气源热泵可以切换为普通单级压缩运行模式,也可以切换为双级压缩运行模式,

       五.双级耦合热泵技术

       双级耦合热泵系统由空气--水热泵系统与水--水热泵系统组成,分别为一级和二级。在低温及超低温工况下,双级耦合热泵系统制热运行时具有较高的制热量和COP,以及较低的排气温度。

       六.复叠热泵技术

       复叠热泵系统由两个相对独立的单级压缩热泵子循环(分别为高温级循环和低温级循环)通过冷凝蒸发器耦合而成。一般而言,高温级循环使用中温制冷剂,低温级循环使用低温制冷剂。

热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图1)

热泵温差发电暨半导体制冷制热技术

       我们现今所使用的能源,有些直接来自太阳,如太阳能板;有些是太阳能转化的 能源,像水能、风能、生物能;有些是早期由太阳能转化来的一直储存在地球上的能源,像煤炭、石油这样的化石燃料。

       为了方便使用,人们把这些能源转换为电能。如果我们把火电厂看做一个黑盒子 的话。那么输入的是煤,亦即热量,输出的是电能。热量能使实体物质产生温差,那么如果能 够开发出一种装置使实体物质如空气产生温差,来提取能量进行发电,也就实现利用周围 环境物质中的能量来实现装置的自发电。该空气能温差发电装置需要两种技术的支撑热泵技术和温差发电技术。

       热泵技术--空气能热水器就是个典型的热泵,它基于逆卡诺循环原理,将工作介质通过压缩膨胀释放的相变循环,吸收周围环境空气中的热量并压缩升温后转移到被加 热侧,它消耗的电能仅仅是压缩机用来搬运空气能源所用的能量,因此热效率(COP)高达 380~800%, COP理论值高达1000% ;也就是说每付出IkWh的电量做为催化剂就能产生 等效于38kWh的热量,这其中IkWh来于电力,另外26kWh来源于空气。能量守恒公式为空间2获得能量=空间1失去能量+为转移能量所付出的电能。

       温差发电技术--人们根据赛贝克效应制造了温差发电器件,它具有寿命长、无须维 护、无污染、无振动等特点;随着半导体技术的不断发展,温差发电器件取得相当的进步,但转换效率还有待提高。热电转换效率主要由热电优值(ZT)来决定,ZT= S2T0/K(S是材料的热电动势率 即赛贝克系数,T为绝对温度,σ为电导率,K为热导率)。因此,提高ZT值一直是研究热电材料的主要工作。

       目前美国Hi-ZTechnology公司温差电器件ZT接近3,2年后预计会提 高到ZT = 4,温差发电效率达20% ;如果使用新型的量子阱材料,效率还有望达到35%。

       随着新材料和工艺的提高,温差发电器件的热电转换效率会不断的提高,该技术方案的发电效率和实用价值也会不断提高。目的在于利用现有技术的改进和优化组合,提供一种热泵型温差发电装置,以实现把空气(或其它物质,如海水)中的热能转化为电能并输出,并且随着热泵和温差发电效率的提高,该装置的效率得到有效会的提高;即实现吸收自然界中蕴含的能量进行发电。并将电能储存起来供系统中的电器元件用电,进一步降低热泵系统工作时的耗电量。例如,热泵机组电伴热除霜、电磁能补热,等等。

       半导体温差发电模片

       蒸发器表面以及冷凝器表面直接或间接的固定有半导体温差发电芯片。用压缩机工作相连的蒸发器与外界的温差发电,同时利用冷凝器与外界温差进行发电。容易实现大批量的规模化应用,直接供用户使用或将电量存储起来可以做为备用电源,或直接反馈到压缩机的输入端,降低电耗,

       热泵洁能

       清洁供热是指供热全程清洁化(热泵 1.0),热源组成多能化(热泵2.0),能源利用高效化(热泵3.0),供热管理智能化(热泵4.0),室内环境宜居化(热泵无水地暖)。

       电燃锅炉:众所周知,电弧能够迅速的把电能转换为热能,并且高温等离子体可以被气流吹动,以实现指定部位的加热。电弧炉、等离子弧焊枪、割炬就是用了这个原理。之所以取名为电燃锅炉,是因为它的点火方式为插电生火。其实,是以脉冲方式供给电流的电弧。民用电压通过变压器升压,使电弧击穿空气产生等离子炬,从而产生我们可见的"火"。实际上,是"空气电弧等离子体焰炬"。我们知道正常的火焰是没有多少氧气的,因为氧在火焰发育后完全消耗。但是空气等离子焰空气中的氧气被加热到800℃用电拆开成单原子态的氧自由基!,氧自由基的腐蚀效果,在所有气态化合物里仅次于氟气。通常,工业用途时,持续喷入传统燃料来吸收等离子体里的氧自由基。"焰"(载体)是惰性气体,并不存在腐蚀问题。

       严寒地区"热泵+电燃锅炉"&"热泵+余热锅炉"

       建议用空气能热泵+电燃锅炉的多能源组合方式,利用峰谷电政策,让空气能热泵在白天温度高的时候工作,而晚上谷电段用电燃锅炉来工作。因为最低气温段都是在凌晨,也就3~4个小时,而-25℃以下的气温也基本都在这个时间段。在白天,即使是严寒地区,冬天也很少有-20℃的天气。晚上的时候空气能热泵不工作,只用电燃锅炉工作,就可以保证采暖系统的正常运行。而且,电燃锅炉还有个优势,就是运行的时候没有噪音。晚上谷电段的电价一般不到白天电价的一半,这就相当于电锅炉的COP达到了2.0以上,其实,跟热泵运行耗能没多大区别。


热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图2)热泵蓄热
       《空气源热泵供暖系统缓冲蓄热水箱安装规范》;T/CECA-G--0014—2017空气源热泵供暖系统缓冲蓄热水箱--安装规范 。
       蓄热系统主要有以下几种:
       风力发电高温蓄热器系统:其原理是:利用风力发电机发出的电能转变成热能,直接存储在风力发电固体蓄热器中。用于采暖和供热水系统释放(该蓄热机组也可以为热空气系统提供热源;可以推动吸收式热泵系统;可以为地源热泵高值运行温度补偿;可以为低温有机工质朗肯循环发电系统提供低温热源;可以提供导热油系统所需热源;可以为太阳能光热系统提供温度补偿等)。是一种适合家庭(各种)用户的新型采暖(蓄能)装置,在采暖季为客户提供不间断供热 ,可广泛用于无法通电和供热的牧场、边远哨所、度假景区。
       太阳能光伏发电蓄热系统:是将太阳能光伏装置吸收阳光的光能变成电能,再将电能转化成热能,储存于固体蓄热器中。形成从光伏发电到固体蓄热设备采暖和供热水系统,实现了电能转化热能,以供客户采暖和热水的需求。
       风光互补电蓄热器系统:可将风能和太阳能光伏发电直接转化成热能并储存在蓄热体中。可为用户提供持续、稳定的取暖,提高了风能和太阳能的利用率,提高了家庭取暖的健康性、安全性,降低了用户成本,实现了经济效益和环境效益的双赢。
       新型楼宇冷热源系统:利用水蓄冷技术和电加热蓄热设备组合成一整套管路系统,充分利用低谷电,取代中央空调,解决现代城市办公耗电量高、费用高、污染严重的问题。利用新型楼宇冷热源系统,设备初投资少、运行费用低、没有污染。
       电加热式固体蓄热系统:充分利用了电热技术、绝热技术、固体蓄热技术、热交换技术。采用热水、热空气和蒸汽等多种形态的能量输出形式,并实现了所有参数可设可调的综合。
热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图3) 热泵蓄冷
       蓄冷技术是是利用各种物理、化学、机械等有效手段将冷量储存在蓄冷剂中,需要时再将储存的冷量释放出来的过程。通过该技术生产出来既能高效储存冷量,又符合各种物理、化学要求的这种物质称之为蓄冷剂。相变蓄冷材料由多组分组成,包括主储能剂、相变调整剂、防过冷剂、防相分离剂、诱发剂等。
热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图4)



1)无峰谷电的系统方案及主机选型


       综合能效及工作能力方面,空气能热泵一般提供50℃以下的热水,再高的时候用电锅炉来提升温度。如果散热器的供回水温度是55℃/35℃(二次管网的供水温度是50~60℃,可以满足,也满足散热器20℃的供回水温差),那么可以用两台空气能热泵主机串联,把水温从35℃提升至50℃,这样每台主机的进出水温差只有7.5℃,而50℃之后再用电锅炉提升到55℃。
       这样一来,空气能热泵是在低温段(35℃~50℃)工作,能效比较高,也有利于运行稳定而且还可以解决散热器需要高温水、大温差的问题。
       2)有峰谷电的系统方案及主机选型
       有峰谷电,让电锅炉在晚上谷电段工作,让空气能热泵在白天能效高的时候工作,无疑是最好的方式。白天非谷电价时间段空气能热泵运行,两台热泵主机串联产45~50℃的热水(白天温度要求低),供回水温差15℃;晚上谷电时间段电锅炉运行,产70~80℃的热水,晚间循环水供水温度50~70℃,供回水温差15~20℃。
       如果是节能建筑,用建筑墙体去蓄热是很好的方式,但如果不是节能建筑,墙体蓄热就不合适了,这时候可以考虑用水箱来蓄热,利用峰谷电价,在晚上谷电段的时候来加热水箱。而晚上给水箱蓄热时,最好用电锅炉来制热,而不是用空气源热泵,因为电锅炉可以制更高水温的热水,储存的热量更多。如果用空气源热泵来蓄热,在同等的蓄热量下,水箱的容积要大上好几倍。
热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图5)热泵发电
       从理论上讲,"热泵发电"这场革命是可以获得成功的。理论的依据就是热力学第二定律。
       我们知道热力学第一定律就是能量守恒定律,主要强调量的平衡,而热力学第二定律是强调能量的质量概念。同样数量(焓)的能量,由于质量(温度、压力)的不同,其所具有的做功能力或者叫做可用能(㶲)也不同,科学家已经把㶲(字典上无此字,读作yong),定义成一个状态参数。㶲值越高说明能量的可用能部分比例高,即质量越高。能量有可用能部分,自然也有不可用部分(,字典上也无此字,读作wu)。的概念是环境状态下,工质所具有的能量,也就是说工质从某一状态变化至环境状态所释放的能量就是其具有的可用能。
       显然:能量=+㶲
       而可用能又称做功能力,做功不同于热交换。单纯的热交换效率只能是100%,而做功则不一样,从获得热量的角度上讲,做功所获得的热量一定是大于100%的。
       要做功,工质所处的状态必须高于环境状态,工质的温度越高做功能越强。通过做功使工质的温度降低,是对能量的有效利用,反过来说如果不做功,单纯的热交换是对做功能力的浪费,是对能量的最低效的利用形式,任何温差下的热交换,都意味着做功能力的损失,某种意义上讲都是一种浪费。
       请留意一下,目前正在运行的所有锅炉(将被称为传统锅炉),都是以热传递的形式将高温状态下能量转换成较低温状态下的能量,大量的做功能力在这种热传递中损失掉了。燃料燃烧过程中产生1700℃以上的高温是能够实现的,但水蒸汽的温度最多不会超过700℃。可见下这里有多大的传热温差,多大的能源浪费,多大的节能潜力可挖虽然说在这个温差大设置热机做功,由于材料科学限制等原因,在技术上存在很大的难度,但起码我们发现了这个巨大的节能空间
       在这个空间下还有另一个空间可以挖掘,而且在技术上难度不大,这就是在高温蒸汽转变成较低温度下的采暖用热水过程中由于温差的存在,产生了做功能力的损失,在这个温差下设置热机通过做功使热量转移,并且同时吸收低温热源的能量,就能够使能量利用率大大超过100%。目前采用喷射类换热产品就是利用部分蒸汽做功能力,不仅获得了高温热水而且还获得了压力,使能量的利用率有所提高,但由于没有从低温热源吸收热量,使蒸汽的做功能力仍有大量损失。
       我们相信交换站中的热交换总有会被一种先进的热泵装置所代替。到那时候要获得1kJ的热量将不再需要消耗1kJ的热量,可能是0.7kJ就够用。
热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图6)
热泵储电
       多能互补系统可以充分地利用分布式能源和可再生能源,对提升可再生能源消纳比例和提高能源综合利用效率具有重要意义。分布式能源从空间、时间和特性上将多种能源进行整合互补,缓解整个系统波动,提升供能可靠性。
       储电技术是解决可再生能源的不稳定性与间歇性的关键技术之一,同时也是常规电力系统削峰填谷的关键技术之一。由于太阳能和风能等可再生能源存在着简写性和不稳定性等问题,通过与热泵储电系统耦合,从而为可再生能源的不稳定输出问题提供解决方案。同时由于热泵触点系统没有地理和地质条件的限制,无论是太阳能还是风能再或是生物质能,都可以灵活地利用热泵触点系统提供稳定的输出。热泵触点系统的蓄热、蓄冷装置使得其可以利用电力、化工、水泥等工业余热、废热做为外来热源。所以,其应用前景十分广泛。
热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图7)

热泵储电技术(pumped heat electricity storage,PHES)是基于动力循环和热能储存(thermal energy storage,TES)技术发展出来的一种电能存储技术。在储能时,消耗电能驱动逆向动力循环,将低于环境温度的部分热能”泵至”高温状态并存储,从而同时获得相对环境的低温冷能和高温热能;在释能时,将存储的低温冷能和高温热能通过正向动力循环转变为机械能,驱动发电单元。

热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图8)

热泵储电系统通常由压缩机、膨胀机、储热器和储冷器组成,如图所示。其工作原理为,在储能时通过逆向布雷顿循环(热泵循环)将热能从储冷器内部“抽出”至储热器,并存储冷能与热能;当需要电能的时候,通过正向布雷顿循环(动力循环)将存储的热能和冷能转化为电能。

热泵节能、热泵洁能、热泵发电、热泵储电、热泵蓄热、热泵蓄冷……(图9)

不同种类的热泵储电系统:根据储/释能循环类型的不同,出现了基于布雷顿循环、卡诺循环和朗肯循环等多种热泵储电技术;根据循环工质类型的不同,出现了以氩气、二氧化碳、湿空气和氨气等多种材料为工质的热泵储电技术。