建筑用分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)研究*

袁洪躍，王方方，王 蕾，王季琴，魏貞祥，馬振邦

(1. 河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，鄭州 451192；2. 北京博瑞萊智能科技集團(tuán)有限公司，北京 100095)

0 引言

建筑部門(mén)是碳排放最高的終端消費(fèi)來(lái)源。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)，建筑材料(鋼鐵水泥等)的制造過(guò)程所產(chǎn)生的碳排放以及居民和商用建筑的化石能源使用帶來(lái)全球9%的直接碳排放，電力和熱力使用帶來(lái)19%的間接碳排放，另外建筑的建設(shè)過(guò)程產(chǎn)生的碳排放占10%?！疤歼_(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略下，實(shí)現(xiàn)碳中和一方面需要推動(dòng)超低能耗建筑發(fā)展、消除現(xiàn)有的化石能源采暖方式，以被動(dòng)式保溫為基礎(chǔ)，結(jié)合分布式可再生能源和先進(jìn)熱泵技術(shù)，有效降低建筑用能。另一方面，要解決規(guī)模龐大的存量建筑的低碳改造，這就需要多種新的技術(shù)的應(yīng)用，其中開(kāi)發(fā)利用新型的建筑材料及建筑用新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而提高改造的經(jīng)濟(jì)性是建筑部門(mén)存量替代的關(guān)鍵。

相變儲(chǔ)能材料，特別是無(wú)機(jī)類(lèi)相變儲(chǔ)能材料具有價(jià)格便宜、導(dǎo)熱系數(shù)大、儲(chǔ)能密度高等優(yōu)點(diǎn)。相變儲(chǔ)能技術(shù)可以在智能電網(wǎng)、電力系統(tǒng)調(diào)峰、分布式能源、可再生能源、低碳建筑、工礦企業(yè)余熱利用等方面發(fā)揮重要作用，相變儲(chǔ)能技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者、各大院校、研究機(jī)構(gòu)、公司所重視。

建筑用儲(chǔ)能系統(tǒng)要求整體上價(jià)格便宜，易于安裝實(shí)施，能兼容各種能量來(lái)源，克服能量供給和需求之間的差異性，無(wú)機(jī)相變復(fù)合材料的研究能夠很好的解決這些問(wèn)題。本文選取新型無(wú)機(jī)水合鹽相變復(fù)合材料，制備建筑用單元模塊；充分利用多種技術(shù)手段，構(gòu)建適應(yīng)于多種能源系統(tǒng)的儲(chǔ)能、傳輸、熱能轉(zhuǎn)換的智能分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1 建筑用相變復(fù)合材料單元

1.1 無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變復(fù)合材料

新型相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的制備，選取四水硼砂、六偏磷酸鈉、十水硫酸鈉基、藻酸鉀、六水氯化鍶、硅酸鋁鈉、亞鐵氰化鉀和活性氧化鋁等材料，采用低共熔混合理論，基于相變溫度為60℃和30℃的無(wú)機(jī)相變材料的配方，測(cè)定不同比例下的潛熱儲(chǔ)存能力。整個(gè)制備過(guò)程采用綠色環(huán)保、無(wú)毒無(wú)腐蝕工藝，從而達(dá)到復(fù)合材料的相關(guān)性能，提升能源儲(chǔ)存、傳輸和轉(zhuǎn)換效率。圖1所示為工藝流程。

圖1 無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變復(fù)合材料制備

1.2 毛細(xì)管網(wǎng)儲(chǔ)能單元

基于制備好的無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變復(fù)合材料，用毛細(xì)管網(wǎng)工藝制備建筑用相變儲(chǔ)能單元，毛細(xì)管網(wǎng)采用水作為能量輸送的載體，在能力輸送的過(guò)程中具備效率高和能效高的特點(diǎn)。具體制作的過(guò)程中，毛細(xì)管網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上采用集分水式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有換熱面積大、換熱均勻、換熱效果好、水力損失小的特點(diǎn)，決定了毛細(xì)管網(wǎng)是一種高效的換熱器。材料上，選取的是耐熱性聚乙烯(PE-RT)，該材料具備多種優(yōu)點(diǎn)，在溫度60℃、壓力0.8MPa的工作環(huán)境下，能安全有效使用50年以上，同時(shí)具備高效的換熱性能。毛細(xì)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的單元模塊，制備的建筑板材具有輕薄、結(jié)構(gòu)合理、安裝方便、高效節(jié)能、高舒適度、綠色環(huán)保的特點(diǎn)。圖2是毛細(xì)管網(wǎng)儲(chǔ)能單元模塊的結(jié)構(gòu)示意圖和制備出的實(shí)物圖。

2 分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變復(fù)合材料制備的毛細(xì)管網(wǎng)儲(chǔ)能單元模塊，構(gòu)建適合多種電力網(wǎng)絡(luò)的分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的移峰填谷儲(chǔ)能、傳輸和熱能轉(zhuǎn)換，同時(shí)能夠?qū)犹?yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電儲(chǔ)能的協(xié)同發(fā)展。系統(tǒng)根據(jù)建筑用制冷供熱的要求，分為室外部分和室內(nèi)部分，其中核心是采用不同的毛細(xì)管網(wǎng)儲(chǔ)能單元，制備除濕系統(tǒng)、地面墻面制冷供暖系統(tǒng)，在智能調(diào)控軟件的控制下，形成能夠適應(yīng)多環(huán)境、復(fù)雜地理?xiàng)l件下建筑室內(nèi)的智能分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖3是分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖3 分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)室外部分

系統(tǒng)在構(gòu)建的過(guò)程中，系統(tǒng)室外部分核心主要有以下幾部分組成。

(1)一體化機(jī)組：由壓縮機(jī)、四通閥、氟水換熱器等組成，可單獨(dú)使用，系統(tǒng)采用分布式機(jī)組，每個(gè)機(jī)組可以選擇功率不同的設(shè)備，設(shè)備可以采用模塊化安裝，免維護(hù)。

(2)太陽(yáng)能毛細(xì)管散熱板：該部分具有多種功能，其中冬季白天可吸收太陽(yáng)能存儲(chǔ)熱能，夏季晚上可以與內(nèi)室進(jìn)行熱交換作為散熱板使用，具體的使用過(guò)程中，可以將多個(gè)分布式機(jī)組關(guān)聯(lián)起來(lái)，用作聯(lián)機(jī)模塊使用。

(3)風(fēng)冷表冷器：主要與室內(nèi)外進(jìn)行熱交換使用，從而達(dá)到加熱或冷卻空氣的目的，具體使用的過(guò)程中，可以與太陽(yáng)能毛細(xì)管散熱板配合使用，適合于多聯(lián)機(jī)共用。

(4)集中式儲(chǔ)能單元(含儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱)裝置：包含儲(chǔ)能板單元和外層保溫板，由多層多溫點(diǎn)的相變儲(chǔ)能板組成，根據(jù)使用情況的不同，可放置在室外也可放在室內(nèi)。

2.3 系統(tǒng)室內(nèi)部分

系統(tǒng)在構(gòu)建的過(guò)程中，系統(tǒng)室外部分核心主要有以下幾部分組成。

(1)控制系統(tǒng)：其核心是智能溫濕調(diào)控模塊，系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)通過(guò)各類(lèi)傳感器讀取建筑內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、CO2濃度等)，在啟動(dòng)智能溫濕調(diào)控模塊后，總PLC控制器依據(jù)粒子群算法動(dòng)態(tài)判斷建筑內(nèi)的環(huán)境參數(shù)并發(fā)送到各個(gè)分布式的PLC控制器中，然后由分布式PLC控制器根據(jù)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)達(dá)到想要的效果。同時(shí)，控制系統(tǒng)還包含各個(gè)部分的實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、遠(yuǎn)程APP調(diào)整、預(yù)警和診斷分析等功能。

(2)除濕系統(tǒng)：由于系統(tǒng)中毛細(xì)管網(wǎng)中用水作為能量傳輸介質(zhì)，當(dāng)供水溫度較低或室內(nèi)濕度較大時(shí)，單一的地板供冷系統(tǒng)地板表面可能結(jié)露，只有當(dāng)建筑內(nèi)環(huán)境溫度高于20℃時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。如果控制系統(tǒng)檢測(cè)到建筑內(nèi)環(huán)境參數(shù)為[濕度60%～70%，溫度16℃]時(shí)，會(huì)發(fā)送指令給該分布式PLC控制器，從而啟動(dòng)空氣對(duì)流除濕裝置。

(3)地面和墻面制冷供暖系統(tǒng)：對(duì)建筑內(nèi)制冷供暖的研究表明，采用地面和墻面方式可以使房間縱向溫度均勻，地面和墻面模塊的核心是毛細(xì)管網(wǎng)儲(chǔ)能單元，在使用的過(guò)程中毛細(xì)管網(wǎng)輻射散熱，無(wú)冷風(fēng)、不干燥、無(wú)噪聲，可以提供25℃～30℃供暖，20℃～25℃供冷，同時(shí)采用分布式控制，各個(gè)模塊安裝靈活方便，節(jié)省投資，運(yùn)行費(fèi)用低。

3 結(jié)束語(yǔ)

建筑用分布式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效的降低建筑行業(yè)碳排放，相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠且便于使用，可以大幅降低供熱溫度，提高供冷溫度，可充分利用20～25℃的低品位能源，系統(tǒng)運(yùn)行成本會(huì)更低，更舒適。

(1)基于60℃和30℃的無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)相變復(fù)合材料，采用毛細(xì)管網(wǎng)工藝制備了建筑用相變復(fù)合材料單元，單元具有輕薄、結(jié)構(gòu)合理、具有安裝方便、高效節(jié)能、高舒適度、綠色環(huán)保的特點(diǎn)。