清洁供暖储热技术现状与趋势

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0246

摘要/Abstract

摘要：

推进北方地区建筑冬季清洁供暖，是重大的民生工程、民心工程。目前清洁供暖技术种类繁多，各具特点，其中集成储热技术的清洁供暖技术是研究热点。为了全面分析清洁供暖储热技术发展现状和趋势，本文分析并总结了清洁供暖技术、储热技术的性能特点和发展现状，并结合二者的性能，分析了典型清洁供暖储热技术发展现状和趋势。结果表明，清洁供暖技术分为清洁燃煤集中供暖技术、天然气供暖技术、电供暖技术和可再生能源等其他清洁供暖技术。其中，利用储热技术的电供暖技术由于可以配合电网调峰，解决可再生能源电力波动性，受到了广泛的关注。储热技术分为显热储热技术、潜热储热技术和热化学储热技术。显热储热技术具有储热规模大、寿命长、成本低、技术成熟度高等优点，是研究最早、利用最广泛、最成熟的技术；潜热储热技术具有储热密度高、放热过程温度近乎恒定的优点，是目前主要研究和应用热点；热化学储热技术具有更大的能量储存密度可实现长期储存热能等优点，但处于实验室验证阶段。清洁供暖储热技术有逐步聚焦的趋势，主流技术包括水储热技术、高温固体电储热技术、相变电储热技术等。本研究可为我国北方清洁供暖技术设计和应用提供参考和依据。

关键词: 清洁供暖, 储热, 显热储热, 潜热储热, 热化学储热

Abstract:

Promotion of clean heating can improve the livelihoods and contentedness of people in the northern China. Various clean heating technologies are available, each with different characteristics. Among these technologies, thermal energy-storage technology has received much attention. This paper summarizes the technologies of clean heating and thermal energy storage and reviews the development status and trend of thermal energy-storage technologies in clean heating applications. Finally, combining the characteristics of clean heating technology and thermal energy-storage technology, typical thermal energy-storage technologies for clean heating were analyzed. Among the clean heating technologies, we identified clean coal-fired central heating, natural gas heating, electric heating, renewable energy, and other clean heating technologies. Electric heating technologies based on thermal energy storage are widely disseminated as they cooperate with the peak load regulations of power grids and avoid the volatility of renewable energy sources. Thermal energy-storage technologies are divisible into sensible heat, latent heat, and thermochemical heat storage technologies. As the earliest, most widely used, and most mature technology, sensible heat-storage technology has advantages of scalability, long life, low cost, and high technological maturity. Latent heat-storage technology achieves a high heat-storage density, and its temperature remains nearly constant during exothermic processes. This technology has become a research and application hotspot. Thermochemical heat-storage technology achieves the highest energy-storage density over a long storage period, but it is currently in the laboratory verification stage. Thermal energy-storage technologies for clean heating have gradually focused on water-heat storage, high-temperature solid-heat storage, and phase-change heat storage. This study provides a reference and basis for the design and application of clean heating technologies in northern China.

Key words: clean heating, thermal energy storage technology, sensible heat storage, latent heat storage, thermochemical heat storage

中图分类号:

TU 833

凌浩恕, 何京东, 徐玉杰, 王亮, 陈海生. 清洁供暖储热技术现状与趋势[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(3): 861-868.

LING Haoshu, HE Jingdong, XU Yujie, WANG Liang, CHEN Haisheng. Status and prospect of thermal energy storage technology for clean heating[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(3): 861-868.

图/表 12

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参考文献 31

1	国家发展改革委 . 北方地区冬季清洁取暖规划（ 2017-2021年）[EB/OL]. http: //.
2	孙恩慧, 王璐琪, 赖小垚, 等 . 北方冬季农村供暖对PM2.5的影响及解决方案研究[J]. 环境科学与管理, 2013, 38(7): 90-93.
	SUN Enhui , WANG Luqi , LAI Xiaoyao , et al . Impacts and solutions of northern china winter rural heating on PM2.5[J]. Environmental Science and Management, 2013, 38(7): 90-93.
3	马红利, 王博, 李兴洋 . 北方地区清洁供暖技术综述[J]. 兰州工业学院学报, 2018, 25(4): 48-53.
	MA Hongli , WANG Bo , LI Xingyang . Review on the technology of clean heating in northern region[J]. Journal of Lanzhou Institute of Technology, 2018, 25(4): 48-53.
4	汪翔, 陈海生, 徐玉杰, 等 . 储热技术研究进展与趋势[J]. 科学通报, 2017, 62(15): 1602-1610.
	WANG Xiang , CHEN Haisheng , XU Yujie , et al . Advances and prospects in thermal energy storage: A critical review[J]. Chinese Science Bulletin, 2017, 62(15): 1602-1610.
5	王海军, 赵雅静, 杨玉江, 等 . 熔盐储能技术的研究及熔盐供暖技术的应用前景[J]. 广州化工, 2017, 45(15): 33-34.
	WANG Haijun , ZHAO Yajing , YANG Yujiang , et al . Study on molten salt storage systems and application prospect of heating system using molten salt storage system[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2017, 45(15): 33-34.
6	冷光辉, 曹惠, 彭浩, 等 . 储热材料研究现状及发展趋势[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(5): 1058-1075.
	LENG Guanghui , CAO Hui , PENG Hao , et al . The new research progress of thermal energy storage materials[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(5): 1058-1075.
7	葛志伟, 叶锋, Lasfargues MATHIEU , 等 . 中高温储热材料的研究现状与展望[J]. 储能科学与技术, 2012, 1(2): 89-102.
	GE Zhiwei , YE Feng , Lasfargues MATHIEU , et al . Recent progress and prospective of medium and high temperatures thermal energy storage materials[J]. Energy Storage Science and Technology, 2014, 3(3): 179-190.
8	徐治国, 赵长颖, 纪育楠, 等 . 中低温相变蓄热的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2014, 3(3): 179-190.
	XU Zhiguo , ZHAO Changying , JI Yunan , et al . State-of-the-art of phase-change thermal storage at middle-low temperature[J]. Energy Storage Science and Technology, 2014, 3(3): 179-190.
9	张忠新 . 应用电锅炉水储热技术转移高峰负荷[J]. 现代节能, 1998(4): 4-5.
	ZHANG Zhongxin . Using electric boiler water to reserve heat for removing peak load[J]. Modern energy saving, 1998(4): 4-5.
10	Vittorio VERDA , Francesco COLELLA . Primary energy savings through thermal storage in district heating networks[J]. Energy, 2011, 36: 4278-4286.
11	邵小珍, 滕力, 余莉 . 电锅炉高温水蓄热采暖工程简介[J]. 电力勘测设计, 2003(4): 71-76.
	SHAO Xiaozhen , TENG Li , YU Li . The electrical boiler project of storing heating with high temperature water[J]. Electric Power Survey & Design, 2003(4): 71-76.
12	麻延, 苏巨东, 阎建民 . 电锅炉高温水蓄热供暖系统运行总结[J]. 能源技术, 2004(6): 264-265.
	MA Yan , SU Judong , YAN Jianmin . Operational summary on electrical boiler and thermal storage heating system using high temperature water[J]. Energy Technology, 2004(6): 264-265.
13	王昆 . 水蓄热电锅炉作为中小建筑物冬季取暖热源的应用[J]. 河北理工大学学报(自然科学版), 2010, 32(1): 30-33.
	WANG Kun . Regenerative electric boiler water as a heat source of small building swinter[J]. Journal of Hebei Polytechnic University (Natural Science Edition), 2010, 32(1): 30-33.
14	张旭, 杨刚, 熊焰 . 宾馆应用蓄热电锅炉供热水的方案分析[J]. 制冷技术, 2004(4): 27-29.
15	SOROUR M M . Performance of a small sensible heat energy storage unit[J]. Energy Conversion and Management, 1998, 28: 211-217.
16	Dorte LAING , Wolf-Dieter STEINMANN , Michael FIB , et al . Solid media thermal storage development and analysis of modular storage operation concepts for parabolic trough power plants[J]. ASME Journal of Solar Energy Engineering, 2008(130):doi: 10.1115/1.2804625.
17	刘晓东 . 一种固体电储热供暖装置: CN 204043043U[P]. 2014-12-24.
18	朱建新 . 带预制固体热能存储装置的供热系统: CN 209181042U[P]. 2019-07-30.
19	葛维春, 陈雷, 代俊雯, 等 . 一种固体电制热储热供暖机组配置方法: CN 110220238A[P]. 2019-09-10.
20	苗常海, 白中华, 王雯, 等 . 典型蓄热式电采暖项目经济性对比分析[J]. 电力需求侧管理, 2018, 20(6): 36-39.
	MIAO Changhai , BAI Zhonghua , WANG Wen , et al . Economic comparison and analysis of typical regenerative electric heating projects[J]. Power Demand Side Management, 2018, 20(6): 36-39.
21	曲弘, 刘东延 . 北方地区蓄热式电锅炉发展前景及经济运营分析[J]. 大众用电, 2018, 32(2): 17-18.
22	陈彬, 李银姬, 常杰飞 . 城市采暖燃煤锅炉电能替代解决方案研究[J]. 沈阳工程学院学报(自然科学版), 2017, 13(2): 102-107.
	CHEN Bin , LI Yinji , CHANG Jiefei . Study on power energy substitution programs for coal-fired boilers[J]. Journal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science), 2017, 13(2): 102-107.
23	王彩霞, 胡之剑 . 中低温相变储热技术在供暖领域的研究应用[J]. 中外能源, 2018, 23(2): 82-88.
	WANG Caixia , HU Zhijian . Research on the application of low-to-medium temperature phase change thermal energy storage technology in heating field[J]. Sino-Global Energy, 2018, 23(2): 82-88.
24	BROUSSEAU P , LACROIX M . Study of the thermal performance of a multi-layer PCM storage unit[J]. Energy Conversion and Management, 1996, 37(5): 599-609.
25	丁玉龙, 张叶龙, 赵伟杰, 等 . 一种基于复合相变储热的电热供暖系统: CN 108980950A[P]. 2018-12-11.
26	丁玉龙, 任爱, 陈久良, 等 .一种油浸式相变储热电暖器: CN 206609030U[P]. 2017-11-03.
27	童敏, 孙爱东, 张鹏飞, 等 . 一种相变储热峰谷供暖系统: CN 208779535U[P]. 2019-04-23.
28	何淋, 柯秀芳, 马晓震, 等 . 一种高温相变蓄热供暖装置: CN 108870514A[P]. 2018-11-23.
29	相虎昌, 张百浩 . 相变蓄热材料在供热系统中设计应用案例分析[J]. 节能, 2019, 38(2): 71-72.
30	张继皇, 孙利, 杨强, 等 . 相变储能技术在谷电蓄热供暖中的应用研究[J]. 电力需求侧管理, 2016, 18(2): 26-29.
	ZHANG Jihuang , SUN Li , YANG Qiang , et al . Application of phase change energy storage technology in heat storage during the electricity valley [J]. Power Demand Side Management, 2016, 18(2): 26-29.
31	贺鑫, 马秀琴, 张宁, 等 . 水蓄能床与相变蓄能床的性能对比及模拟优化[J]. 河北工业大学学报, 2018, 47(3): 86-92.
	HE Xin , MA Xiuqin , ZHANG Ning , et al . Performance comparison and simulation optimization of water energy storage bed and phase change material (PCM) energy storage bed[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2018, 47(3): 86-92.

项目	水	熔盐	导热油	液态金属	岩石	混凝土
适用温度范围/℃	0～100	250～600	20～400	100～1550	20～700	20～550
比热/kJ·(kg·K)^-1	4.2	1.2～1.6	2.0～2.6	0.14～1.3	1.2～1.8	0.91
密度/kg·m^-3	992	1800～2100	700～900	780～10300	2000～3900	2400
材料成本/千元.吨^-1	0.005	4～91	25～45	13～85	0.4～1	0.2
主要问题	适用温度范围小，低温易凝固膨胀，高温易汽化	价格较高，腐蚀性强，部分由毒性，需要辅热防止凝固	价格较高，易燃，蒸汽压大，高温运行中易氧化、易结焦劣化	价格较高，腐蚀性强，有毒性及氧化性	稳定性不佳，强度随时间会降低	导热系数不高，需增强传热性能，容易开裂
技术成熟度	高	高	高	低	高	中

指标	石蜡	糖醇、脂肪酸	无机水合盐	无机盐	金属
熔点范围/℃	6～135	10～200	5～130	250～1680	90～1500
相变焓/kJ·kg^-1	150～280	140～350	140～300	68～1041	100～1000
密度/kg·m^-3	760～940	980～1520	1500～2070	1460～3180	1740～8960
导热系数	低	低	中低	中低	高
腐蚀性	弱	弱	强	强	强
过冷度	低	高	高	中	高
相分离	—	—	高	—	—
价格/千元.吨^-1	5～20	10～28	1～10	2～15	15～150
成熟度	中高	中低	中	中低	低

储能技术	储能规模/MW	储能周期	储能密度/GJ·m^-3	效率/%	寿命	成本/元·(kW·h)^-1
显热技术	0.001～10	数小时～数天	<0.2	75～97	长	10～150
潜热技术	0.001～1	数小时～数周	0.3～0.5	65～85	中	200～500
热化学技术	0.001～1	数天～数月	0.5～3.0	45～75	中短	500～1000

成熟度定义	基本原理	概念研究	实验研究	原理样机	完整测试	模拟环境	真实环境	定型实验	商业应用
显热技术	√	√	√	√	√	√	√	√	√
潜热技术	√	√	√	√	√	√	√	√
热化学技术	√	√	√	√

指标	燃气锅炉供暖	地源热泵供暖	市政供暖	水蓄热供暖
初投资/万元	54	280	无	56
年运行费用/万元	29	12	28	18
15年后总费用/万元	489	460	420	326
环境污染	有	无	无	无