暖通专业新技术

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1、暖通专业新技术1. 蓄热原理物体在温度或状态发生变化时要吸收或放 出热量，利用物体的这种特性，我们可以把热 量蓄存起来，待需要时再释放出来。蓄热的意义在我们专业供暖或空调工程的实际运 行中，热负荷或冷负荷一般都是在变化的；供 热和供冷，特别是自然界所能提供的热量或冷 量与所需的热量（即负荷）无论是在时间上还 是在数量上往往是不同步的。因此，为了充分 利用能源，就需要蓄热。采用合适的蓄热方式，利用特定的装置， 将暂时不用或多余的热量通过合适的材料蓄存 起来，需要时再释放出来加以利用的方法称为 蓄热技术。1.1蓄热技术的发展 （1）可追溯到远古时代，天然的冰、雪，以改 善生活环境 （2）在国外的发

2、展1873年发明蓄能锅炉1929年变压蒸汽蓄能技术蒸汽蓄能电站,高 峰负荷发电50MW20世纪60年代，美国把相变材料热控技术用于 航天上在相变储能理论研究与应用方面，美国一 直处于领先地位，如太阳热储存、冰蓄冷技术 、应用蓄热设备；其次是日本，20世纪70年代，研究用于采 暖和制冷系统的相变材料，如水合硝酸盐、磷 酸盐、氯化钙的蓄能；另外德国、瑞典、法国、意大利、前苏联 等在蓄能的相变材料方面进行了大量的研究。（3）在国内的发展国内对蓄热相变理论和应用也进行了较广 泛的研究，但起步晚，上世纪80年代开始，如 相变蓄热、太阳房的蓄热、近年来的冰蓄冷， 墙体蓄热，相变材料开发等研究较多。1.2

3、热能的储存时间（1）随时储存：随用随取。（2）短期储存：以天或周为储热的周期，其目 的是维持一天（或一周）的热能供需平衡。（3）中期储存：以十天或二十天，或一个月、 两个月为储热周期。（4）长期储存：以季节或年为储存周期，其目 的是为了调节季节（或年）的热量供需关系 。1.3 蓄热材料 1.3.1 蓄热材料的必要条件 （1）蓄热材料的热物性导热系数较大，比热较大，密度较大，焓 值较大，相变材料的相变潜热较大。 （2）蓄热温度范围适合根据需要的工作温度，选择合适材料，显 热变化温度范围，相变温度等。（3）传热特性传热与材料的热物性有关，如导热系数，导 温系数，比热以及流体的动力特性系数等。 （4

4、）循环动力要求循环动力小，流动阻力小。 （5）过冷和过饱和的特性在潜热蓄热中，PCM过冷却和过饱和都不能 保持相变温度，而且蓄热量也会改变。（6）蓄热材料不易老化保持原有特性（性质稳定）。 （7）蓄热材料的性能参数齐全性能参数齐全，而有些蓄热材料缺少完整的性 能参数资料。 （8）其他经济性（价格）、PCM的安全性（无毒、无 害）、可燃性、对环境的污染和破坏性。1.3.2 蓄热的方法大体可分为三类，即显热蓄热、潜热蓄热、 化学蓄热。 （1）显热蓄热通过温度升高或降低达到蓄热或释热的 目的。比热容越大，密度越大，所蓄的热量 就越多。在太阳能热水系统中多采用水作为 蓄热材料；在空气为吸热介质的采暖系

5、统中 ，通常选用岩石（床），卵石等为蓄热材料 。(2)潜热蓄热利用蓄热材料发生相变而蓄热。相变潜热 比显热大得多，潜热蓄热具有更高的蓄热密度 。一般大多采用固体液体相变蓄热，熔点在 适应范围内。液体气体相变蓄热应用最广的是水，热 性能、化学性能稳定，但体积变化大，蓄热容 器大，适用于随时储存和短期储存。（3）化学蓄热利用某些物质在可逆化学反应中的吸热和 放热来达到热能的蓄存和提取。是一种高能量 密度的蓄存方法，技术难度大，在研究开发中 ，应用较少。1.3.3 部分主要蓄热材料的热物性n（1）显热蓄热材料固体岩石、土壤、混凝土等： 导热系数小，反应慢，温度范围广，价格 低；金属类：导热系数大，反

6、应快，成形好，缺点是价 格高，易氧化；高分子材料：价格比较便宜，易成形，蓄热密度小，导 热系数较小，一般不能用于高温。液体水：最常用，蓄热密度大，价格便宜，无 污染，安全。水溶液：无腐蚀，氟类一般比较安全，使用温 度可选择，缺点是蒸汽压力高，从环保方面 受制约。复合媒体乳胶（蚀）液、胶囊固液系统温度域广 ，传热性能好等优点，有易沉淀等缺点。（2）潜热蓄热材料水，比热C=4.21KJ/KgK，固体相变潜热 333KJ/Kg，与显热蓄热相比，装置紧凑，可小 型化，蓄放热相变时，温度可保持一致。相变温度不能自由选择，反应慢，潜热蓄 热系统中难以控制的是过冷，过饱和现象，它 不仅与物性有关，还和容器壁

7、，加热、冷却的 速度，振动等多种因素相关。（3）化学蓄热材料蓄热密度可非常大，受物性的组合限制， 材料不同，蓄、放热的特性不同，反复使用常 出现材料的劣化（老化）(4)蓄热材料表蓄热材料表T （K） （Kg/m3）C （KJ/KgK） （W/mK）a （mm2 /s）tm （ ）h （KJ/Kg ）冰2739172.0672.221.1703332659182.0112.311.25石蜡C24H508001.80.370.2750.6162C24H428301.90.340.2236.4247NaNO31903580182混凝土23860.9211.730.787CaCl26H2O15201.

8、61.10.4329.9192砂15201.11.10.68n石蜡一般分子式CnH2n+2 n=510之间是液体，n15是固体，n5是 气体n化学蓄热材料CaCl28NH3=CaCl28NH3+4NH3，T=303K(反应温度），H=166KJ/mol2.地下蓄热前文已阐述过，采用蓄热技术， 可以有效的利用能源，地下蓄热可根 据能源的使用状态，可进行短期、中 期或长期蓄热2.1 地下蓄热的历史和现状初期开发，采用地下水，现在也有缺点：污染水源和土壤长期取地下水有地面下沉的危险有地下温度越来越低，取热量越 来越少的可能水的回灌有问题，不能全部回灌已有一些地区采用土壤源热泵，夏季空调向地 下排热，

9、冬季从地下取热向地下蓄冷要点：应该保持地下热平衡，否则不能长期使用2.2 地下蓄热的特点和方式 2.2.1 土壤作为蓄热材料的特点到处可取可进行大容量地蓄热土壤的热容量比较大，地下水不流动的情 况下蓄热能力高土壤的导热系数较小，对于蓄热、取热不 利，但有利于保温使用安全，价格低廉，一般可不需特别的 空间可和太阳能、未利用的余热结合进行有效 利用既可作为热泵的热源，又可作为制冷机的 冷源 土壤的物性与土壤的种类、含水率等密切相 关，不是常数 向土壤蓄热需要埋设土壤换热器，增加造价 因换热器向周围散热和向地面散热，热回收 率不高 热扩散性较高，一般不宜高温蓄热 冬夏联合使用可得到很高的蓄热效率2.

10、2.2 地下蓄热系统系统的组成由以下三部分组成：地 下换热器、地面热源系 统、热（泵）量回收系 统地下蓄 热系统地下换 热器地面热 源系统热量回 收系统地下蓄热系统示意图地下蓄热的方式总体可分为两大类，即无边界蓄热和有边界蓄热。 无边界蓄热主要是采用管道式和带水层式 有边界蓄热：管道式、水槽式、池(坑)式管道式无界管道：在地下埋管，有水平式和垂直式水平式一般埋深在0.5-2.0m，特点是该系统受地 面的气候影响大，多用在气温不太低，供暖期较短， 热负荷不大的区域垂直埋管： 一般埋深20-100m，也有更深的可达 200m，但埋深一般需经过经济比较后确定。 特点：占地面积小，受地面上的影响小，长

11、期 蓄热比水 平式有利；土壤中的水分的多少，对传热有很大的影 响；在有流动的地下水的情况，取热量和蓄热量都增 大，散热损失也增大。垂直式管道分为三种排列：管道断面图以单U型为基准即为1，套管型换热量（取热量）为 0.85-0.9，双U型为1.3-1.4，双U型用在钻孔成本高的 区域。水平管也可多层埋设，但这种方式有工程量大、占 地面积大的缺点，在欧美住宅应用较多。带水层的情况地下停留的水层中蓄储冷热水，是一种很有希望 的地下蓄热方式，难点在于地下水文资料需要齐全、 准确。地下水槽式在地下埋设水槽，利用水槽内水的热容量和周围 土壤的热容量进行蓄热。大多考虑大深度圆筒水槽。 北欧很多场合把岩洞作为

12、存储在地下的水槽；在日本 北陆进行融雪实验，成功的用例很多。地下坑式坑根据边界情况分为有界蓄热和无界蓄热。有界蓄热即为保温的坑的蓄热，在坑的周边用保温 材料进行保温，坑内用砂石土壤或水，采用水蓄热， 就有防水问题。蓄热材料采用砂石或土壤。换热器采用水平埋管。这种有界蓄热方法常用在气 温不是很低的区域。优点是散热损失小，槽内温度较高。初冬可采用循 环泵循环供暖，节能效果显著，但造价较高。无界蓄热，采用自然（天然）的湖、沼等进行蓄 热，坑的周边的土壤也参与蓄热。也有用半球形蓄热 器进行水蓄热的。为防止腐蚀，有人采用不锈钢半球 形 蓄热器埋在地下。其他方式 利用建筑物的地下空间，建储水槽储水或储存冰

13、、雪 ，包括周围土壤进行自然蓄热（蓄冷）； 在建筑物下层的土壤中埋设管道，与下层相接的房间 进行自然的供冷、供暖的方法； 在建筑物地下室的蓄热水槽，和空气及周围的土壤三 者构成了长、短期的蓄能的方法。以上几种建筑物和土壤结合的长期蓄热，是一种不需 要大花费建设费用的非常有希望的蓄热方式，但一般 规模不大。2.3利用方式地下蓄热有蓄热和蓄冷两种，有的系统二者兼有之。对 于热回收，有直接用冷热水循环的方法，也有用热泵取热、 制冷的方法。利用地下土壤既可作为热泵的低温热源，也可作为制冷 机的冷源。在寒冷地区，把二者结合起来，冬天利用夏季制 冷的冷凝热，夏季利用冬季制热后的冷量，这样可得到很高 的热效

14、率。地下大水池，德国用的比较多，长期蓄热以热水池为主 ，而且规模都比较大，蓄水量1万多m3,至几万m3的池子也有 一些，最近在计划建设更大规模的，但目前只能解决全年用 热的50%-60%。下表是利用方式的分类及其内容利用方式分类表2-2利用方式低温热源或冷源供暖或空调备注蓄热供暖夏季的太阳热，河，湖水 ，城市排热，工业排热热泵 供暖或直 接供暖以蓄热 为主 蓄冷供冷冬季的冰雪，河，湖水， 大气，海水等用制冷机或自 然供冷以蓄冷 为主用土壤源热 泵供暖利用自然界土壤的热用热泵 供暖以热泵 和热源 为主 用土壤源热 泵供暖，用土 壤冷源进行自 然供冷夏季用冬季蓄的土壤的低 温冷，用泵循环冷水进 行

15、自然供冷，冬季用土壤 源热泵 供暖热泵 供暖，用 水循环供冷以热泵 的热源 和蓄储 的冷为 主 用土壤源热 泵供暖和供冷冬季蓄储的冷和夏季蓄 储的热都利用热泵 供暖和制 冷机供冷蓄热和 蓄冷表中所示的内容，如图4-图7所示图4 蓄热供暖图5 蓄冷供冷图6 土壤源热泵供暖图7土壤源热泵供暖和自然 供冷或机械供冷2.4蓄热温度的划分根据蓄热的温度可分为蓄冷，低温蓄热，中温 蓄热，高温蓄热.表2-3蓄热温度划分蓄热名称蓄冷低温蓄热中温蓄热高温蓄热蓄热体温度范围10以下10 30 30 50 50以上2.5地下蓄热的设计要领2.5.1蓄热规模和供暖容量蓄热规模越大，蓄热效率越高。在管道式蓄热的方式，最

16、大规模有德国22 万m3岩石；8万m3用粘土蓄热，100万m3以上 的带水层，后者以太阳热为热源，采用太阳热 进行季节性蓄热，实行集中供暖2000户以上， 一年需热量50Gwh，具有很大的经济性。n2.5.2建设费用管道式仅是钢式桶容器建设费用造价的 1/3左右，而池、坑式更便宜，但根据规模大 小，其建设费用有较大的差异（在国外）50kw10000kw，约2万200万美元， 合400200美元/kw；10Mw，合200美元/kw50kw以下，约40005000元/kw在国内蓄热方式不同也有很大的差异国内 可能更高一些，大约5000元/kw。n2.5.3 蓄热效率和回收热量蓄入的热量与取出的热量之比称为蓄热效率。蓄热效率与蓄热规模、输入温度、蓄热时间、 取出温差等有关，在计算上一般可取5