CN113310104A - 基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统 - Google Patents

基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统 Download PDF

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CN113310104A CN202110635368.5A CN202110635368A CN113310104A CN 113310104 A CN113310104 A CN 113310104A CN 202110635368 A CN202110635368 A CN 202110635368A CN 113310104 A CN113310104 A CN 113310104A
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杨柳
杨秀娥
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张恒
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Abstract

本发明公开了一种基于多孔介质‑水合盐复合储能材料的建筑供热系统,包括热源环节、热电池器件、第一空气‑空气热交换器、第二空气‑空气热交换器、加湿装置、建筑用户侧风机、储/释能侧风机以及建筑用户。其中,热电池器件是系统的核心部件,内部充装多孔介质‑水合盐复合储能材料。基于多孔介质‑水合盐复合储能材料的热电池建筑供热系统具有储能密度大、热湿稳定性好、热损失小等突出优点,有利于提高系统/装置的紧凑性;能够很好地解决能源供应侧与需求侧的时空不匹配问题;能够实现低品位热能的最大化利用,有效降低了建筑用户的供热能耗与运行费用,节能潜力巨大,经济效益明显。

Description

基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统
技术领域
本发明涉及热化学储能及建筑供热应用技术领域,特别涉及一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统。
背景技术
当前,中国建筑能耗已占据能源总需求的20%以上。环境高污染与社会能源需求量持续增加之间的矛盾日益突出,如何缓解该矛盾成为一个亟待解决的重要问题。研发高能效、低能耗的建筑供热形式,势在必行。太阳能是一种安全、环保的解决方案,但由于其在昼夜和季节呈间歇性分布,较大的波动性限制了热量的存储和高效利用。太阳能充裕时,建筑供热需求较低或无供热需求;太阳能不足时,建筑供热需求反而较高。因此,如何采用高效可靠的储能技术,将热量有效存储,在需要时高效释放,成为该领域的关键技术难题。寻找开发新材料、新技术和新方法,利用太阳能资源满足冬季供热需求,是顺应国家政策、引导和解决民生需求的有效途径,对实现建筑节能减排、推动碳达峰与碳中和目标具有重要意义。
发明内容
针对传统储能技术储能密度低、热损失大、储能与供热无法兼顾等缺陷,本发明将提供一种高储能密度、低热损失、储能与供热可以同时兼顾的新型系统。该系统以低品位热能作为储能热源,将热量以化学能的形式储存,并在需要时予以释放用于建筑供热,可实现低品位热能的最大化利用,解决能源供给侧与需求侧的时空不匹配问题。本发明公开的一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,尤其适用于太阳能资源丰富、气候干燥的气候分区或有工业余热废热可利用的工业园区。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的:本发明公开了一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,包括热源环节、热电池器件、第一空气-空气热交换器、第二空气-空气热交换器、加湿装置、建筑用户侧风机、储/释能侧风机以及建筑用户,利用阀门进行切换和调节,所述热电池器件充装多孔介质-水合盐复合储能材料。
作为优选:所述热源环节为工业余热换热器;或者,所述热源环节为CPC聚光集热器阵列;或者,所述热源环节为菲涅尔聚光镜阵列。
作为优选:所述热电池器件是基于“网兜”结构模块化设计的固定式储能器,所述热电池器件的金属“网兜”结构为四棱锥或圆柱体或正方体。
作为优选:所述多孔介质-水合盐复合储能材料填充于所述金属“网兜”结构内,所述多孔介质-水合盐复合储能材料包括沸石13X,水合盐采用三种无机盐(MgCl2、CaCl2、MgSO4)的二元混合物,即MgCl2+CaCl2,MgSO4+CaCl2,MgCl2+MgSO4
作为优选:所述加湿装置采用超声波加湿或高压微雾加湿或喷淋室对空气进行加湿处理。
作为优选:所述建筑用户侧风机和所述储/释能侧风机均为双速风机。
作为优选:低品位热能充裕时,室内排风经过所述储/释能侧风机输送至所述第二空气-空气热交换器预热后,进入所述热源环节;高温空气进入所述热电池器件,作为储能材料再生的热源,热能以化学能的形式储存;所述热电池器件出口空气先后流经所述第一空气-空气热交换器和所述第二空气-空气热交换器,最后排出系统,室外新风在所述第一空气-空气热交换器中被加热,送入所述建筑用户供热。
作为优选:所述建筑用户有供热需求,但低品位热能不足时,所述热电池器件释放化学能,室内排风经所述储/释能侧风机输送至所述第二空气-空气热交换器预热后,进入所述加湿装置;高湿空气进入所述热电池器件,为储能材料的热化学反应提供湿源,化学能转化为热能,空气被加热后流出;所述热电池器件出口高温空气先后流经所述第一空气-空气热交换器和所述第二空气-空气热交换器,最后排出系统。室外新风流经所述建筑用户侧风机输送至所述第一空气-空气热交换器加热后,送入所述建筑用户,为建筑供热。
作为优选:低品位热能充裕时,室外新风经过所述储/释能侧风机输送至所述第二空气-空气热交换器预热后,进入所述热源环节;高温空气进入所述热电池器件,作为储能材料再生的热源,热能以化学能的形式储存;所述热电池器件出口空气先后流经所述第一空气-空气热交换器和所述第二空气-空气热交换器,最后排出系统,室内排风在所述第一空气-空气热交换器中被加热后,送回建筑用户供热。
作为优选:所述建筑用户有供热需求,但低品位热能不足时,所述热电池器件释放化学能,室外空气经所述储/释能侧风机输送至所述第二空气-空气热交换器预热后,进入所述加湿装置;高湿空气进入所述热电池器件,为储能材料的热化学反应提供湿源,化学能转化为热能,空气被加热后流出;所述热电池器件出口高温空气先后流经所述第一空气-空气热交换器和所述第二空气-空气热交换器,最后排出系统。室内排风经所述建筑用户侧风机输送至所述第一空气-空气热交换器加热后,送回所述建筑用户,为建筑供热。
采用上述结构后,本发明和现有技术相比所具有的优点是:
(1)本发明公开的一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,热电池器件2利用多孔介质-二元水合盐复合储能材料储存低品位热能,具有储能密度大、热湿稳定性好等突出优点,有利于提高系统/装置的紧凑性。
(2)本发明公开的一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,热电池器件2采用“网兜”结构模块化设计的固定式储能器,具有压力损失小、传热传质性能好等突出优势,可显著提升系统/装置的储释能性能。
(3)本发明公开的一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,能够很好地解决能源供应侧与需求侧的时空不匹配问题,低品位热能充裕时,将热能以化学能的形式在热电池中储存,同时实现建筑供热;低品位热能不足时,热电池释放化学能用于建筑供热。
(4)本发明公开的一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,仅有2台风机作为循环动力装置,累计耗电量很小,制热能效比非常高。回风供热模式,夜间制热能效比最高可达到13.65;新风供热模式,夜间制热能效比最低值也达到6.10。相比于现阶段较为成熟的空气源热泵供热技术(冬季机组制热能效比2.1),将热化学储能技术应用于建筑供热,利用热能与化学能的转换,仅消耗非常少的电能,即可营造较为理想的室内热环境,节能潜力巨大。该技术符合我国“碳达峰,碳中和”战略的客观要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:
图1为本发明建筑供热系统的原理示意图;
图2为本发明建筑供热系统的新风模式下的储能-供热状态原理图;
图3为本发明建筑供热系统的新风模式下的释能-供热状态原理图;
图4为本发明建筑供热系统的回风模式下的储能-供热状态原理图;
图5为本发明建筑供热系统的回风模式下的释能-供热状态原理图;
图6为本发明建筑供热系统的热电池器件2的金属“网兜”四棱锥结构;
图7为本发明建筑供热系统的热电池器件2的多孔基质-二元水合盐复合储能材料的制备方法。
图中:1-热源环节;2-热电池器件;3-第一空气-空气热交换器;4-第二空气-空气热交换器;5-加湿装置;6-建筑用户侧风机;7-储/释能侧风机;8-建筑用户。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
附图1为本发明的系统工作原理图。该系统主要由热源环节1、热电池器件2、第一空气-空气热交换器3、第二空气-空气热交换器4、加湿装置5、建筑用户侧风机6、储/释能侧风机7以及建筑用户8组成,利用阀门进行切换和调节,热电池器件2充装多孔介质-水合盐复合储能材料。阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6均为三通的阀门。
热源环节1,可采用工业余热换热器、CPC聚光集热器阵列或菲涅尔聚光镜阵列等部件。对于有余热、废热、废水、烟气等低品位能源排放的场景、有工艺设备降温用的冷却循环水的场景或有蒸气冷凝水排放的场景,可采用工业余热换热器,回收余热,作为热电池器件2的再生热源。对于太阳能资源较为丰富的地区,可采用CPC聚光集热器阵列或菲涅尔聚光镜阵列作为热电池器件2的再生热源。为保证热源环节的出口风温(即储能温度),CPC聚光集热器阵列可采用先串后并的排布方法,集热器串联为4~8个,作为优选,可采用6个CPC聚光器串联的形式。
热电池器件2是基于“网兜”结构模块化设计的固定式储能器,具有高储能密度、低成本、对再生热源具有良好的适配性。采用两相流设计方法,涉及固-气两相流的动态传热传质以及反应动力学过程。储能过程中,高温空气冲刷热电池,储能材料脱水,热能以化学能的形式储存;释能过程中,高湿空气冲刷热电池,储能材料吸水,释放吸附热,化学能被取出。见图6所示,金属“网兜”结构可采用四棱锥、圆柱体及正方体三种不同形状,可将每一种网兜单独或混合填充,构建由不同金属网兜形状、大小及排列方式的多类型热电池。金属“网兜”结构内部,充装新型多孔介质-水合盐复合储能材料;具体涉及的多孔介质包括但不限于沸石13X,水合盐可采用三种无机盐(MgCl2、CaCl2、MgSO4)的二元混合物,即MgCl2+CaCl2,MgSO4+CaCl2,MgCl2+MgSO4。见图7所示,复合储能材料的合成采用传统吸附方法,浸润-干燥-浸润,多次循环后得到稳定配比。
第一空气-空气热交换器3和第二空气-空气热交换器4,显热交换效率不低于70%。
加湿装置5,可采用等超声波加湿、高压微雾加湿、喷淋室等加湿装置,对空气进行加湿处理。
建筑用户侧风机6和储/释能侧风机7,可采用双速风机。
建筑用户8可以是民用建筑、工业建筑等类型。
附图2为储能-供热系统原理图(新风模式)。低品位热能充裕时,阀门V1a-b、V2a-c、V3a-c、V4a-b、V5a-b、V6b-c开启,其余阀门处于关闭状态。室内排风经过储/释能侧风机7输送至第二空气-空气热交换器4预热后,进入热源环节1;高温空气进入热电池器件2,作为储能材料再生的热源,热能以化学能的形式储存;热电池器件2出口空气先后流经第一空气-空气热交换器3和第二空气-空气热交换器4,最后排出系统。室外新风在第一空气-空气热交换器3中被加热,送入建筑用户8供热。
附图3为释能-供热系统原理图(新风模式)。建筑用户8有供热需求,但低品位热能不足时,热电池器件2释放化学能。阀门V1a-b、V2a-c、V3a-c、V4a-b、V5a-c、V6a-c开启,其余阀门处于关闭状态。室内排风经储/释能侧风机7输送至第二空气-空气热交换器4预热后,进入加湿装置5;高湿空气进入热电池器件2,为储能材料的热化学反应提供湿源,化学能转化为热能,空气被加热后流出;热电池器件2出口高温空气先后流经第一空气-空气热交换器3和第二空气-空气热交换器4,最后排出系统。室外新风流经阀门V1a-b,经建筑用户侧风机6输送至第一空气-空气热交换器3加热后,送入建筑用户8,为建筑供热。
附图4为储能-供热系统原理图(回风模式)。低品位热能充裕时,阀门V1a-c、V2b-c、V3a-b、V4a-c、V5a-b、V6b-c开启,其余阀门处于关闭状态。室外新风经过储/释能侧风机7输送至第二空气-空气热交换器4预热后,进入热源环节1;高温空气进入热电池器件2,作为储能材料再生的热源,热能以化学能的形式储存;热电池器件2出口空气先后流经第一空气-空气热交换器3和第二空气-空气热交换器4,最后排出系统。室内排风在第一空气-空气热交换器3中被加热后,送回建筑用户8供热。
附图5为释能-供热系统原理图(回风模式)。建筑用户8有供热需求,但低品位热能不足时,热电池器件2释放化学能。阀门V1a-c、V2b-c、V3a-b、V4a-c、V5a-c、V6a-c开启,其余阀门处于关闭状态。室外空气经储/释能侧风机7输送至第二空气-空气热交换器4预热后,进入加湿装置5;高湿空气进入热电池器件2,为储能材料的热化学反应提供湿源,化学能转化为热能,空气被加热后流出;热电池器件2出口高温空气先后流经第一空气-空气热交换器3和第二空气-空气热交换器4,最后排出系统。室内排风经建筑用户侧风机6输送至第一空气-空气热交换器3加热后,送回建筑用户8,为建筑供热。
以上仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同,这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:包括热源环节(1)、热电池器件(2)、第一空气-空气热交换器(3)、第二空气-空气热交换器(4)、加湿装置(5)、建筑用户侧风机(6)、储/释能侧风机(7)以及建筑用户(8),利用阀门进行切换和调节,所述热电池器件(2)充装多孔介质-水合盐复合储能材料。
2.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述热源环节(1)为工业余热换热器;或者,所述热源环节(1)为CPC聚光集热器阵列;或者,所述热源环节(1)为菲涅尔聚光镜阵列。
3.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述热电池器件(2)是基于“网兜”结构模块化设计的固定式储能器,所述热电池器件(2)的金属“网兜”结构为四棱锥或圆柱体或正方体。
4.根据权利要求3所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述多孔介质-水合盐复合储能材料填充于所述金属“网兜”结构内,所述多孔介质-水合盐复合储能材料包括沸石13X,水合盐采用三种无机盐(MgCl2、CaCl2、MgSO4)的二元混合物,即MgCl2+CaCl2,MgSO4+CaCl2,MgCl2+MgSO4
5.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述加湿装置(5)采用超声波加湿或高压微雾加湿或喷淋室对空气进行加湿处理。
6.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述建筑用户侧风机(6)和所述储/释能侧风机(7)均为双速风机。
7.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:低品位热能充裕时,室内排风经过所述储/释能侧风机(7)输送至所述第二空气-空气热交换器(4)预热后,进入所述热源环节(1);高温空气进入所述热电池器件(2),作为储能材料再生的热源,热能以化学能的形式储存;所述热电池器件(2)出口空气先后流经所述第一空气-空气热交换器(3)和所述第二空气-空气热交换器(4),最后排出系统,室外新风在所述第一空气-空气热交换器(3)中被加热,送入所述建筑用户(8)供热。
8.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述建筑用户(8)有供热需求,但低品位热能不足时,所述热电池器件(2)释放化学能,室内排风经所述储/释能侧风机(7)输送至所述第二空气-空气热交换器(4)预热后,进入所述加湿装置(5);高湿空气进入所述热电池器件(2),为储能材料的热化学反应提供湿源,化学能转化为热能,空气被加热后流出;所述热电池器件(2)出口高温空气先后流经所述第一空气-空气热交换器(3)和所述第二空气-空气热交换器(4),最后排出系统。室外新风流经所述建筑用户侧风机(6)输送至所述第一空气-空气热交换器(3)加热后,送入所述建筑用户(8),为建筑供热。
9.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:低品位热能充裕时,室外新风经过所述储/释能侧风机(7)输送至所述第二空气-空气热交换器(4)预热后,进入所述热源环节(1);高温空气进入所述热电池器件(2),作为储能材料再生的热源,热能以化学能的形式储存;所述热电池器件(2)出口空气先后流经所述第一空气-空气热交换器(3)和所述第二空气-空气热交换器(4),最后排出系统,室内排风在所述第一空气-空气热交换器(3)中被加热后,送回建筑用户8供热。
10.根据权利要求1所述的基于多孔介质-水合盐复合储能材料的建筑供热系统,其特征在于:所述建筑用户(8)有供热需求,但低品位热能不足时,所述热电池器件(2)释放化学能,室外空气经所述储/释能侧风机(7)输送至所述第二空气-空气热交换器(4)预热后,进入所述加湿装置(5);高湿空气进入所述热电池器件(2),为储能材料的热化学反应提供湿源,化学能转化为热能,空气被加热后流出;所述热电池器件(2)出口高温空气先后流经所述第一空气-空气热交换器(3)和所述第二空气-空气热交换器(4),最后排出系统。室内排风经所述建筑用户侧风机(6)输送至所述第一空气-空气热交换器(3)加热后,送回所述建筑用户(8),为建筑供热。
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