以工程案例分析跨季节蓄热区域供热技术

时间:2018-10-09 17:31来源:国家光热联盟
  丹麦是全球最早推动太阳能区域供热的国家,也是当今世界上最大的太阳能区域供热市场。2016年底,丹麦大型(集热器面积大于500平方米)的太阳能供热系统集热器安装量占到全球该类系统的80%,约131.8万平方米,总容量922MWth,太阳能供热厂数量110个(其中绝大多数系统属于CHP热电联产锅炉+太阳能的热电联供区域能源系统)。此外,规划的太阳能供热集热器面积达到269.2万平方米。目前,丹麦大型区域供热技术发展较为成熟。近期,国家太阳能光热产业技术创新战略联盟邀请丹麦科技大学终身教授樊建华对跨季节蓄热太阳能区域供热技术进行了交流,以下为报告主要内容,以供参考。
 
  季节蓄热解决矛盾
  在可再生能源的利用中,不可回避的是可再生能源的季节波动性和不稳定性。随着风电、光电等可再生能源的推广和普及,两大矛盾日益突出:一是可再生能源供给的不稳定性和需求稳定性之间的矛盾;二是太阳能季节分布和能耗需求季节分布之间不匹配的矛盾。
  利用太阳能进行供热,太阳能资源冬天少,夏天盈余,能源需求则是相反,采暖需求在冬天比较旺盛。因此这种不匹配的矛盾就要求有一种能源的储存方式,也就是储能进行解决。
  跨季节蓄热正是解决上述两大矛盾的关键技术。通过大容量蓄热技术,可以实现:
  1、热电解耦,增加热电厂灵活性;
  2、季节蓄热,将风电、光电、光热、热泵等多种能源有机耦合,实现能源的长期高效存储,达到最优化清洁供热供电的目的。
图:丹麦典型的带季节蓄热水体的小区/城镇区域能源系统示意图
  在上图中,通过太阳能集热器给季节蓄热水体加热,热电联产的余热也可以储存在季节蓄热水体中,通过热泵可以实现蓄热水体的热量充分回收和利用,实现可再生能源供热的目标,同时提高系统经济性。丹麦科技大学非常重视高性能蓄热技术的研究与示范,早在1983年就建立了世界首例500立方米大型蓄热水体,在学术界引起了轰动。
图:丹麦科技大学在1983年建设的世界首例500立方米大型蓄热水体
  跨季节蓄热技术发展趋势
  目前,世界前沿的跨季节蓄热技术主要包括钢罐(steel tank)、大容积水池蓄热(PTES)、土壤源蓄热体(BTES)以及地下水体蓄热(Aquifer)
  其中,钢罐蓄热并不是严格意义上的跨季节蓄热。因为钢罐蓄热技术有其特殊性,适用的蓄热体积一般不大于7000立方米。如果大幅增加蓄热体体积,也能起到蓄热体的效果,但相关的投资、系统的费用等将大幅增加。一般在北欧国家钢罐体积在7000立方米以内。
  不管何种形式的蓄热技术,蓄热体的大型化是发展趋势。随着蓄热体积的增大,单位蓄热体造价降低的同时蓄热性能大幅提高。
  
  从上图中可以看出,随着体积的增加,单位蓄热体对应的散热表面积在快速降低,当蓄热体体积从100立方米增加到10万立方米,单位蓄热体对应的散热表面积降低到1/12,同时造价也在大幅下降,达到1/25。因此蓄热体体积越大越好
  丹麦跨季节蓄热成功案例
  这里列出了3个具有代表性的案例,分别是:Brædstrup土壤源蓄热体、Marstal水池蓄热体以及Dronninglund水池蓄热体。整个蓄热体的造价在20-30欧元/立方米。
图:Brædstrup太阳能热厂-19000立方米土壤源蓄热
图:19000立方米土壤源蓄热的设计和实施,打井排布点示意图(左),埋管深度在45米左右,井之间的距离大概3米左右
图:Brædstrup太阳能热厂2015年能流图,其中太阳能贡献了23%的热量,太阳能集热器阵列产生的热量一部分直接使用,其余通过土壤进行储存,通过热泵进行温度提升后使用
图:Marstal太阳能供热厂-季节蓄热水体75000立方米
  Marstal太阳能供热厂一期太阳能集热器面积18300平方米,二期15000平方米,配置一个2000立方米的缓冲蓄热钢罐,提供居民生活热水。系统季节蓄热池于2013年建成,体积75000立方米,年热损失30%。该系统太阳能保证率约40%。
图:季节蓄热水体漂浮保温盖的设计与施工(防雨、排水、保温、除湿等)
图:大型季节蓄热水体施工过程照片
图:Marstal太阳能热厂2015年能流图,太阳能贡献41%,其余由生物质锅炉提供,太阳能集热器得热量395kWh/平方米/年,太阳能综合利用效率35-40%。
图:Dronninglund太阳能热厂-季节蓄热水体63000立方米
图:季节蓄热水体建造过程照片
图:Dronninglund太阳能热厂2015年能流图,太阳能贡献率41%,太阳能得热量447kWh/平方米/年
  下表是三个季节蓄热体案例的运行测试结果,其中热回收率定义为一年内从蓄热体中取出的热量除以一年内累计存入蓄热体的热量。
  表中,Brædstrup太阳能热厂第三年热回收率达到102%,是因为一年内初期的地下温度比一年结束后的温度明显要高,因此土壤原本的热量被热泵抽取利用,因此造成热回收率大于100%。Marstal系统的热回收率逐年稳定增加,是因为第一年储存的大部分热量被散失到土壤周围,土壤和蓄热体之间,经过几年时间达到了热平衡。Dronninglund太阳能热厂采用了一些新的蓄热体技术,因此热回收率明显高于Marstal水池蓄热体,稳定在90%左右,效果比较好。
  季节蓄热水体的优势
  太阳能:供给免费热能。
  热泵:供给电价热能;快速电网调解能力,充分利用电价优惠政策;降低蓄热水体体积需求。
  热电联产机组:三联供、四联供属于国家重点支持方向;具备快速电网调峰能力,收获可观的国家调峰补贴;实现热电解耦;
  季节蓄热体:增加系统灵活性;耦合优化使用不同的可再生能源形式。
  太阳能区域供热厂获得成功的技术因素
  1、先进高效的大型太阳能集热器场
  集热器效率高;
  集热器使用可靠、免维护;
  集热器使用寿命达30年;
  优化的集热器场管道排布;
  优选的集热器倾角、朝向、流体;
  较低的循环管路热损。
  2、万吨级跨季节蓄热体
  热损极低,优化设计后的蓄热体热回收率大于90%,实现夏季蓄热、冬季取热的目标;
  单位蓄热体造价低(丹麦系统价格每立方米蓄热体造价最低可达100元);
  运行可靠、系统维护成本低。
  3、可综合利用太阳能、风能、生物质能等各种可再生能源。
  季节蓄热技术对我国清洁采暖发展的启示
  目前我国正在大力实施和发展清洁采暖,但煤改电煤改气大规模推广有一定弊端;热电厂以热定电,夏季产能闲置,造成资源浪费;热电解耦特性限制了电厂调峰能力,不利于推广可再生能源发电。
  通过季节蓄热技术,可以实现:热电解耦,增加电厂灵活性;电厂余热夏存冬取,避免热能浪费,提高电厂经济性;风电、光热、热泵、余热等多能互补,提高可再生能源利用率。
  丹麦政府提出了非常宏伟的能源规划:2050年彻底取代所有化石能源,2035年电力和采暖全部采用可再生能源,其中太阳能采暖将作为比较重要的区域供热的来源。我国太阳能资源丰富,太阳能资源密度是丹麦的1.5-2.8倍,应更利于推广太阳能采暖。

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