生資格考試匯報

博士生資格考試匯報匯報人：郭放導師：楊旭東研究內(nèi)容研究內(nèi)容：太陽能與工業(yè)余熱跨季節(jié)儲熱用于城市集中供熱系統(tǒng)研究匯報大綱課題背景國內(nèi)外研究進展研究計劃課題進展后續(xù)工作計劃預期成果課題背景『常規(guī)采暖造成能源消耗與污染物排放問題』我國建筑能耗占社會總能耗的25%，而北方城鄉(xiāng)建筑冬季采暖商品能消耗量為2.5億tce，占全國建筑總能耗的43%以上，節(jié)能潛力巨大。北方地區(qū)燃煤采暖造成碳排放量超過9億噸/每年，PM2.5問題引起社會廣泛關注。課題背景供熱區(qū)域我國太陽能資源豐富平均年輻照量>6000MJ/（m2·a)年平均日照小時數(shù)>3000h太陽能資源供給與采暖需求在空間上高度匹配『我國擁有豐富太陽能資源』課題背景太陽能資源具有時間上非連續(xù)性和“夏盈冬虧”特性集熱是太陽能轉化的核心，儲熱是太陽能利用的核心。太陽能的特點：周期性波動不穩(wěn)定性『太陽能的周期波動性和不穩(wěn)定性』課題背景『跨季節(jié)儲熱是彌補太陽能供給與需求之間季節(jié)性不平衡的關鍵』太陽輻照總熱負荷熱量課題背景『采用跨季節(jié)儲熱能夠有效減少太陽能集熱器需求』采暖面積：10000m2采暖負荷：20w/m2集熱器面積需求采暖期：180days非采暖期：180days集熱效率：40%總熱負荷：Qload=3110GJ太陽能保證率：f=50%供熱管線熱損失：10%平均太陽能輻照值(采暖季)：120w/m2平均太陽能輻照值(非采暖季)：180w/m2

短期儲熱長期儲熱50%采用跨季節(jié)除熱能夠有效降低對于集熱器面積的需求儲熱效率:70%課題背景石油煉焦及核燃料生產(chǎn)化工材料及化工產(chǎn)品生產(chǎn)非金屬礦物制品生產(chǎn)黑色金屬冶煉及鍛壓有色金屬冶煉及鍛壓其它40個工業(yè)部門我國工業(yè)能耗占全社會總能耗的2/3以上，但能源利用熱效率低下，估計50%的工業(yè)能耗以各種形式的余熱廢棄。石油煉焦、化工、非金屬制造、黑色金屬冶煉、有色金屬冶煉等五大部門能耗占工業(yè)總能耗的2/3，且余熱品位相對較高，可回收率高。上述工業(yè)生產(chǎn)中能源利用率普遍較低，僅中國北方全年就有約3億噸標煤的低品位工業(yè)余熱熱量排放。從供給的角度，工業(yè)余熱供給較為穩(wěn)定，能夠對太陽能的波動性和不穩(wěn)定性形成補償?！何覈鴵碛胸S富工業(yè)余熱資源』課題背景優(yōu)點：造價低模塊化設計，益于調(diào)節(jié)缺點：熱容量小6000m2集熱面積（1200萬元）+50萬m3土壤蓄熱打井費用（800萬元）——7~8年左右回收期6000m2集熱面積（1200萬元）+16.3萬m3的水箱蓄熱體積（1.63億元）——至少57年回收期優(yōu)點：熱容量高系統(tǒng)簡單缺點：地質(zhì)條件要求高儲熱溫度低，通常需要熱泵『技術路線』土壤儲熱（地埋管）地下含水層BTES優(yōu)點：熱容量高系統(tǒng)簡單缺點：水箱需要承壓，造價高水箱儲熱儲熱水池（地埋管）Volume[m3]

SteeltankConcretetankEarthtubestorageCavestorageWaterpondfullyinsulatedWaterpondpartlyinsulated

BoreholestorageEarthstoragehorizontalpipesAquiferAquifer匯報大綱課題背景國內(nèi)外研究進展研究計劃課題進展后續(xù)工作計劃預期成果國內(nèi)外研究進展『國內(nèi)應用現(xiàn)狀』我國的規(guī)?；柲芗泄嵯到y(tǒng)尚屬起步階段，已建成部分示范工程，并開始運行，但是太陽能區(qū)域供熱，采暖熱力站工程尚缺乏應用實踐。對于太陽能跨季節(jié)儲熱缺乏理論和實踐研究。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀歐洲集熱器面積大于500㎡的太陽能熱力站目前太陽能跨季節(jié)儲熱示范工程規(guī)模相對較小，尚難實現(xiàn)更大規(guī)模供暖示范由于技術研究的不足等原因，已經(jīng)有10%的工程被迫關閉『歐洲，2002年以前的發(fā)展情況』國內(nèi)外研究現(xiàn)狀儲熱規(guī)模/m3儲熱介質(zhì)熱源形式儲熱溫度是否使用熱泵Friedrichshafen-Wiggenhausen12,000WTESSolar+gasboiler40℃——90℃NoStrandbyVarmev?rkA.M.B.A.2,000WTESSolar+gasboilerNOBr?dstrupFjernvarme2,500WTESSolar+boiler+electricityheatpumpNoS?nderborg/VollerupFjernvarme4,000WTESSolar+biofuelboilerNoRiseFjernvarme4,000WTESSolar+pelletboilerNoEggenstein4,500WGTESsolar+heatpump+gasboiler10℃——80℃YesAugsburg6,000WGTESMarstalFjervarme10,000PTESsolar+woodchiphotwaterboiler+heatpumpYesDrakeLandingSolarCommunity34,000BTESsolar+gasboiler~55℃NoBraedstrup

2,500BTESsolar+CHPYesCrailsheimHirtenwiesenII37,500BTESsolar+heatpumpYesNeckarsulm-Amorbach63,360BTESsolar+heatpump+gasboilerYesAnneberg60,000BTESHELIOSRostock-Brinckmansh?he20,000ATESsolar+heatpump5℃——50℃YesRostock,B-h?he20,000ATESSolar+gasboilerNoDemonstrationprojectinChifeng500,000BTESSolar+industrialwasteheat~55℃No*數(shù)據(jù)來源：databaseofsubtaskCofIEASHCtask45儲熱體積大于2,000m3（以水為儲熱介質(zhì)），大于10,000m3（以土壤為儲熱介質(zhì)）

與本項目的對比大部分使用鍋爐作為補充熱源，本項目采用工業(yè)余熱。使用地下儲熱系統(tǒng)的項目，全部采用電驅動熱泵從地下提取熱量本項目系統(tǒng)儲熱體規(guī)模遠超過其他同類型項目地埋管分區(qū)控制出水溫度的控制策略『國外發(fā)展現(xiàn)狀』國內(nèi)外研究現(xiàn)狀『國外發(fā)展現(xiàn)狀』加拿大，DrakeLandingsolarCommunity其34,000m3

地下土壤儲熱體，根據(jù)其年度報告，年儲熱效率在2009—2012年期間在30%~54%之間波動。其他類似工程，也有熱損率高于預期的報道匯報大綱課題背景國內(nèi)外研究進展研究計劃課題進展后續(xù)工作計劃預期成果研究計劃『技術關鍵點』系統(tǒng)內(nèi)多種不同品位和供給特性的熱源的匹配土壤儲熱體的熱損抑制土壤內(nèi)低品位熱量的提取對地埋管系統(tǒng)出水溫度的控制地埋管換熱模型→涉及多種尺度及時間長度系統(tǒng)在非確定性條件下的運行控制及優(yōu)化研究計劃匯報大綱課題背景國內(nèi)外研究進展研究計劃課題進展后續(xù)工作計劃預期成果課題進展進行中已完成待進行課題進展『大規(guī)模太陽能—工業(yè)余熱地下儲熱用于城市集中供熱系統(tǒng)示范工程』項目地址：赤峰,內(nèi)蒙古地理坐標: N41°17′10″～45°24′15″ E116°21′07″～120°58′52″城區(qū)面積:6570.6km2氣候條件:中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，冬季漫長而寒冷。冬季平均氣溫-8.6℃人口:130.2萬GDP:168.6億元年新增200~300萬平米供熱面積，到2015年城區(qū)供熱面積達到近4000萬平米，城區(qū)主要熱源僅僅能滿足2012年城市用熱的需求，新增傳統(tǒng)熱源的方式受到環(huán)境因素的極大制約，供熱缺口較大?！菏痉豆こ探ㄔO地址』示范項目建成后，將成為世界最大規(guī)模的地下土壤儲熱體總面積：10853m2儲熱區(qū)域面積：6495m2，儲熱體積500000m3六邊形，R=60m集熱器安裝區(qū)域3300m2長方形66m×50m生態(tài)實驗區(qū)設備間控制室展示室課題進展『示范工程系統(tǒng)方案』集熱面積：1000m2有效集熱量：987GJ儲熱體積：50萬m3儲熱體積：10600GJ工業(yè)余熱：I系統(tǒng),98%酸吸收冷卻余熱（2500kW，200tons/h）出口溫度：＜70℃熱源距離：1000m4月15日10月15日取熱季（采暖季）儲熱季（非采暖季）G儲熱=30m3/h儲熱季時間：4月16日——10月14日工業(yè)余熱加熱功率：525kW銅廠熱源：Ⅰ系統(tǒng)98%吸收酸冷卻余熱（2500kW，200噸/h）出水溫度：不高于70℃熱源距離：1000m集熱面積：1000m2有效集熱量：987GJ儲熱體積：51萬m3儲熱量：10600GJ課題進展『示范工程系統(tǒng)方案』課題進展『示范工程系統(tǒng)方案』G取熱=30m3/hG=1770m3/h取熱季時間：10月16日——4月14日集熱面積：1000m2有效集熱量：618GJ儲熱體積：51萬m3取熱量：9540GJU型管式真空管型太陽能集熱器(860m2)：數(shù)量：280集熱面積：860m2。7塊集熱器串聯(lián)為一組，40組并聯(lián)構成陣列CPC型真空管集熱器(140m2)數(shù)量：56集熱面積：140m27塊集熱器串聯(lián)為一組，8組并聯(lián)構成陣列WatertankUtypevacuumtubesolarcollectorEvacuated

tube

collectorwithCPC(140m2)*7塊集熱器串聯(lián)為一組以獲得集熱器內(nèi)部最經(jīng)濟流速PHE集熱器陣列課題進展『太陽能子系統(tǒng)設計方案』Watertankvolume：500L30m3/h30m3/h?水箱體積優(yōu)化課題進展『太陽能子系統(tǒng)設計方案』T1CollectorarrayV1V2V3Tw1Tw2Th1Th2CirculatingpumpP1Bypass-valveV4（HeatExchangeOFF)V5V6T2P1HeatexchangeT2-T1T1-Tw1P1HeatExchageOFFOFF＞ΔT1＜ΔT3ONOFFONOFF＜ΔT2＜ΔT3STOPOFFONOFF≧ΔT3ONONONON＞ΔT2＜ΔT4ONOFFONON＜ΔT2＜ΔT4STOPOFF換熱器開啟工況：V1V2V3V4V5V6HeatexchangeONONONOFFOFFONONHeatexchangeOFFOFFOFFONONOFFOFF集熱系統(tǒng)控制策略設計課題進展『太陽能子系統(tǒng)設計方案』T1CollectorarrayV1V2V3Tw1Tw2Th1Th2CirculatingpumpP1Bypass-valveV4（HeatExchangeOFF)V5V6T2△T2=5℃△T2=1℃ΔT1=5℃ΔT1=1℃△T2=5℃△T2=1℃△T3=5℃△T4=1℃控制策略課題進展『太陽能子系統(tǒng)設計方案』總集熱量：12.1GJ總換熱量：10.5GJ平均集熱效率：47.1%一次側入口溫度：70℃一次側出口溫度：74.7℃（平均）/84.3℃（最高）極熱循環(huán)泵啟停：4次板換切換：1次T1Tw1Tw2Th1V6T2初始溫度20℃課題進展『太陽能子系統(tǒng)設計方案』系統(tǒng)短期仿真模擬取熱季總集熱量：618GJ一次側出口水溫Tw241.5℃（平均）60.1℃（最高）儲熱季總集熱量：978GJ一次側出口水溫Tw272.1℃（平均）84.4℃（最高）課題進展『太陽能子系統(tǒng)設計方案』系統(tǒng)長周期仿真模擬課題進展地埋管區(qū)域（俯視）*Hexagonalburiedpipelayoutisadopted,comparedtosquare,itreduceheatdissipationareabynearly10%埋管區(qū)域H=80m『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展4m4m5.66m平均鉆孔間距：4m單個鉆孔絕熱區(qū)域面積：13.85m2平均鉆孔間距：4.83m單個鉆孔絕熱區(qū)域面積：16m2*按照相同的鉆孔施工間距進行對比，采用六邊形布置的（交錯排列）相較于正方形的鉆孔布置形式，管內(nèi)流體與土壤之間的熱阻更少4m埋管區(qū)域『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』地埋管分區(qū)控制策略——采用地埋管分區(qū)控制的控制策略，通過切換使用地埋管分塊分區(qū)的組合，控制地埋管系統(tǒng)出水溫度，保證地埋管系統(tǒng)出水溫度穩(wěn)定?！緟⒖嘉墨I】：HaoFang,JianjunXia,AlisonLu,YiJiang，Anoperationstrategyforusingagroundheatexchangersystemforindustrialwasteheatstorageandextraction課題進展地埋管連管設計方案對比『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展地埋管連管設計方案INEX『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』在地埋管系統(tǒng)分區(qū)數(shù)較少的情況下，降低流速會造成出口溫度調(diào)節(jié)性變差，調(diào)節(jié)精度降低，綜合考慮，確定流速為30m3/h不同流速下系統(tǒng)的平均出口溫度ΔTΔT系統(tǒng)設計參數(shù)優(yōu)化『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展埋管間距/m綜合考慮施工上技術問題，確定鉆孔間距為4m課題進展十年運行期土壤溫度變化情況年儲熱量：10615GJ，供熱能力3萬m2預熱期取熱儲熱地埋管連管設計方案『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展各儲熱分區(qū)之間形成溫度梯度地埋管連管設計方案『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展取熱季：平均入口溫度20℃，平均出口溫度41℃，獲得有效溫升21℃儲熱季：平均入口溫度72℃，平均出口溫度51℃，獲得有效溫差21℃地埋管連管設計方案『地下儲熱子系統(tǒng)設計方案』課題進展埋管參數(shù)：埋管區(qū)域面積：6500m2儲熱體積：519615m3總埋管數(shù)量：469口鉆孔深度：80m地埋管換熱器：單U型地埋管內(nèi)換熱工質(zhì)：水分區(qū)數(shù)量：6個每個分區(qū)井數(shù)：78口運行參數(shù)：地源側循環(huán)泵流量：30m3/h管內(nèi)流速：0.1