日本月光計劃中的超級熱泵集熱系統(tǒng)上

日本月光計劃中的超級熱泵集熱系統(tǒng)上

一、熱泵熱泵1、超級熱采集系統(tǒng)是日本《月度光計劃》中的一項大型節(jié)能技術(shù)研究和開發(fā)項目。計劃從1985年初開始到1993年底結(jié)束共需9年時間完成。它在原已完成的熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步提高效率,利用夜間負荷低谷時的多余電力(電價低)驅(qū)動高性能的熱泵,將城市的低能級余熱資源(如地鐵的排氣、河水、下水和空氣的溫差及工廠的低溫余熱等)回收,并形成可利用的高能級熱能和冷能,再經(jīng)化學蓄熱器使之成為高密度的能源以便于貯存。然后在白天電力負荷高峰時放出用于空調(diào)、取暖及供熱水用。2.熱泵原理。熱泵是一種把不便于利用的低溫熱源提高到可供利用的高溫熱源、藉以回收利用各種低溫余熱的高效節(jié)能裝置。其原理是借助外部機械功(或熱能),將從低溫熱源所吸收的熱量和外加機械功(或熱能)的相當熱量一并傳向高溫熱源,即逆卡諾循環(huán)。為此,它具有兩種用途,將低溫熱源進一步降溫的為制冷機,向高溫熱源供熱的為熱泵。同時,亦可以一機兩用,如夏天制冷,冬天供熱;或者同時制冷和供熱,常年供應(yīng)熱水等。熱泵的效率為所獲得的熱量Q1與耗功Aι,之商,通稱為性能系數(shù)(cop)。即:Q2為低溫熱源吸熱量。制冷時的cop為:T1、T2分別為初溫和終溫。熱泵有兩大類:(1)壓縮式熱泵。將氨等低沸點工質(zhì)通入蒸發(fā)器從低溫熱源吸熱后蒸發(fā)為氨蒸氣,再經(jīng)壓縮機壓至冷凝器將熱量傳給被加熱物后變成液氨;經(jīng)膨脹閥再送入蒸發(fā)器吸熱后蒸發(fā),如此循環(huán)工作傳遞熱量。(2)吸收式熱泵。把某種低沸點工質(zhì)和容易吸收它的溶液相混合,利用在同一蒸汽壓下溶液的沸點比低沸點工質(zhì)高的這一特性而進行吸熱和放熱工作。常用的有水一溴化鋰水溶液和氨一氨水溶液兩種。常規(guī)熱泵的功能系數(shù)一般為3～4,出口溫度110℃3.化學蓄熱原理。為了解決熱量和冷量的貯存問題,過去多采用熱水槽和冰槽。但由于它們的貯熱密度太低,占地面積大,經(jīng)研制發(fā)現(xiàn)一些可用于貯熱的化學反應(yīng)(如表1)。由于化學蓄熱器貯熱密度高和使用方便.既可以減少蓄熱槽容積和占地面積,同時亦有利于提高貯熱效率,從而經(jīng)濟上亦較有利。二、主要研究方向總的目標首先是將ccp提高到6～8,出口熱水溫度提高到150～300℃,以擴大應(yīng)用范圍;其次是實施裝置小型化和高效化,以節(jié)約占地面積和降低成本見表2。主要研究開發(fā)進度為:1988年以前進行工質(zhì)、材料和單項設(shè)備的基本研究并完成中間評價;1989年至1992年進行1O0kW級熱泵和4萬kJ(1萬kcal)級蓄熱器以及1000kW級系統(tǒng)的工業(yè)試驗,并收集齊有關(guān)試驗數(shù)據(jù),以進行3萬kW級系統(tǒng)的設(shè)計。三、主要研究和開發(fā)1.超高性能熱的開發(fā)和設(shè)計(1)高效特種采用復式壓縮機進行多段壓縮,采用不同沸點的混合流體工質(zhì)和密閉式電機。(2)高性能用螺桿壓縮機,但需改進傳動齒形以提高效率。工質(zhì)仍采用不同沸點工質(zhì)的混合液,并利用兩段再熱系統(tǒng),以提高循環(huán)效率。(3)消軸向推力采用螺桿壓縮機并選用雙向傳動齒輪,以抵消軸向推力從而提高效率。工質(zhì)采用熱穩(wěn)定性好的三氯乙醇一水系工質(zhì),并采用可回收從冷凝器出來的膨脹功的二相膨脹螺桿機。(4)高溫輸出型包括高溫水源采用可用于高溫的水—汽系工質(zhì)和8～12m/s的高速往復式壓縮機。它可將150℃的余熱提高到300℃。2.化學蓄熱裝置采用以下五種形狀(1)熱熱質(zhì)的制備利用負荷低谷時的多余電力驅(qū)動壓縮式熱泵產(chǎn)出150℃的熱水將蓄熱工質(zhì)CaBr2·2H2O進行脫水反應(yīng),產(chǎn)生的水汽經(jīng)冷凝器/蒸發(fā)器冷卻后取出保存(—70℃),高負荷時用此水對蓄熱工質(zhì)進行水化反應(yīng),又可產(chǎn)出150℃的高溫水,必要時可達170～200℃。(2)高溫蓄熱氨反應(yīng)利用氨絡(luò)合物和液狀氨的吸熱、放熱反應(yīng)進行200℃左右的高溫蓄熱。為了冷卻到氨液溫度,中間加壓縮機。(3)工質(zhì)吸收熱的貯藏利用夜間低谷的電力制出工質(zhì)溶液濃度不同的吸收劑貯存,白天再將工質(zhì)的吸收熱放出。反應(yīng)式為:在吸收器和再生器間設(shè)壓縮機,以通過壓力變化改變反應(yīng)溫度,可達到85～150℃范圍內(nèi)的蓄熱和放熱。(4)低溫蓄熱型利用工藝物質(zhì)濃度變化夜間利用多余電力驅(qū)動壓縮式熱泵產(chǎn)生的85～120℃熱水,通過疏水性膜將蓄熱工質(zhì)通過濃縮后貯存,白天稀釋后使之制冷。(5)冷能的貯藏利用籠型包合物生成時發(fā)熱和分解時吸熱的反應(yīng),而進行冷能的貯存。由于它的反應(yīng)溫度比冰高7～10℃,正適合于空調(diào)。但又比冰的傳熱性能好,有利于提高熱泵和蓄熱器的效率。四、日本民調(diào)峰開發(fā)的制約在開發(fā)過程中由于石油價格下降和所用工質(zhì)破壞臭氧層而受到限制,開發(fā)曾一度拖延。但日本政府出于對民用電調(diào)峰任務(wù)加劇,仍抓緊進行。特別是近年來對城市排放NOx和CO2的控制嚴格化,更促進了中間階段成果的試用。五、市低能效能源回收利用的措施日本政府已將原來的日光計劃(以開發(fā)利用新能源為主)和月光計劃合并為新日光計劃。在計劃中按經(jīng)濟、環(huán)保協(xié)調(diào)型的原則,已將大中型城市低能級能源的回收利用做為重要課題,要求達到回收全國用能量的6%和降低全國CO2排放量的9%的目標。我們除了搞好工業(yè)和交通、運輸?shù)认到y(tǒng)的節(jié)能外,對于城市建