王言明:清洁供热中两种唾手可得的“储热材料”
在清洁供热中,大致有两种情况需要储热,一种是短期的储热:利用晚间谷电价时间段储热、或空气源热泵机组在白天气温高的时间段运行储热;另一种是长期的跨季节的储热:把夏天的热能储存起来冬天供暖使用。
第一种短期的“储热材料”——建筑物本身。
符合国家节能建筑标准的建筑物(维护结构热惰性指标D>6),尤其是地盘管供暖项目,建筑物本身就是一个巨大的储能体。
住宅建筑质量约为1.5——2.0吨/㎡,建筑物的比热容:1/4.8千卡/kg。
如取建筑物的质量为1800kg/㎡,则,单位面积的建筑物每下降1°C释放的热能是:Q=cm(T2-T1)=1800kg*1/4.8千卡/kg=0.436kwh.
西安地区的节能建筑的热耗指标是20.2w/㎡
0.436kwh/20.2w=21.6h (k=1000).
即,西安的节能住宅建筑在采暖期室外平均温度0.9°C、房间温度18°C下,停止供热21.6小时,房间温度下降1°C(到17°C)。
由此推断:在寒冷地区每天储热14个小时,停止供热10个小时,房间的温度最多下降1°C。
因此,短期的储热可以在储热的时间段,把房间温度提升1-2°C,其他时间段停止供热,不会影响供暖效果。
建筑物储热的特点是,储热材料零成本,储热量大,不占用建筑物空间,不用考虑建筑物的承重问题。
如果采用热泵给水箱加热的储热方式(储热温差35-50°C),同样储0.436kwh的热能,需要的水箱的容积是:
V=0.436*860/15=25升。
1000㎡的建筑热泵供暖储热需要的水箱的容积是25立方米(盛水25吨)。
由此可见,这种水箱的储热方式,容积大、造价高、承重已超出了建筑物的设计范围。
第二种长期的跨季节的“储热材料”——脚下的大地。
土壤在20°C的储热值为:2688——3024kj/m³°C,平均2856kj/m³°C,是水的比热容的68%。
北京地区的节能住宅1平方米一个冬季(125天)的耗能量:
20.6w/㎡*24h/d*125d=61.8kwh=53148千卡,
夏季土壤蓄热温度15——40°C (传热载体最高温度50°C)
需要的土方量:53148/25/68%=3.13m³,
夏季储热的热损失按25%计算,需要的土方量为3.13*1.25=4m³
1万㎡的建筑需要的土方量是40000m³,如地表面积1000㎡,深度就是40米。
土壤储热和取热的方式:采用水——水热泵的形式,夏季在制冷的同时,免费为冬季储存热能,冬夏综合能效比可以达到1:11(cop=1:11)。
对于地下水丰富的地区(出水量30t/h以上、水质不限),可以采用高效地源热泵的方式,系统造价仅是水源热泵的1/3(包括机组系统、提水回灌井系统)。对于地下水贫乏的地区(出水量在10t/h以下),可以采用竖井地埋管的方式,系统造价和占地面积均是普通地源热泵造价的1/2(包括机组系统、地源井系统)。
如果采用保温水箱储热方式(水温15-50°C),每平方米的建筑,53148千卡的热能需要的水箱容积是:53148/35=1520升=1.52m³。
北京地区1万平的住宅建筑,需要的水箱容积是15200m³,如水箱的高度是4米(考虑底部的承重因素,不能做的太高),则占地面积3800㎡,总重量在16000吨,造价在16万元以上。
因此,无论从占地面积、承重,还是造价的角度上来看,跨季节的热能储存,采用保温水箱的储热方式是行不通的。
本文作者为慧聪暖通特聘讲师王言明