低温相变蓄热式谷电利用装置的实验研究

摘要

在中国削峰填谷，谷电利用的政策背景和能源需求下，通过相变材料在谷电时期储存能量，并在用电高峰期释放热量，以热代电，对实现优化资源配置、提高电网运行安全性具有重要意义，同时在峰谷电价的支持下，相变蓄热在实际工业、民用供暖中也是最具有应用前景和商业潜力的研究课题。目前国内外学者在相变蓄热的研究主要是针对某种材料或单一结构搭建试验台进行测量或模拟分析，未能从热用户需求或系统层面出发，从系统效率、运行维护，使用寿命和经济性等方面，研究谷电蓄热系统实际应用于热负荷的运行性能和可行性。鉴于现行研究的不足，本课题的研究目标是构建一种适用于建筑供暖的相变蓄热系统，不仅对相变蓄热装置进行运行性能分析，并且针对热需求、系统效率、运行成本等整个蓄热供暖系统进行经济性和可行性分析。 根据课题研究目标和思路，本文的主要研究内容如下： 1.首先根据热负荷需求设计相变蓄热单元，基于相变传热学理论，建立相变蓄热单元的物理模型，并搭建相变蓄热系统实验平台，测量初步设计的蓄热单元的蓄热、储热、放热过程的运行性能，实验结果表明，相变单元体可在2h内完成蓄热，蓄热量为7300KJ，平均散热损失为15W，蓄热效率约为91.3%。放热过程随着流量增加，在有效放热时间内，平均有效释热功率逐渐增大，但有效释热性能逐渐降低，结合有效释热时间和流速，优选放热工况为，水流方向为自下至上流速为9.5L/h，系统有效释能效率约为52.2%。 2.由于在初步设计的结构下系统效率过低，放热完成后仍有单元体内部仍有较大潜热和内能未被利用，为进一步提高系统运行性能，对相变单元体内部添加水平翅片进行优化结构设计，并在计算机平台上通过数值计算得到最佳结构参数。计算结果表明，翅片个数为8根，长度为6cm时对放热过程的优化效果最佳。此时，平均传热系数约为470W/m2.K，与未添加翅片的结构相比，有效换热时间增大至75min左右，瞬时放热功率变化相对较缓且总系统总可提高至79%。 3.根据实际用户热负荷变化情况，基于相变蓄热子系统运行规律，在优化的相变单元体结构和运行工况的基础上设计整个谷电利用供热系统，并根据热用户需求的变化情况分析系统的经济效益，结果表明本项目方案在峰谷电差大于0.6元/度时具有较短的回收期且投资风险较小；系统运行周期结束后，只有当热用户全年平均取热量小于设计值的50%，或峰谷电差低于0.32元/度时，其净现值值小于0万元不能回收投资成本，其它运行工况下的NPV值都大于0，且峰谷电差越大、取热率越高，系统的总收益越高，因此本设计系统在大规模工业或居民供暖运行中具有更高的投资潜力和回收利润。 本课题研究为谷电利用相变供暖系统的开发和应用提供相关理论依据和实验支撑，同时为相变蓄热供暖领域的研究提供参考思路。实验和模拟结果表明，本文构建的谷电利用相变蓄热系统在大规模民用和工业场景下具有更高的经济价值和应用前景，在削峰填谷实现电网稳定高效运行方面起到良好的推动作用。

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