专利名称：利用夜间低谷电蓄热白天供暖制冷技术的制作方法
技术领域：
本发明属于电能有效利用技术领域1．目前国内外技术如下1．1国外低谷电利用技术现状早在70年代，美国、法国、日本等一些西方发达国家受能源危机的冲击，同时存在电负荷峰谷差的矛盾，便更加重视节能和能源的合理利用，开始逐步研究低谷电的利用技术。经过二十余年的研究和开发，目前世界上已经有多项贮电技术应用于低谷电的利用上。Zink和John于1997年3月在Power Engineering杂志第101卷第3期上发表的文章“Who says you can not store electricity”中报道说，比较成熟的有抽水蓄能电站，蓄冷空调，蓄电池等等，现在正在研究和开发的贮电技术有超导、压风、飞轮、贮汽等多种方法。在推广低谷电利用技术方面，一些国家的电力部门从峰谷电价差等方面给予了支持。在美国，峰谷电价差为5倍，而且每转移1kw峰值电量，还可得到供电部门100～500美圆的奖励。在技术开发与研究方面，美国供暖空调制冷工程师学会、电力研究所、国际蓄能咨询委员会、蓄能应用研究中心及一些公司、大学做了大量的工作，使其技术不断成熟。韩国积极鼓励移峰填谷的方法，用户每转移1kw的电量，一次性奖励金额为2000美圆。1990年北美正在新建或改建的空调工程中，采用蓄冰空调系统的已达24％以上，目前已达30％，预计到本世纪末将得到全面普及。黄虎在能源研究与利用杂志1996年第一期上发表的文章“蓄冰空调的应用与推广”中报道说，1987年，日本东京的空调用冷已有60％配置了蓄冰系统，目前在集中空调系统中(用电)已有60％采用了蓄冷技术。1．2．我国低谷电应用技术的研究目前已投入实施及应用的有抽水蓄能电站，铅蓄电池，蓄冷空调，蓄热锅炉等等。这些方案的实施，一定程度上缓解了峰谷电负荷的矛盾，但由于受自然条件、经济效益、应用范围等一些因素的制约，还没有得到广泛的应用，因此也就不能从根本上解决这个矛盾，继续开发有效的低谷电利用技术成为需要迫切解决的问题。
因此，在大型发电机组和核能发电日益发展的今天，合理利用低谷电，解决电力的贮存及转换技术已成为十分紧迫的课题。目前，国家已出台多项政策为低谷电的开发利用技术提供保证，我国推广、实施低谷电利用技术的时期已经到来。1．3．几种低谷电利用技术抽水蓄能电站、蓄冷空调、蓄热空调、蓄电池是四种目前在世界上及我国技术相对比较成熟，并已投入使用的低谷电利用技术。1．3．1抽水蓄能电站抽水蓄能电站是根据能量转换原理，利用电力负荷低谷时的多余电量，将低处的水抽到高处的上池(或水库)中，这部分水量再通过水轮机组发电，供电力系统调峰。抽水蓄能电站既是电力用户，又是供系统调峰的电源。从抽水蓄能电站的工作状态来看，它主要运行在抽水用电和调峰发电这两种状态。
抽水蓄能电站有许多优点，它有效地进行了调峰填谷，尤其是对峰谷差较大的电力系统。它抬高了低谷负荷，减少发电机组的开停，使电网能够经济、安全地运行。另外，抽水蓄能电站还可用于系统的调频、事故备用以及减少环境污染等等。但它也有许多制约因素，例如建设费用较高，站址受特殊要求的限制(有合适高差的上池和下池)，不能靠近发电站或负荷中心，以致增加输电损耗，贮电效率不高等等。据Anon于1995年出版的Power杂志第139卷第8期上发表的文章“Electric-energy storage hinges onthree leading technologies”中报道说，目前，常用的抽水蓄能电站贮电效率可达10％，国外已较多应用。我国广东、浙江和北京十三陵等地也已建成或正在建设之中。其中广州抽水蓄能电站二期被列为98年国家重点建设电力项目。1．3．2蓄冷空调蓄冷空调是将电网负荷低谷期的电力用于制冷，通过利用蓄冷介质的潜热或显热效应，将冷量“积蓄”起来，在电网负荷高峰期加以释放，用于建筑物空调，以承担高峰期空调所需的全部或部分负荷。因此，采用蓄冷空调，可以对电负荷的移峰填谷工作起很大的作用。目前，用于空调的蓄冷方式较多，按贮能方式可分为显热蓄冷和潜热蓄冷两大类；按蓄冷介质可分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷三种方式；按蓄冷装置结构形式可分为盘管式、板式、球式、冰晶式和冰片滑落式等形式。
以盘管式蓄冷空调为例，蓄冷空调系统的工作原理是夜间，乙二醇载冷剂通过冷水机组和冰筒与旁通构成蓄冰循环，此时溶液出水温度为-33℃。经盘管将冷量转移给冰筒内的水，使水结冰，回水温度为0℃；白天，载冷剂经冰筒及并联旁通，通过设定出水温度调节阀控制冰筒流量与并联旁通流量之比例，确保出水温度为给定的阈值，然后经换热系统将冷量并入常规空调管网里，或以大温差送风的方式，直接送入空调使用。
目前，使用较多的蓄冷方式有水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷。水蓄冷就是利用水的显热进行冷量储存。具体来讲，就是利用3～5℃的低温水进行储冷。其优点是投资省，技术要求低，维护费用少，可以使用常规空调制冷系统。但由于水的蓄能密度低[水的比热为4．2kj／(kg℃)]，只能利用8℃温差，故系统有占地面积大、制冷损耗大、防水保温麻烦等缺点。因此，水蓄冷技术更适用于现有常规空调制冷系统的扩容或改造，可以在不增加或少增加制冷机组容量下提高制冷能力。冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量的储存。由于0℃时冰的蓄冷密度达334kj／kg，故储存同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积比水蓄冷小的多。因此，它的优点是储能密度大，蓄冷温度几乎恒定；体积只有水蓄冷的几十分之一，便于储存，对蓄冷容器的要求较低，占用空间小，容易做成标准化、系列化的设备，给用户带来极大的方便。但同时它又对蓄冷系统的技术水平要求较高，必须使用蒸发温度低的制冷机组，且要求制冷剂的蒸发压力较低，所以压缩机能耗高，而且设计和控制远比水蓄冷系统复杂。实行分时电价后，在空调工程中采用蓄冰与低温送风相结合的方式，在经济上是可以与常规空调竞争的。共晶盐蓄冷是利用固一液相变特性蓄冷的另一种形式。蓄冷介质主要是由无机盐、水、促凝剂和稳定剂组成的混合物。目前应用较广泛的是相变温度约8～9℃的共晶盐蓄冷材料，其相变潜热约为95kj／kg。虽然相变温度比较高，但由于其蓄能密度低、设备占地面积大、对设备要求较高，投资较大，所以难于推广应用。
蓄冷空调可以全负荷制冷，也可以部分负荷制冷。全负荷制冷是在晚上谷期蓄足白天所蓄的冷量，白天的空调负荷全由夜间蓄的冷量来满足。这种蓄冷方式移峰效果最好，但初投资大，投资回收期长。部分蓄冷即在晚上蓄上部分白天所需的冷量，白天制冷机与蓄冷系统同时工作以满足空调负荷的要求。这种蓄冷方式既可转移部分峰值电负荷，又可减少总的电力装机容量，并可降低蓄冷系统总投资，是用户较能接受的一种方式。
近二十年来，蓄冷空调技术在一些西方发达国家得到了迅速的发展，例如美国，法国，日本等国家，且在当地得到了大面积的成功推广和广泛应用。目前国际上较成熟的蓄冰系统有美国的FAFCO、CALMAC、BALTIMORE、YORK系统，法国的CRISTROPIA、IBIS系统等。进入90年代以来，蓄冷空调技术在我国也得到了较快的发展。据不完全统计，已有十几家公司和工厂从事蓄冷设备的生产和工程应用，目前已建成或正在建设的项目近15项。为了高起点地组织蓄冷调荷节电技术的应用推广，中国节能协会全国蓄冷空调研究中心于1995年4月正式成立，北京、济南地区的蓄冷空调研究中心也相继成立，其它省、市亦在筹建之中。这无疑对蓄冷技术的发展和进步起到积极作用。1．3．3蓄热空调我们这里所指的蓄热空调是指蓄热式电热锅炉在中央空调中的应用。它的工作原理是当电网处于低谷负荷时，由电热热水锅炉产生热能，使水充分吸热，然后通过专用系统将热能储存在专门设置的保温容器内。在调荷避峰的情况下，虽然把大负荷的用电设备停止运转，也能有热水自保温的容器中自动调节输送至空调系统中，继续维持空调取暖，使室内仍保持在舒适的环境中。
在此系统中，电热热水锅炉用于将电能转换成热能。将电热元件装在特殊的密闭金属套管内，插入热水锅炉内部，直接把水加热，通过多层折流板，使水在容器内强制循环吸收热量，达到一定温度后，输送至各采暖点。整个转换过程热效率可达98％。出水温度一般40～65℃，最高可达75℃。其外形尺寸随加热功率的增大而增大。系统中的蓄热水箱主要功能用来储存热水，起到避峰调荷作用。水箱容积的确定须按空调采暖面积的大小，用户场地特点，供电功率情况及蓄热时间长短等多种因素来确定。水箱上设置有循环水进出口、补给水进口、安全阀、放气阀、排污阀、检查孔及压力、温度、液位等自控仪表。此系统中还有循环管路，它是连接供热、蓄热、用热等设备的重要动脉。合理的设计，因地制宜布置管路，是降低能源损耗并使操作方便的重要环节。
此套蓄热空调系统在一定程度上起到了移峰填谷，合理使用能源，维持电网正常运行的作用。作为一种可局部调峰的节能设备，受到了电力部门的欢迎。另外，由于它环境整洁、无污染、无公害，对环境保护起到了一定的促进作用。但对于用户来说，此套系统用水作为蓄热介质，由于水的蓄能密度低[水的比热为4．2kj／(kg．℃)]，故系统占地面积大，热损耗大，防水保温麻烦，供暖时间短，耗电量大。使用户使用这套蓄热空调系统受到了一定的限制。1．3．4蓄电池蓄电池属于化学电池，由离子导电性的电解液和两边的正极、负极组成。通过氧化反应。将化学反应吉布斯能的差值变为电能由正负极引出使用。反之，在充电时发生还原反应。蓄电池在现代节能技术中得到了广泛的应用。将来它主要的应用方向为(1)用于电力调峰以缓解供电紧张的矛盾；(2)用于电动汽车，以提高系统能源利用效率，改善城市环保条件；(3)配合太阳能和风能等可再生能源的开发，通过贮电以扩大其用途。
目前，世界各国普遍使用的是铅蓄电池。但铅蓄电池由于能源密度低、贮电效率低、寿命短、不适于大型化、经济性差等因素，已不适合当代世界经济的需求。各工业发达国家都在致力于新型蓄电池的开发。
日本于1980年将供电力调峰系统用的新型蓄电池的开发纳为月光计划中的大型节能技术开发项目，计划投资170亿日圆，要求在1991年达到实用化目标出力为1000kw级，按8h充电、8h放电，效率在70％以上，寿命在1500次以上，耐用10年，环境保护达标。在上述计划的指导下，主要对4种新型蓄电池进行了研究和开发。它们分别是钠硫电池、氧化还原流动型电池、锌氯电池、锌溴电池。在对以上四种新型蓄电池进行基础研究后，分别做出了样机进行试运行和综合评价，并在电力调峰系统方面进行了联网试验。负责组织此项课题的新能源产业技术综合开发机构于1991年3月认为，此项试验是成功的，经测试综合指标已完成月光计划的要求。存在的问题是造价偏高，约为抽水蓄能电站的10倍左右。今后应进一步研究大幅度降低造价，以便达一定水平后逐步推广。1．3．5电动汽车由于从节能和环保看，电动汽车有良好的发展前景，因此美、意、日、德、法等工业发达国家都在竞相开发电动汽车，其关键技术就是新型蓄电池，要求单位重量的贮电密度高，以便在一次充电后可获得较长的行驶里程，并把它和电力调峰结合起来，利用低谷时的低价电力，作为电动汽车的动力，这就更增加了电动汽车的优越性和节能效果。目前电动汽车用的蓄电池，较大量使用的是铅电池和镍镉电池。前者如法国的雷诺汽车公司和日本的部分汽车公司，使用理由是铅电池可靠性好和造价便宜，缺点是充电后一次走行距离短。而法国的标致集团和意大利的菲亚特等公司则使用走行距离大一倍的镍镉电池。由于镍镉电池价格比铅电池贵，而且镉又易污染环境，故开发较晚的德国采用钠硫电池，日本开发了比钠硫电池便宜而性能差不多的镍氢电池。日本松下电池生产的镍氢电池已达充电一次走行200km以上，但由于价格比铅电池高一倍，正研究通过回收镍以大幅度降低成本。日本三菱集团正以三菱汽车为中心，有三菱重工和三菱电机参加，提出以使用性能和汽油车相当、充电一次可走行400km为目标开发小型高效电池。美国能源部对此亦十分重视，已组织有关汽车厂和电机厂拟订了电动汽车用电池的3年开发计划。据1992年7月报道，美VB公司已研制成功一种利用装在真空器内磁浮轴承上的飞轮蓄能的特殊电池，充电一次的走行距离为同重量铅电池的5倍，正拟和日本联合开发。但日本通产省和电池界近来主张开发大容量锂电池。据K．Kanari和K．Takano等1996年发表在Bulletin of the Electrotechnical Laboratory第60卷第12期上的文章“Joint research on thermal simulation technology for lithium secondarybatteries”中报道说，据论证锂电池的能源密度，按重量计为钠硫电池的3～4倍，1993年纳入新日光计划开发，十年达实用化。
本发明的目的在于提供一种利用夜间低谷电蓄热白天供暖制冷技术，用以解决电力供应的突出矛盾--电网负荷的昼夜峰谷差。解决夜间至清晨谷段负荷率低，高峰时段电力供应紧张，以至于造成电厂规模必须按峰期负荷配置，电厂不能均衡发电，电网不能在最经济的状态下运行的问题。
“低谷电蓄能供暖制冷”的设计思路为，在夜间将低谷电通过对热媒体(热中间介质)的加热，将电能转化为热能，进行储存，这样的热媒体需要具有较高的密度，高的热容量和相变热，才可以利用它的显热和潜热来大量吸收热能。在热媒体中积蓄的热量，通过换热装置将其转变为蒸汽或热水，蒸汽或热水再提供给热泵(制冷机)作为高温热源进行制热和制冷，以提高转换效率。也可以用换热装置出来的热水或蒸汽直接对外供热。
发明构成主要包括蓄热系统；电加热系统；放热系统；热泵(制冷机)系统和控制系统等。其作用在于1．蓄热过程首先利用夜间的低谷电(也可用非低谷电)电能加热蓄热池中的蓄热材料，使之熔化，将电能转换为热能--蓄热材料的熔化潜热和升温显热一进行贮存；2．放热过程水流过放热系统时被加热，变成蒸汽或热水后流出；3．热能利用过程出放热系统的蒸汽或热水作为高温热源进入吸收式热泵(制冷)系统，驱动热泵(制冷机系统)向外供热或提供冷量；出放热系统的蒸汽或热水也可直接对外供热。
(1)蓄热系统主要包括蓄热池和蓄热材料两部分。蓄热池为用耐热不锈钢、耐热铸铁或陶瓷类材料制成的容器；蓄热材料为熔点温度高于300℃和低于1000℃的金属材料或盐类无机非金属材料。
(2)电加热系统主要包括放置在封闭蓄热池外表面(不和蓄热材料接触的表面)或放置在蓄热池内部并埋入蓄热材料内的电加热装置或元件。
(3)放热系统主要包括放置在蓄热池外表面(不和蓄热材料接触的表面)或放置在蓄热池内部并埋入蓄热材料内的金属盘管或金属通道，当水通过其中时，可根据工艺要求产生蒸汽或热水。所产生的蒸汽或热水可直接向装置外供热或提供给热泵作为热泵的热源。
(4)热泵(制冷机)系统为吸收式热泵(制冷机)，以放热系统提供的蒸汽或热水为高温热源制热或制冷。
(5)控制系统，根据工艺要求对整个装置进行控制和监测的电控系统。
本发明的优点在于，通过蓄热解决电能难以直接贮存的问题，并可做到根据需要就地分散贮存。贮存的热能在需要时以热水或蒸汽的形式取出并通过热泵(制冷机)转换进行制热或制冷，以提高电能的转换效率。也可直接以蒸汽或热水向外供热。
首先，它能调节或缓解电负荷峰谷差的矛盾。如果能大范围的推广这项技术的话，它可部分取代现在城市中普遍使用的燃煤、燃油和燃气锅炉，这将使低谷电的使用量大大增加，起到了转移峰期用电、减少用电高峰期的用电需求、平衡电网的效果，也使得电厂能平稳、经济、安全地运行，从而提高了发电效率，也提高了电厂的投资效益和减少了电力建设的投资及浪费，使整体供电水平得到提高。
其次，改善了环境。因电是最洁净的能源。
再次，有较好的使用经济效益。经估算，低谷电蓄热系统如果单用于供热的话，其一次性投资不大于具有同样供热能力的锅炉系统的投资。增加了热泵或制冷机后，虽投资增大，但考虑到增加了夏天的制冷供冷系统，设备利用率提高，同时调节供电负荷峰谷差的作用受季节的限制减少，因此，投资效益仍是较高的。
图1为本发明的一项不经过热泵系统而直接对外供热的系统示意图。其中1-控制系统，2-供电线路，3-电加热元件，4-换热盘管进水回路，5-流量计量装置，6、9-流量控制阀，7-换热盘管出水回路，8-回水管道，10-用户或对外供热系统，11、14-管道泵，12-集水箱，13-蒸汽或热水出口，15-蓄热池，16-耐热保温材料，17-换热盘管。
权利要求
1.一种利用夜间的低谷电蓄热白天供暖制冷技术，其构成主要包括蓄热系统，电加热系统，放热系统，热泵系统和控制系统；蓄热过程首先利用夜间的低谷电电能加热蓄热池中的蓄热材料，使之熔化，将电能转换为热能--蓄热材料的熔化潜热和升温显热-进行贮存；放热过程水流过放热系统时被加热，变成蒸汽或热水后流出；热能利用过程出放热系统的蒸汽或热水作为高温热源进入吸收式热泵(制冷机)系统，驱动热泵(制冷机)向外供热或提供冷量；出放热系统的蒸汽或热水也可直接对外供热。
2.根据权利要求1所述的技术，其特征在于蓄热系统主要包括蓄热池和蓄热材料两部分，蓄热池为用耐热不锈钢、耐热铸铁或陶瓷类材料制成的容器，蓄热材料为熔点温度在300℃-1000℃的金属材料或盐类无机非金属材料；电加热系统主要包括放置在封闭蓄热池外表面或放置在蓄热池内部并埋入蓄热材料内的电加热装置或元件；放热系统主要包括放置在蓄热池外表面或放置在蓄热池内部并埋入蓄热材料内的金属盘管或金属通道，当水通过其中时，可根据工艺要求产生蒸汽或热水，所产生的蒸汽或热水可直接向装置外供热或提供给热泵作为热泵的热源；热泵系统为吸收式热泵，以蓄热系统提供的蒸汽或热水为高温热源制热或制冷。
全文摘要
一种利用夜间的低谷电蓄热白天供暖制冷技术,其构成主要包括蓄热系统,电加热系统,放热系统,热泵系统和控制系统;其优点在于:通过蓄热解决电能难以直接贮存的问题,并可做到根据需要就地分散贮存。贮存的热能在需要时以热水或蒸汽的形式取出并通过热泵(制冷机)转换进行制热或制冷,以提高电能的转换效率。也可直接以蒸汽或热水向外供热。
文档编号F24F5/00GK1293344SQ9912195
公开日2001年5月2日 申请日期1999年10月19日 优先权日1999年10月19日
发明者王立, 周筠清 申请人:北京科技大学