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英国卡迪夫大学徐宪东、吴建中等:用于区域供冷系统的相变储能设计与运行分析

该文受European Regional Development Fund(through the Welsh Government)资助。

原文发表在《全球能源互联网》2019年第2卷第4期,欢迎品读。


作者:徐宪东1孙文强1,2吴建中1

单位:1. 卡迪夫大学工程学院;2. 东北大学热能工程系



文章导读


区域供冷系统通过制冷媒介将分布在建筑物中的排热集中排放到如海洋或河流之类的外部环境中。极端天气下(如热浪),大量的热量注入可能使局部环境温度过高,进而导致注入水中鱼类窒息等问题。针对这一问题,讨论了相变储能接入区域供冷系统的两种方案和相变温度约束,并给出了相变储能对制冷负荷可实现的最大削峰量、持续时间以及储能系统状态恢复时间,通过位于欧洲某城市的实际区域供冷系统,评估了相变储能的移峰填谷作用以及相变温度对于储能的限制。


文章亮点


1. 构建了安装于建筑物内的相变储能的位置选择方案和相变温度选择方式;

2. 给出了相变储能系统评价指标,并比较了不同安装方案下,相变储能系统的性能;

3. 评估了使用相变蓄冷系统对于楼宇侧制冷负荷的削峰作用。

区域供冷系统

伴随着气候变暖以及人民生活水平提高,居民制冷需求有了显著的增长。2000—2010年间,全球空间供冷的能源消耗增加了60%。然而,广泛使用的空调在给电网带来巨大压力的同时,也加剧了城市热岛效应,使得城市制冷需求进一步增加。对于采用河流和湖泊作为冷源的区域供冷系统,在夏季高峰负荷期间,持续高温热浪导致的尖峰制冷负荷将会使本来已经偏高的水温进一步升高,超过水中生物的生存极限。2003年和2018年的两次热浪造成欧洲大量河流中鱼类窒息死亡。未来全球极端气候条件出现的次数可能会继续增加,高峰制冷负荷对于水中生物和电网的影响会更加严重。因此,有必要采取措施降低制冷负荷峰值,避免由此产生的不良影响。

本文以一个河水为冷源的区域供冷系统为例展开研究,系统结构如下图所示。

以河流做冷源的区域供冷系统结构


相变储能系统

根据储能系统进水和回水接入点的不同,主要考虑如下两种接入方案:

1)方案1。相变储能系统安装于楼宇回水侧(制冷水吸热后),楼宇回水先经过储能,之后再回到换热站。

2)方案2。相变储能系统与楼宇并联,进水口和出水口分别接到楼宇的进水口和出水口。

含有相变储热系统的楼宇结构

为尽可能减少对现有系统的影响,降低改造难度,在加装蓄冷系统时首先考虑串并联选择。储能系统采用方案1和方案2接入会对已有系统水力平衡造成不同的影响。相比于方案1(类似于电气系统串联)接入,采用方案2(类似于电气系统并联)接入时,对系统影响相对较小。然而,在不同的接入方案下,储能系统与制冷系统有不同的换热效率,因此,本文采用最大削峰量、削峰持续时间以及储能状态恢复时间三个性能指标对相变储能系统进行对比。

换热站削峰幅值

储能系统最大削峰持续时间

储能系统状态恢复时间


结论


本文研究了基于相变材料的蓄冷系统特性,提出了削减尖峰制冷负荷的两种相变储能接入方案,并给出了相变温度选择范围。仿真结果表明,储能与换热站和楼宇并列运行能够实现更大幅度的削峰。另外,相变材料在换热过程中,换热效率会不断降低,为保证达到满足系统削峰要求,需要在相变储能设计时根据实际需求留有一定裕度,以弥补稳态设计值的偏差。


本文引文信息

徐宪东,孙文强,吴建中. 用于区域供冷系统的相变储能设计与运行分析[J]. 全球能源互联网,2019,2(4):333-340.


Xu Xiandong, Sun Wenqiang, Wu Jianzhong. Design and operation analysis of a phase change material based thermal energy storage for district cooling systems[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(4): 333-340(in Chinese).


作者简介

徐宪东


1987,男,博士后


研究方向为区域综合能源系统建模与灵活性分析,E-mail:xux27@cardiff.ac.uk。



孙文强


1986,男,副教授


研究方向为能源转换与储存,E-mail:sunwq@mail.neu.edu.cn。


吴建中


1976,男,教授


研究方向为智能电网与能源基础设施,E-mail:wuj5@cardiff.ac.uk。



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编辑李锡

审核:白恺


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