用于区域供冷系统的相变储能设计与运行分析

徐宪东1,孙文强1,2,吴建中1  

(1.卡迪夫大学工程学院,英国 卡迪夫市 CF24 3AA;2.东北大学热能工程系,辽宁省 沈阳市 110819)

摘要

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,进而导致出现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。针对相变材料的特点,考虑已有制冷系统结构以及制冷负荷温度需求,利用稳态分析选择合适的相变储能接入方式,并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。

关键词 : 区域供冷系统;移峰填谷;相变储能

基金项目:FLEXIS (Flexible Integrated Energy Systems).FLEXIS is part-funded by the European Regional Development Fund (ERDF), through the Welsh Government.

0 引言

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,全球空间供冷的能源消耗增加了60%[1]。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。

针对这一问题,联合国环境规划署发布了《城市区域能源:充分激发能源效率和新能源的潜力》 报告[2]。报告指出区域供冷是解决城市供冷问题的成本最低和最有效的方法之一。不同于传统制冷系统,区域供冷系统是通过冷水管网将建筑物中的热量转移到冷源,排放到环境中。

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[3]。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[4-5]。此外,高温天气下热电厂的冷却水排放也会受到限制,进而导致电网中的电力供应不足,加之制冷产生的高峰电力负荷,会加剧电网中发电和负荷之间的不平衡[6-7]

未来全球极端气候条件出现的次数可能会继续增加[8],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。

类似于储能在电力系统中的作用,采用蓄冷系统是降低高峰制冷负荷的有效途径[9]。从热力学的角度上讲,蓄冷系统包括显热式蓄冷、潜热式蓄冷和热化学蓄冷三种方式[10]。其中,潜热式蓄冷能量密度可以达到另外两种方式的5~14倍[11],因此受到了广泛的关注和研究。

潜热式蓄冷的优势在于能量密度大,在能量交换过程中温度变化小,易于控制[12]。潜热式蓄冷通常基于相变材料的相变实现吸热和放热[13]。已有文献表明,通过在建筑物中嵌入相变材料能够有效降低用户的尖峰负荷[14]以及总制冷能耗[15]。文献[16]指出使用相变材料能够降低11%~25%的建筑物尖峰制冷负荷。

对于区域供冷来说,由于用户、区域供冷运营商以及电网公司的关注点不同,在区域供冷系统或电网需要削减负荷的时候,用户可能已经将相变储能的热量提前蓄满,而并不能吸收更多的热量。另外,嵌入在建筑物中的相变材料的热交换过程不利于对用户用冷的主动控制,难以满足紧急情况下的削峰要求。因此,若将相变材料蓄冷应用于区域供冷系统,则需要加装换热器以控制蓄冷系统与区域供冷系统之间的热量交换[17]

为有效利用蓄冷系统实现对于区域供冷系统负荷的移峰填谷,有两个关键问题需要解决。一方面,选择具有合适相变温度的材料完成蓄冷功能[18]。以冰蓄冷为例,制冰的过程需要制冷媒介温度低于0 ℃,以保证冰蓄冷在高峰负荷时期能够正常工作。实现这样的低温会导致制冷剂效率的下降以及用电量的 提高[19]。对于已有制冷系统,可以根据制冷系统的供冷温度,选择相变温度高于0 ℃的相变材料[20]。另一方面,由于供水和回水的温差,蓄冷系统在冷水网中的位置决定了其能够与热网交换的热量大小,以及满足同样的蓄冷需求所需要的相变材料量。实际系统中,相变材料的类型、蓄冷系统在区域供冷系统中的位置与蓄冷系统的容量和运行方式相关,需要综合考虑。

本文在已有研究的基础上,针对这两方面问题,做了以下工作: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最后利用一个位于欧洲的实际区域供冷系统,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。

1 区域供冷系统结构

本文以一个以城市河水为冷源的区域供冷系统为例展开研究。如图1所示,在每一栋楼宇内通过二次冷水网吸收楼宇中热量并通过换热站将热量释放到一次网。换热站通过调节从一次网获得的冷水量,保证二次网中供给楼宇的冷水温度满足用户供冷需求。一次网中通过一个环网将各个楼宇中的热量传递到制冷机,制冷机吸收热量并释放到冷源中。同时,制冷机在水泵的驱动下将降温后的冷水重新送回到一次网中,为用户提供制冷服务。图中3种流定义如下。

1)水流(黑色):管网中水流。

2)热流(红色):管网中热量流向(吸热后)。

3)冷流(蓝色):管网中冷服务流(用于制冷)。

图1 以河流做冷源的区域供冷系统结构
Fig.1 Configuration of a district cooling system with a river as the cooling source

2 相变蓄能系统模型

相变蓄冷系统结构由堆砌在水箱中的若干相变材料模块和传热流体共同组成。在区域供冷系统(如图2所示)的入口和出口处装有三通阀和旁路,通过改变旁路流量可以实现对换热量的控制。

图2 相变储能系统结构
Fig.2 Schematic diagram of the simplified TES

假设流过储能系统出口温度与相变材料温度(Tpcm)相同,储能系统吸收热量PTES(t)可表示为:

式中:α为流过储能系统的流量比例,%;cw为水比热,kJ/(kg·℃);ms为储能系统及旁路总流量,kg/s;Tin(t)为储能系统入口温度,℃。

如图3所示,当储能系统入口温度高于相变材料温度时,相变材料从供冷系统吸热,PTES>0;当储能系统入口温度低于相变材料温度时,相变材料凝固,并将热量释放到区域供冷系统中,PTES≤0。

图3 相变储能吸热和放热
Fig.3 Melting and freezing of phase change material

蓄冷系统从周围环境吸热量Ploss可以表示为:

式中:Tamb为储能系统周边环境温度,℃;U为储能系统传热系数,W/(m2·℃);A为储能系统表面积, m2。

在储能与区域供冷系统的热交换过程中,储能系统储热量ETES(t)可表示为:

式中:PTES(t)为储能系统与区域供冷系统交换功率,kW;ETES(t0)为储能系统在初始时刻t0储热量,kJ。

实际系统中,一般会同时使用潜热和部分显热存储,以实现对蓄冷材料的有效利用[21]。在储能接入区域供冷系统处温度Tin(t)高于相变温度Tpcm(t)时,相变材料从区域供冷系统中吸收热量。在这个过程中相变材料逐渐由固态变成液态,吸收热量转为潜热,在相变过程完成后,材料温度明显开始升高。在Tin(t)低于相变温度时,相变材料放出热量给传热流体并释放到区域供冷系统中,将相变材料逐渐由液态转变为固态,在潜热释放完之后,相变材料开始释放显热,温度明显下降。这种情况一般发生于区域供冷系统处于低负荷状态时。

如图4所示,正常运行时,相变储能材料温度位于最小温度和最大温度之间。假设相变蓄冷系统在相变材料最小温度时储热量为零,则该蓄能系统所存储的最大热量表示为:

图4 相变材料中储热量
Fig.4 Heat stored in phase change material

式中:ΔHm为相变潜热,kJ/kg;mpcm为相变材料质量,kg;ΔEm为相变储热量,kJ;csp和c1p分别为相变材料在固态和液态的比热,kJ/(kg·℃);Tm为相变材料相变温度(假设固态和液态相变温度相同),℃。

对储能系统中蓄热状态SOCTES (t)作如下定义:

3 相变储能系统设计

3.1 接入方式

考虑到城市空间资源有限,本文主要考虑分布于楼宇中的小型储能系统,这种小型储能系统除了可以用于偶发高温热浪天气下降低整个系统制冷负荷,平时还可以用于移峰填谷,降低用户购买制冷服务成本。同时,用户的参与还能够降低区域供冷系统所有者集中处理高峰负荷所需要的投资。

为降低加装相变储能系统对于区域供冷系统水力平衡的影响,本文主要考虑安装于换热站二次侧的相变储能系统。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,相应的储能位置如图5所示。

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。

图5 含有相变储热系统的楼宇结构
Fig.5 Dynamic behaviors of a building with PCM based thermal storage

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,还需进一步确定方案2是否也能够有效利用储能系统,在为制冷系统提供同样的供冷量的前提下,降低相变储能材料的需求量。

3.2 系统模型

在本文分析中,对区域供冷系统做如下假设:

1)换热站二次侧供冷温度通过调节换热站一次侧流量实现,并保持在给定温度Ts1

2)换热站二次侧流量ms保持恒定;

3)在楼宇内部装有自适应调节系统,用于在不同供水温度下保证为楼宇提供给定制冷量。

在区域供冷系统楼宇换热站处,进、出口水流温度满足如下关系[22]

式中:Tp1和Tp2为换热站一次侧入口和出口温度,℃;Ts1和Ts2为换热站二次侧入口和出口温度,℃;khex为换热站传热系数,W/(m2·℃);Ahex为换热面积,m2;mp和ms为换热站一次侧和二次侧流量,kg/s;cp和cs为换热站一次侧和二次侧流体比热,kJ/(kg·℃)。

在不考虑传输延时和损耗的情况下,该区域供冷系统通过制冷机释放到河流中的热量可表示为:

式中:PDCS为区域供冷系统释放到河流中的热功率,kW;ib为楼宇编号;Nb为楼宇总数;Pib为第ib个换热站释放到区域供冷系统中的热功率,kW。

楼宇侧接入相变储能系统后,该区域供冷系统释放到河流中的热功率可表示为:

式中:为第ib个储能系统从二次网中吸收的热量,kW;为考虑储能之后的区域供冷系统释放到河流中的热功率,kW。

3.3 相变温度选择

3.3.1 热传递约束

在相变储能系统接入楼宇侧区域供冷系统后,为维持储能系统的正常运行,需要保证储能系统在高峰负荷时吸热,低谷负荷时放热。为充分利用相变储能潜热,储能材料的相变温度应满足如下要求:

1)储能材料相变温度高于换热站能够提供的最低温度,即Tm>Ts1

2)储能材料相变温度低于正常楼宇回水温度(吸收楼宇排热后),即Tm<Ts2

3.3.2 空间与时间约束

当储能材料相变温度与楼宇回水温度较接近时,储能系统最大可吸收功率变小。在给定的储能系统空间下,为满足区域供冷系统对于换热站削峰的需求,储能材料相变温度Tm应满足

式中为第ib栋楼宇需要满足的最大削峰值。

储能系统在吸热后,需要在低谷负荷期间放热。考虑到放热的时间限制,储能材料的相变温度还应 满足

式中为储能系统最大允许状态恢复时间。

区域供冷系统一般安装于市区,尤其是商业建筑中,因此,放置储能系统的空间通常比较有限,对应的最大可吸收功率和最大储热量也会受到限制。存储于相变材料中的热量在最大削峰值下的持续时间应超过最小削峰时间需求

式中第ib个相变储能的容量。

利用公式(4)描述第ib个相变储能的容量,并代入公式(11),可得相变温度与相变材料质量需满足如下条件:

3.4 关键性能指标

本文采用如下3个性能指标对相变储能系统进行对比。

3.4.1 最大削峰量

相变材料主要是为了降低高峰负荷时由二次网输送到一次网的热量,进而减少排入河水的热量。

按照方案1接入区域供冷系统后

式中:Ts1为区域供冷系统二次侧供水设定温度为采用方案1接入相变储能后第ib个换热站与一次网交换功率。

按照方案2接入区域供冷系统后

式中为采用方案2接入相变储能后第ib个换热站与一次网交换功率。

为保证换热站在冷负荷低谷期间带走相变储能系统内部的热量,换热站供水设定温度Ts1低于相变温度Tpcm。采用方案1时,楼宇回水经过相变储能后,出水会再流过换热站。相变储能系统的出口温度一直高于换热站设定温度,则其出水一直经过换热站换热。而方案2因相变储能出水可以不经过换热站直接接入供水管,因此,能够将换热站峰值降为零。

实际供冷系统运行时,允许供给用户的冷水温度在一定范围内变化。冷水进入楼宇后,依靠楼宇内部风机盘管的调节能力,满足用户同等水平的制冷需求。采用方案2时,由相变储能系统单独供冷,回水经过相变材料后冷却至相变材料温度Tpcm,送到楼宇的供水温度比直接通过换热站的供水温度Ts1要高。

另外,本文以制冷系统降低峰荷排热为出发点,主要考虑了对制冷系统的削峰。在不考虑制冷机效率变化的条件下,与冷负荷削峰量相对应的电负荷削峰量可以通过效率转换得出。需要指出的是,尽管蓄冷系统能够实现对电力系统和制冷系统的同时削峰,然而,实际运行中需综合考虑二者不同的需求,以实现用户利益的最大化。

3.4.2 削峰持续时间

当储能系统运行于对区域供冷系统最大削峰值时,对应的削峰持续时间可表示为:

式中:为相变储能吸热融化然后升至最高运行温度需要的时间,h;为接入相变储能后第ib个换热站与一次网交换功率,为第ib个相变储能初始储热值和最大储热值,kWh。

3.4.3 储能状态恢复时间

储能状态恢复时间为相变储能放热凝固,并降温至最低允许值需要的时间。两种方案从换热站得到的供水温度相同,所以可知两种方案下,储能系统状态恢复需要的时间相同,可表示为:

式中为储能系统状态恢复需要的时间,h。

4 算例分析

4.1 算例系统

本文以欧洲某市区域供冷系统为例,研究了相变储能对于区域供冷系统的作用。假设最小削峰时间需求为2 h,最大储能系统状态恢复时间为8 h,所研究楼宇回水温度最大设计值为16 ℃,于是可得最大削峰幅值为200 kW,相应的储能材料的相变温度应满足6.87 ℃≤Ts1 ≤7.31 ℃,因此本文选择相变温度为7℃的水和盐相变材料,主要参数如表1所示。

根据表1中相变材料参数及公式(12)计算可得,蓄冷系统中需要的相变材料最小质量为816.27 kg。假设相变材料在液态状态下,在蓄冷罐中的体积分数为99%,通过计算可得蓄冷罐体积为10.71 m3。蓄冷罐预留放置区域长宽为2.5 m×2.0 m,则蓄冷罐表面积为29.28 m2,其他参数如表2所示。

表1 相变材料主要参数[23]
Table 1 Main parameters of the phase change material

表2 蓄冷罐主要参数
Table 2 Main characteristics of the storage tank

4.2 算例测试

4.2.1 性能指标比较

首先根据本文给出的储能系统性能指标,利用稳态模型对区域供冷系统中一个楼宇加入相变储能的算例进行分析。其中换热站一次侧进水和二次侧供水温度如下:Tp1=3.4 ℃,Ts1=4.7 ℃。换热站二次侧流量为5.5 kg/s。楼宇制冷负荷为181 kW。分别采用两种方案把相变储能接入区域供冷系统后,所得到的系统性能指标如图6—图8所示。

由图6可知,较方案1而言,方案2可以更大幅度地实现换热站的移峰。考虑到换热站二次侧供水在低负荷时应能够从储能系统带走热量,相变储能运行温度应高于换热站二次侧供水温度设定值Ts1。结合公式(9)和公式(10)可以看到,由于储能材料相变温度的限制,方案1中,当储能系统串接于楼宇中时,回到换热站的热水温度依然高于换热站二次侧设计冷水温度,因此,即使在储能材料吸热的情况下,仍有部分热量通过换热站传递到一次网中。对比之下,方案2能够在不经过换热站的情况下,吸收楼宇的全部排热。

图6 换热站削峰幅值
Fig.6 Amplitude of peak-shaving at the substation

图7 储能系统最大削峰持续时间
Fig.7 Maximum duration for load shifting of the thermal energy storage

图8 储能系统状态恢复时间
Fig.8 Time required for state restoration of the thermal energy storage

由于方案2吸热量更大,所以储能持续时间相对短,如图7所示。需要注意的是,尽管方案2能够实现更大幅度削峰,但是方案1和方案2在储能系统状态恢复时需要的时间却是相同的,如图8所示。这是由于二者都是依靠来自换热站冷水来带走高峰负荷时吸收的热量。

4.2.2 动态性能比较

本节采用Dymola平台对区域供冷系统进行动态模拟,以进一步校验稳态分析结果。如图9所示,动态模拟与稳态分析结果接近,与方案1相比,方案2能够实现更大幅度的削峰效果。然而,随着相变材料在吸热过程中不断融化,相变材料与换热流体的换热量呈指数下降,因此,储能系统不能够达到如图6所示的稳态计算值。

图9 换热站传热量对比
Fig.9 Comparison of heat transfer at the substation

加入相变储能之后,换热站一次侧回水温度明显下降,如图10所示。在峰荷时期,由于方案2中储能系统吸收了大部分热量,换热站承接的供冷量较小,因此,换热站回水温度明显降低。

图10 换热站一次侧回水温度
Fig.10 Comparison of the return temperature at the primary side of the substation

4.2.3 移峰填谷测试

以本文供冷系统所在地夏季某天制冷负荷为例,对储能系统吸热和放热过程进行测试。如图11所示,测试数据为从某日凌晨到3天后的凌晨,时间步长为1个小时。相变储能系统以方案2接入区域供冷系统,并在收到区域供冷系统所发出的削峰信号时(假设为每日10: 00—11: 00 AM),启动储能系统吸收热量。

从系统特性的角度,本节分别分析在换热站将二次侧(楼宇)热量转移到一次侧(区域供冷系统)的幅值,以及储能系统状态(SOCTES)的变化幅度。由图11可知,通过相变储能系统的作用,换热站排放到区域供冷系统一次网的热量在其制冷负荷峰值时减小至零。另一方面,在夜间低负荷时期(23: 00— 3: 00),储能系统状态恢复将热量排放到区域供冷系统中,使得换热站排放到一次侧的热量增加,因此实现了对于制冷负荷的移峰填谷。另外,由图11可知,在整个仿真过程中,储能系统状态SOCTES一直在允许的范围内。

图11 相变材料中储热量及热交换值
Fig.11 Load shift and SOC of the thermal energy storage

5 结论

针对高温热浪造成的区域供冷系统过量热排放,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,采用方案2,即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。

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Design and Operation Analysis of a Phase Change Material Based Thermal Energy Storage for District Cooling Systems

XU Xiandong1, SUN Wenqiang1,2, WU Jianzhong1
(1.School of Engineering, Cardiff University, Cardiff CF24 3AA, UK; 2.Department of Thermal Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning Province, China)

Abstract: District cooling systems bring cooling services to buildings located in urban areas and thus concentrate heat into one location.The rejected heat during heat waves can cause significant environmental impacts, such as fish suffocating.This paper proposes a comprehensive technology to identify the optimal location of phase change material (PCM) based thermal storage for a district cooling system.Limits of phase change temperature are also discussed to support PCM selection.The load shifting of PCM storage is simulated to quantify the benefits at different locations.The proposed method is applied to a real district cooling system in Europe.

Keywords: district cooling system; load shifting; phase change material (PCM) based thermal storage


徐宪东

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。

(责任编辑 李锡)

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