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清洁供热蓄热技术应用市场应回归本源

发表时间:2019-06-22 09:26

  1.相变蓄热材料并不神奇

  只是普通的化学原料

  相变蓄热以相变材料为蓄热载体,目前市场上使用的相变蓄热材料主要包括无机水合盐、硝酸盐类、有机物(以石蜡为主要代表)等。

  虽然市场上宣传的相变材料听起来种类繁多,但陈博士认为,本质上来说,不管是无机水合盐,还是有机材料,这些都是普通的化学原料。据文献统计,已知的可利用潜热的材料约有16万种。任何一种材料都有相变的过程,关键看其潜热是否能够被利用。

  而对于市场上宣传的一些听起来让人感觉很“高大上”的新型相变材料,陈博士直言,一些厂商以此为噱头吸引眼球,更多只是出于商业上的考虑。

  陈博士认为,蓄热材料的选择依托于具体的项目,相变温度越高的材料,其蓄热装置、运行系统都会相对复杂很多。一般而言,在供暖过程中,合格的相变材料需要符合以下特性:

  一是安全环保,使用过程中不能产生气体,不易燃,不产生有毒的挥发性物质。

  二是合适的相变温度。供暖需要的水温不过在45~55℃,因此材料的相变温度不宜过高,70~90℃为宜。过高的相变温度匹配一个低温的供暖环境,也会造成高品位能量的浪费。

  三是单位体积的蓄热量尽可能大。相变潜热相对于水蓄热(显热),其蓄热密度大,可以节省更多占地面积,应尽可能选择单位体积蓄热量大的材料。四是要求循环次数高,使用寿命长。材料来源易得,尽量便宜。

  2.导热系数是固有属性

  强化传热在供暖上并无实际意义

  材料良好的导热系数可以低成本地实现充分热交换,但常见的相变材料的导热系数并不高,以石蜡为例,其导热系数仅为0.25W/(m.K),与一般隔热保温材料的导热相当,传热很慢,需要配套充分的热交换设施。

  陈博士认为,目前在供暖领域,实际项目中采用的相变材料的导热系数都小于1W/(m.K),超过该数值的都有可能是过度宣传,因为提高材料的导热系数成本过高,不适合商业化。换句话说就是,只有学术价值,而没有商业价值。

  对于一个相变蓄热系统,有很多办法可以强化传热。如将材料填充在泡沫金属里,但是这会极大地增加成本,不具有经济价值。或者换一种设计结构,不利用导热来进行换热,而类似于在光热发电领域,采用对流换热。但是目前已知的实际项目中,基本都是利用材料的导热来进行换热,因此换热效率都大同小异。

  陈博士补充道,相变材料的根本缺陷就是导热系数过低,不能快速换热,限制了其大规模使用。若要强化传热,那么其代价又过于高昂。不过对供暖市场而言,供暖要求的只是一个缓慢的传热过程,通过传热结构设计,可以合理的规避相变材料导热系数低的缺陷,经济地利用其相变潜热。若特意地去强化传热,那么会极大增加投资成本,而无实际意义。

  3.保证使用寿命

  需解决过冷度和相分离问题

  使用寿命是评价产品性能的重要指标之一,影响相变蓄热材料使用寿命的因素有很多,如材料的使用温度、运行工况、过冷度、相分离问题的解决等。

  无机水合盐的使用温度可以很好地匹配供暖温度所需,许多厂商均选用无机水合盐作为蓄热材料,但无机水合盐有很大的过冷度和相分离现象,使用中需要克服这两个难题,才能保证其使用寿命。对于一些盲目跟风进入蓄热市场的厂商,往往不懂其中奥妙,因此产品性能衰减速度快,使用寿命无法保证。

  简单来说,过冷度就是理论相变温度和实际相变温度的差值。根据热力学第二定律,固体和液体的自由能不同,而导致液体变成固体的过程中,需要有过冷度作为动力而结晶。因此固液相变材料如无机水合盐,一定会有过冷度。

  过冷度的大小与冷却速度密切相关,冷却速度越快,实际结晶温度就越低,过冷度就越大;反之冷却速度越慢,过冷度就越小。过冷度可以通过很多手段降低,但是无法消除。水合盐放热时间会随着过冷度增大而减小,从而削弱其蓄热能力。这是因为有一部分潜热被用来加热过冷熔体了。因此,如果一种无机水合盐的过冷度十分大,就会引起水合盐存储的热量不能完全释放出来,从而也就失去了相变蓄热的目的。

  此外,相分离现象同样也会影响相变蓄热的性能。简单来说,水合盐多次循环后,容器内分为三层,底部为固态无水颗粒,中间层为水合盐晶体,上层为液体,这就是相分离。随着循环次数的增多,底部堆积的固态无水颗粒越多,则势必造成水合盐相变储能特性的丧失。

  陈博士表示,这两种问题都有多种方式可以解决。一般来说,常见的无机水合盐材料只要解决好过冷度和相分离问题,在合理工况内运行,其使用寿命还是很长的,其中一款产品使用的相变蓄热产品经DSC循环测试可以达到7000次,相当于30年的材料使用寿命。

  4.降低成本需解决

  电力增容和低谷电价问题

  在峰谷电价机制下,使用夜间低谷电力蓄热将谷电时段的电能转化为热能储存起来,在电价高峰时段进行供暖,达到错峰用电、分时储能的目的,从而降低电采暖的成本。但囿于蓄热系统一次性成本高,且大部分地区的低谷电价格偏高,阻碍了蓄热技术大范围推广。

  “目前限制蓄热供暖的因素很多,其中最主要的两个问题在于电力增容费用和谷电价格”,陈博士如是认为。电力增容或者电力基础设施更新占成本支出比例大,一般企业难以承受,还需要政府或者央企出面解决。同时,尽量降低低谷电价,降低电供暖的运行成本,相变蓄热系统的投资回收期才会大大缩短。

  此外,相变蓄热产品本身最大的成本在于相变材料,目前在运行的各类相变蓄热项目,其成本大同小异,无本质区别。目前来看,无可行的方案去显著降低相变蓄热系统的一次性投资成本。因为相变蓄热系统最大的成本就在于相变材料,除非相变材料在供暖中大规模使用,规模化效应可以带来相变材料成本的降低,从而降低相变蓄热系统的一次性投资成本。而这是一个悖论,要增加相变蓄热的市场份额,从根上又回到了电力增容问题和低谷电价下调的问题。

  而工业用热由于具备峰谷电价差价巨大、无季节限制的特点,相对于供暖领域,理论上而言,蓄热技术的工业用热市场发展空间更大。

  对此,陈博士认为,工业用热的技术壁垒也更高,可替代的蓄热技术也很少。工业蒸汽生产应用的这种蓄热技术必须使用中高温蓄热技术,相对于供暖领域使用的低温蓄热技术,在难度上提高了很多量级。目前蓄热产品在工业用热领域还不多见,原因也在于其技术壁垒更高,运行策略更复杂,安全性考量更为严格。

  蓄热技术应用于清洁供热市场拥有广阔发展空间,相变蓄热技术的进入门槛本身并不很高,这吸引了诸多玩家进入,但部分蓄热技术厂商在市场竞争的过程中,采用过度宣传等方式包装自己的产品和技术,将导致市场竞争失序,用户无法准确甄别,长此以往,无益于蓄热技术的市场发展。陈博士呼吁,蓄热技术厂商应回归本源,切实维护市场的良性竞争环境。


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