《零碳建筑技術(shù)概論》 課件 第9章 建筑儲能技術(shù)

零碳建筑技術(shù)概論第九章建筑儲能技術(shù)時間：2022.07.31CONTENTS目錄9.1儲熱技術(shù)9.2儲電技術(shù)9.3儲能技術(shù)在建筑中應(yīng)用PPT模板下載：/moban/行業(yè)PPT模板：/hangye/節(jié)日PPT模板：/jieri/PPT素材下載：/sucai/PPT背景圖片：/beijing/PPT圖表下載：/tubiao/優(yōu)秀PPT下載：/xiazai/PPT教程：/powerpoint/Word教程：/word/Excel教程：/excel/資料下載：/ziliao/PPT課件下載：/kejian/范文下載：/fanwen/試卷下載：/shiti/教案下載：/jiaoan/PPT論壇：

3儲能的定義與零碳建筑儲能定義：儲能，又稱蓄能，是指通過一定的介質(zhì)或裝置，把某種形式的能量直接或間接轉(zhuǎn)化成另一種形式的能量儲存起來，在需要的時候以最適宜于應(yīng)用的形式將能量釋放出來。儲能的主要作用是克服能量供應(yīng)和能量需求的時間上或空間上的差別。零碳建筑形式的發(fā)展，一方面要求降低建筑本身的能源需求量和提高能源利用效率，另一方面要求采用可再生能源作為建筑主要能源供應(yīng)方式，儲能技術(shù)在實現(xiàn)這兩個目標(biāo)過程中可發(fā)揮重要作用。4在建筑中應(yīng)用儲能技術(shù)，通過冷、熱、電等能源形式的轉(zhuǎn)換、存儲和釋放，實現(xiàn)不同形式能源的實時儲存和移時管理，可有效解決可再生能源的間歇性和波動性與建筑能源需求的匹配問題，實現(xiàn)能源的持續(xù)穩(wěn)定輸出，從而大幅度提高建筑能源自主供給程度。019.1儲熱技術(shù)5熱能是人類生產(chǎn)生活中最重要的能源之一，它雖是一種低品位能源，但在全部能源中占比最高。儲熱技術(shù)可用于解決熱能供需在時間、空間上不相匹配的矛盾，是提高能源利用率及保護(hù)環(huán)境的重要途徑。儲熱技術(shù)主要分為顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學(xué)儲熱。69.1.1顯熱儲熱顯熱儲熱原理

物質(zhì)在形態(tài)不變的情況下，隨著溫度的升高內(nèi)能增大，溫度下降內(nèi)能減小。顯熱儲熱就是利用物質(zhì)在溫度變化過程由于內(nèi)能產(chǎn)生變化而吸收或放出的熱量的性質(zhì)來實現(xiàn)能量儲存。79.1.1顯熱儲熱顯熱儲熱材料

顯熱儲熱與儲熱材料的熱物理性質(zhì)密切相關(guān)。從理論上來說，所有物質(zhì)均可以被應(yīng)用于顯熱儲能，但在實際應(yīng)用過程中比熱容大、密度大、導(dǎo)熱性好、物理及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)會被作為顯熱儲能材料。常用的顯熱儲存材料見表12-1，液體顯熱儲熱材料如水，固體顯熱儲熱材料如碎石、土壤等，廣泛應(yīng)用在儲熱溫度要求不高的領(lǐng)域。顯熱儲熱特點顯熱儲能的優(yōu)點是儲能材料來源廣泛，成本低廉且使用壽命長，系統(tǒng)集成相對簡單且投資較低。顯熱儲熱最大缺點是儲能密度低、設(shè)備體積較大，并且在釋放熱能時其溫度發(fā)生持續(xù)變化，不能維持在一定溫度下釋放所儲存的熱能。89.1.2相變儲熱相變儲熱原理物質(zhì)存在的相態(tài)有三種，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，不同相態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化時伴隨著能量的吸收和釋放。相變儲熱是利用儲熱材料在相變過程中吸收和釋放熱量的特性來實現(xiàn)儲熱，因此又稱為潛熱儲存，其中利用相變潛熱進(jìn)行儲熱的介質(zhì)稱為相變儲熱材料。99.1.2相變儲熱相變儲熱特點相變儲熱主要優(yōu)勢如下：1）相變潛熱大，儲能密度高，可減少儲能設(shè)備尺寸；2）熱量輸出穩(wěn)定且溫度近似恒定，可以使加熱系統(tǒng)在一個穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。

相變儲熱的主要缺點是換熱流體一般不與相變材料直接接觸，必須通過儲熱換熱器來實現(xiàn)儲能，且對換熱器的耐腐蝕性有要求，系統(tǒng)初投資成本高。相變儲熱材料儲能材料的種類很多，分為無機(jī)類、有機(jī)類、混合類等，對于它們在實際中的應(yīng)用有下列要求：⑴合適的相變溫度；⑵較大的相變潛熱；⑶合適的導(dǎo)熱性能（熱導(dǎo)率一般宜大）；⑷在相變過程中不應(yīng)發(fā)生熔析現(xiàn)象，以免導(dǎo)致相變介子化學(xué)成分的變化；⑸必須在恒定的溫度下熔化及固化，即必須是可逆相變，不發(fā)生過冷現(xiàn)象（或過冷很?。阅芊€(wěn)定；⑹無毒、對人體無腐蝕；⑺與容器材料相容，即不腐蝕容器；⑻不易燃；⑼較快的結(jié)晶速度和晶體生長速度；⑽低蒸氣壓；⑾體積膨脹率較??；⑿密度較大；⒀原材料易購、價格便宜。109.1.3熱化學(xué)儲熱熱化學(xué)儲熱原理熱化學(xué)儲能的原理是利用儲能材料相接觸時發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)來儲存、釋放熱能。當(dāng)給儲能材料加熱時，其會吸收熱量進(jìn)行正向化學(xué)反應(yīng)而分解成兩種或兩種以上物質(zhì)，將分解物質(zhì)進(jìn)行分離儲存，在需要熱量時將分離物充分混合，在一定條件下使其發(fā)生逆向反應(yīng)，釋放出反應(yīng)熱。其中，C表示反應(yīng)物，A和B表示生成物，表示反應(yīng)熱。熱化學(xué)反應(yīng)儲熱特點化學(xué)反應(yīng)儲能的儲熱密度遠(yuǎn)高于顯熱儲存和相變熱儲存，不僅可以對熱能進(jìn)行長期儲存幾乎無熱損失，而且可以實現(xiàn)冷熱的復(fù)合儲存，因而在余熱/廢熱回收及太陽能的利用等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。與顯熱儲熱和潛熱儲熱系統(tǒng)相比，化學(xué)反應(yīng)儲能系統(tǒng)復(fù)雜且反應(yīng)過程有一定的危險性，儲熱材料價格也相對較高。029.2儲電技術(shù)11建筑電氣化是零碳建筑的內(nèi)在要求，電能在建筑能耗占比越來越高。發(fā)展電力儲存技術(shù)，是提高發(fā)電設(shè)備利用率、降低用能成本、保證供電質(zhì)量、節(jié)約能源的有效途徑。目前，世界各國已經(jīng)使用或正在研究開發(fā)的電能儲存方式有：電化學(xué)儲能、物理儲能和電磁儲能。129.2.1電化學(xué)儲能電化學(xué)儲能基本原理電化學(xué)儲能是最常見的電力儲能技術(shù)，其原理是通過電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。電化學(xué)儲能設(shè)備主要指各類電池，主要分為3類：原電池、蓄電池和燃料電池。與熱力過程不同的是，此類設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率不會受到卡諾循環(huán)的限制。正極負(fù)極總反應(yīng)139.2.1電化學(xué)儲能蓄電池蓄電池種類和規(guī)格繁多，但都是由以下四個組成部分：正負(fù)電極、電解液、隔膜和外殼。電極是蓄電池的核心部件，它由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨組成，活性物質(zhì)是指通過化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)生電能的電極材料，目前廣泛使用正極活性物質(zhì)主要是金屬氧化物，如二氧化鉛、二氧化錳、氧化鎳等，而負(fù)極活性物質(zhì)主要是一些較活潑的金屬，如鋅、鉛、鎘、鋰、鈉等；電解液的作用是保證正負(fù)極間離子導(dǎo)電作用，有的電解液參與成流反應(yīng)，一般選用導(dǎo)電能力強(qiáng)的酸、堿、鹽的水溶液，還有有機(jī)溶劑電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體電解質(zhì)等；隔膜是置于電池電極之間的隔板，作用是防止電池正極與負(fù)極接觸而導(dǎo)致短路，同時使正、負(fù)極形成分隔的空間；外殼是蓄電池的容器，同時兼有保護(hù)電池的作用，應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐震動和耐沖擊特性。149.2.1電化學(xué)儲能燃料電池

燃料電池的組成與蓄電池相同，不同的是蓄電池的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)儲存在電池內(nèi)部，而燃料電池的正、負(fù)極本身不包括反應(yīng)物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)化元件。燃料電池工作時，燃料和氧化劑由外部持續(xù)供給，燃料氧化所釋放的能量源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能和熱能。常用的燃料主要有氫氣、甲醇和甲烷等，其中氫氣來源廣泛、燃燒過程無碳排放，且可以通過新能源電力電解水制備，是使用最廣泛的燃料類型。氫燃料電池工作原理示意圖159.2.2物理儲能飛輪儲能

飛輪儲能是利用電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲起來，需要時，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。典型的飛輪儲能系統(tǒng)主要包括5個部分：儲存能量用的飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換能量和功率的電動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，真空容器保護(hù)系統(tǒng)以及電力電子變換系統(tǒng)。飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖儲量量由下式計算定義：物理儲能是通過物理方法實現(xiàn)能量的儲存和釋放，常用的物理儲能方法有飛輪儲能、抽水儲能和壓縮空氣儲能。16抽水儲能抽水儲能電站工作原理見下圖，系統(tǒng)通常包括上游水庫、水道、水泵、水輪機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和下游水庫。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時，抽水儲能電站通過電動機(jī)水泵將下游水庫的水抽到高處的上游水庫中，將電能轉(zhuǎn)為水的的勢能并儲存起來；然后待電力系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)為高峰時，上游水庫的水流入水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，以補(bǔ)充電網(wǎng)尖峰容量和電量，滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求。（a）蓄能過程（b）發(fā)電電過程抽水儲能工作示意圖9.2.2物理儲能17壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)提出的一種儲能系統(tǒng)。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理見下圖，系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、儲氣室、燃燒室、膨脹機(jī)、發(fā)電/電動機(jī)組成。在儲能時，系統(tǒng)利用低谷電力或者新能源電力驅(qū)動壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲氣罐中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室燃燒并產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進(jìn)入透平膨脹機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。傳統(tǒng)壓縮空氣流程示意圖9.2.2物理儲能039.3儲能技術(shù)在建筑中應(yīng)用18建筑運(yùn)行階段的能耗占社會總能耗的25%左右，在建筑中應(yīng)用儲能技術(shù)對于節(jié)約能源、提高能量利用效率、提高可再生能源占比具有重要意義，是實現(xiàn)零碳建筑的有效手段。建筑與外界環(huán)境之間有復(fù)雜的能量與物質(zhì)交換，儲能技術(shù)在建筑中的具體應(yīng)用方法也多種多樣。199.3.1相變儲熱在建筑材料中的應(yīng)用

將相變材料摻混到傳統(tǒng)的建筑材料中制成相變儲能建筑材料，用這些材料制作的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的儲熱能力提高，可以更好實現(xiàn)儲存自然能源能量、空調(diào)制冷產(chǎn)生的過余冷量、采暖過余熱量等，建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動幅度被減弱、作用時間被延遲，從而可以降低建筑物供暖、空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的。另外，由于相變材料儲能期間溫度基本保持在一定的范圍內(nèi)，相變儲能圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有調(diào)溫功能，可提高建筑室內(nèi)的溫度熱舒適度。利用建筑本體蓄熱的太陽能供暖系統(tǒng)209.3.1相變儲熱在建筑材料中的應(yīng)用名稱材料分子式或簡稱相變溫度/℃相變焓/kJ/kg十水硫酸鈉NaSO4·10H2O32.4250.8六水氯化鈣CaCl2·6H2O29.0180.0正十六烷C16H3416.7236.6正十八烷C18H3828.2242.2正二十烷C20H4236.6246.6癸酸C10H20O230.1158.0月桂酸C12H24O241.3179.0十四烷酸C14H28O252.1190.0軟脂酸C16H32O254.1183.0硬脂酸C18H36O264.5196.0新戊二醇NPG43.0130.050%季戊四醇+50%50%PE+50%TMP48.2125.4三羥甲基丙醇

應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲能的相變材料除了滿足基本的篩選原則外，還需要重點考慮人的熱舒適要求，只有相變溫度接近人體的舒適溫度的相變材料才適用，即相變溫度正好是室內(nèi)設(shè)計溫度和供暖、空調(diào)系統(tǒng)要求控制的溫度。在實際應(yīng)用中，常用的建筑材料及其物性見下表。建筑材料中常用的相變材料的主要物性219.3.1相變儲熱在建筑材料中的應(yīng)用相變儲熱墻體建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相變儲能墻體是由適當(dāng)?shù)南嘧儾牧吓c石膏、砂漿等建材復(fù)合后制成墻板構(gòu)建安裝在置于墻體表面，或者將相變儲能建筑材料置于建筑墻體內(nèi)部而制成，如下圖所示。（a）相變膠囊摻入內(nèi)墻抹灰砂漿（b）內(nèi)壁相變墻板相變材料與墻體結(jié)合的兩種方式229.3.1相變儲熱在建筑材料中的應(yīng)用相變地板輻射

將相變材料與地板輻射供暖系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建相變地板輻射系統(tǒng)，有利于提高采暖的熱慣性，降低室內(nèi)溫度波動，提高室內(nèi)舒適度的同時減少房間熱負(fù)荷，達(dá)到建筑節(jié)能的目的。另外，相變地板輻射采暖系統(tǒng)可以利用夜間低谷電進(jìn)行儲熱，從而提高采暖的經(jīng)濟(jì)性。相變材地板輻射采暖系統(tǒng)原理圖239.3.1相變儲熱在建筑材料中的應(yīng)用相變玻璃窗

在中空玻璃之間填充相變材料制成相變玻璃窗，利用相變材料具有的儲能密度大、吸放熱近似恒溫的特點提高玻璃窗的熱容量和熱惰性，有利于改善玻璃窗的保溫隔熱性能。與相變墻類似，相變玻璃窗可減緩室內(nèi)溫度隨室外溫度變化的波動，提高室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度的同時減少空調(diào)系統(tǒng)峰值負(fù)荷。相變玻璃窗傳熱過程249.3.2儲熱技術(shù)在供熱空調(diào)中的應(yīng)用蓄熱式電鍋爐

在電熱鍋爐的基礎(chǔ)上加裝儲能裝置，利用低谷電產(chǎn)生熱能并儲存，在電力負(fù)荷較高的用電高峰期將熱量釋放，滿足用戶的用熱需求。需要注意的是，蓄熱式電鍋爐本身不節(jié)能，但有利于在一次能源利用過程中提高綜合利用效率，并且可以利用低谷電為用戶帶來經(jīng)濟(jì)效益。

蓄熱式電鍋爐工藝流程圖，系統(tǒng)主要由電鍋爐、蓄熱單元、熱交換設(shè)備、循環(huán)水泵、自動控制和閥門等部分組成。25蓄熱電鍋爐供熱系統(tǒng)流程圖9.3.2儲熱技術(shù)在供熱空調(diào)中的應(yīng)用26蓄冷空調(diào)

蓄冷空調(diào)技術(shù)通過利用電力負(fù)荷低谷期的電能或可再生能源電力，驅(qū)動壓縮式制冷系統(tǒng)制取冷量，并將這部分冷量通過蓄冷介質(zhì)進(jìn)行儲存，在電力負(fù)荷高峰期再將儲存的冷量進(jìn)行釋放，滿足建筑物的溫度調(diào)節(jié)需求。蓄冷空調(diào)技術(shù)可有效解決冷量供給與需求時間上的不匹配問題，是實現(xiàn)電網(wǎng)的“削峰填谷”的重要途徑。9.3.2儲熱技術(shù)在供熱空調(diào)中的應(yīng)用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)組成279.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用太陽能短期蓄熱太陽能短期蓄熱的充放熱周期較短，最短為24小時作為一個循環(huán)周期，蓄熱容積較小，比如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于居民家庭的太陽能熱水器，一般包括集熱器、輸送介質(zhì)與設(shè)備、蓄熱器、采暖末端、控制系統(tǒng)組成。太陽能熱水采暖系統(tǒng)示意圖28

太陽能與蓄熱式電鍋爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)見下圖，系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器系統(tǒng)、電鍋爐、蓄熱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽能產(chǎn)生熱水，并將熱能儲存在蓄熱器中，在陰雨天陽光不足和夜晚時放出熱量；在持續(xù)陰雨天，蓄熱式電鍋爐在谷電時段運(yùn)行產(chǎn)出熱量并儲存，需用熱水時放出熱量，可實現(xiàn)全天提供熱水且節(jié)省運(yùn)行費用。此系統(tǒng)可以單獨使用蓄熱式電鍋爐供熱，也可使用太陽能與電鍋爐聯(lián)合供熱，通過靈活的系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行模式選擇，可以滿足各種場所對熱水的需求。9.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用29太陽能長期儲熱

太陽能長期儲熱，亦稱太陽能跨季節(jié)儲熱，與太陽能短期儲熱相比其蓄熱容積大、充放熱循環(huán)周期比較長（一般為一年）。由于夏天日照豐富，環(huán)境氣溫高，此時太陽能集熱器不僅工作時間長，其熱效率也高，但卻無供暖需求。冬天的情況則正好相反。為此，將夏天得到的太陽能儲存起來，到冬天供暖時再取用，就是太陽能長期儲熱要實現(xiàn)的目的。9.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用跨季節(jié)儲熱技術(shù)根據(jù)太陽能儲熱方式的不同可分為：顯熱儲熱、潛熱儲熱以及化學(xué)儲熱。其中顯熱儲熱原理較為簡單，成本較低，技術(shù)較為成熟，因而得到比較廣泛應(yīng)用。顯熱儲熱根據(jù)儲熱介質(zhì)的類型分為熱水儲熱、礫石-水儲熱、地埋管儲熱和含水層儲熱四種方式309.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用（1）熱水儲熱太陽能長期熱水儲熱的蓄熱裝置可位于地面以上，一般為大型蓄熱水罐。為了減少蓄熱水塔向周圍環(huán)境的長期散熱，對其保溫要求較高要，其投資也相對較高。太陽能長期熱水儲熱更多的是在地面以下挖掘一個容水空間，對側(cè)壁和底部特殊處理后構(gòu)成的儲存容器，常采用漂浮頂蓋，水池池壁一般由混凝土澆筑而成。由于水的比熱容較大且具有良好的儲/放熱特性，因此該儲熱方式具有成本低，施工方便等特點。太陽能跨季節(jié)熱水儲熱系統(tǒng)319.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用（2）地埋管儲熱

埋管式地層土壤儲熱系統(tǒng)是一種重要的跨季節(jié)儲熱方式，其原理是：在地下埋設(shè)許多垂直放置的同心套管或U形管，在太陽能豐富的季節(jié)，將集熱器產(chǎn)生的熱流體通過循環(huán)泵打入這些地埋管換熱器，加熱土壤并儲存熱量；在供熱季節(jié)，冷流體通過地埋管換熱器再將土壤熱量回收，用于給建筑供暖。地埋管儲熱技術(shù)需要可以打孔的地質(zhì)，循環(huán)水溫一般較低，如果熱井出水溫度不滿足供熱需求可結(jié)合熱泵系統(tǒng)組成所謂的土壤源熱泵系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升供熱溫度。太陽能跨季節(jié)地埋管儲能系統(tǒng)329.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用（3）地下含水層儲熱地下含水層指的夾在防滲層中間的含有水、礫石、沙或砂石的多孔巖層，自然狀態(tài)下的含水層的水流動很小，適合用來進(jìn)行跨季節(jié)儲熱。含水層儲熱主要由熱井和冷井構(gòu)成。儲熱時，地下水從冷井抽出，經(jīng)太陽能加熱后，注入熱井，放熱與儲熱相反。太陽能跨季節(jié)地下含水層儲能系統(tǒng)339.3.3儲熱技術(shù)在建筑太陽能利用中的應(yīng)用（4）礫石-水儲熱礫石-水儲熱由人工建成的水池內(nèi)部填充礫石和水混合物構(gòu)成，水池內(nèi)部表面涂防水層，在水池外表面和頂部布置隔熱層。礫石材料常用的有鵝卵石、砂石、磚石等，儲熱和放熱通過向水體內(nèi)部充放熱水的方式實現(xiàn)，這與熱水儲熱系統(tǒng)是類似的。由于巖石-水混合物的