中低温能源在中国

推动中低温能源的规模化应用是中国重构能源供给格局、实现清洁、低碳与可持续发展的有效途径。然而,目前中国中低温能源尚无完善的统计和明确的专项能源规划,其开发利用情况尚不明确;同时,中低温能源品位低、能量密度小,其开发利用仍然面临获取难、转换方式单一等问题,缺乏有效的技术路线指导。该文从中国能源结构中供需匹配角度出发,对地热能、太阳能、工业余热与海洋热能四类典型中低温能源的年可利用量、利用现状与潜力等方面进行分析,并对未来的能源结构及相关前沿技术进行预测与讨论。结果显示,中国地热能、太阳能、工业余热与海洋热能年可利用量(资源量)分别达到1.17×10^(10)、4.90×10^(10)、4.86×10^(6)、2.95×10^(9)TJ,但目前中低温能源利用量仅约占中国能源总利用量的3%(2017年中国能源总利用量为1.36×10^(8)TJ)。预测结果显示,至2050年4类典型中低温能源利用将占中国能源总利用量的8%至21%,显示了中低温能源的重要地位,也凸显了相关研究与利用的广阔前景。

中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23~216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57~6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。

吹扫条件对PEMFC阻抗弛豫现象和低温启动的影响

停机吹扫作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)零下温度启动前的关键流程,能够有效降低冷启动前膜电极(MEA)的含水量,以提高电池启动的成功率。为了研究PEMFC在停机吹扫后出现的阻抗弛豫现象,以及吹扫条件如何直接作用于PEMFC低温启动性能,以25 cm2的单片电池作为对象,进行实验研究。实验条件下的结果表明,随着吹扫气体流量的增加以及吹扫温度的提高,阻抗弛豫表现更加明显;吹扫流量和吹扫时间对PEMFC冷启动性能存在显著影响。在实验条件下,以1500 ml/min的干燥N2吹扫15 min,测试电池在低温中的表现最佳。吹扫流量过大、过小以及吹扫时间过长、过短均不利于PEMFC的低温启动,存在最佳吹扫条件。

越流型单井抽灌系统热储预测研究

地热资源储量丰富、稳定性好,合理开发利用地热能对缓解能源短缺、实现碳达峰和碳中和目标至关重要.目前,地热可持续取热理论的研究体系尚不完善,准确的地热资源评价是地热可持续发展的关键所在.由于地热在大规模、长时间尺度运行时引起渗流屏障,热储静态预测不能满足热储资源准确评价,动态热储预测是至关重要的.地热井口周围流动复杂,由达西流向非达西流转变,流动具有非线性特性.搭建室内渗流砂箱实验系统,分析不同回灌温度、抽灌流量、补给边界下的渗流传热规律,采集热储动态运行井口压差信号,基于多尺度熵方法分析压差信号的动力学特性,提取大量流动信息,揭示了不同热储补给边界下的动力学特性.结果表明,3种补给边界的多尺度熵均小于1并呈现明显分辨规律,从大到小依次为:定流量补给边界>定水头补给边界>封闭边界,定流量补给边界下的流动更剧烈,回灌过程中受到的扰动更复杂,封闭边界下的熵值波动很小.研究得到的热储预测方法缩短了预测时间、降低了预测成本,能够快速准确地识别采灌过程中的补给模式,为越流型单井抽灌系统的参数选择提供理论指导,对热储动态资源评价具有重要意义,从理论层面上对热储预测提供新的思路,促进地热可持续取热理论的推广.

基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆启动特性

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度约160℃,较传统低温电池具有更佳的电化学反应动力学、更简单的水热管理和更高的CO耐受性等优势。但运行温度提高,如何实现HT-PEMFC的快速预热启动成为制约其应用推广的重要挑战之一。当前工作中,针对一个额定功率为500W的HT-PEMFC电堆,尝试利用一种平板热管(FHP)对该电堆进行预热启动。设计搭建了实验装置,从预热时间、温度分布、传热量分布等方面对这一方法进行评估。实验结果表明,提高加热功率可以显著缩短预热时间,500W时预热耗时3000s,1500W时则仅需980s;但同时也造成温度均匀性出现恶化,500W时竖直方向最大温差约28℃,1500W时该温差则达到了80℃。此外,水平方向的温差也随加热功率的提高而增加,且越靠近热源的区域越明显,最高达15.7℃,这无疑会加速质子交换膜的机械失效。实际中,应在不过多影响电池运行寿命的前提下,提高加热功率以缩短启动时间。

耦合膜分离的新型CO2低温捕集系统性能优化

CO2捕集作为温室气体排放控制的有效手段已成为重要研究课题。作为新兴捕集技术之一,低温CO2捕集因产品纯度高、无附加污染等优势受到关注。然而,该技术能耗和捕集率对于气体中CO2浓度十分敏感,对于高CO2浓度气体可获得较高的CO2捕集率和较低能耗水平。基于此,本文提出了耦合膜分离的新型CO2低温捕集系统,通过膜材料选择渗透性实现待捕集气体CO2浓度主动调控,并在最优浓度下进行CO2低温捕集。首先基于不同传统低温捕集系统特点,对比分析了不同耦合系统模式,从而确定了最优耦合系统结构。针对最优耦合系统进行了运行参数优化,并分别基于实现系统捕集能耗最低与捕集率最高的目标,获得了膜渗透侧CO2浓度与进气CO2浓度间的关系式,为该耦合系统中膜组件选型提供指导。研究表明,本文提出的耦合系统捕集能耗为1.92MJ/kgCO2,相比于传统单一低温系统捕集能耗可降低16.5%。

地源热泵与螺旋管式相变蓄热耦合系统的实验研究

针对地源热泵供热节能及不同地区峰谷电价政策,设计并搭建与地源热泵耦合的螺旋管式相变蓄热实验台,并进行实验研究。通过监测蓄热装置工作参数及螺旋圈内、外,螺旋圈之间相变材料的温度场、蓄热过程发生相变的过程等,分析相变材料的蓄热特点和不同工况对蓄热过程的影响。结果表明,螺旋管周边相变材料发生相变的速度最快,且可成导热与自然对流的耦合作用,自然对流对相变过程的影响最大。因此蓄热装置中的螺旋管应尽量放置在下部,可提高相变材料蓄热效率,缩短蓄热的时间,节约能源。

两段式固定床芦竹催化热解实验研究

作为一种产量巨大的生物质原料,芦竹热解制取生物油的研究较少.为了探讨其作为热解原料的可行性以及得到高品质的生物油,以HZSM-5为催化剂在两段式固定床反应系统中进行了芦竹催化热解实验,研究了热解温度、催化温度和催化剂床层高度对热解产物分布以及对气体和液体组分的影响.结果表明:热解温度为500,℃时,液体产率达到最大值49.53%,;在催化剂的作用下,液体产物产率明显下降,液体产物中的酸类、醛类、酯类、酮类等含氧物质的含量有所降低,但轻质酚类和芳香烃等物质的含量明显增加.综合催化温度和催化剂床层高度的分析结果来看,催化温度为500,℃、催化剂床层高度为10,cm时,HZSM-5对油相品质的提高效果较为显著.

储能协调下负荷密集区分布式综合能源系统优化研究

分布式综合能源系统是提高清洁能源使用比例,实现碳减排和碳中和目标的一种配套技术。因此,针对负荷密集区冷热电负荷供需矛盾问题,提出储能协调下的负荷密集区分布式综合能源系统,并构建数学模型。其次,确立考虑系统经济、能耗、环境性能的多目标优化模型,利用层次分析法确定不同优化指标之间的权重关系。建立由住宅、办公、酒店、商场四类建筑组成的负荷密集区建筑模型,分别对四类建筑全年的逐时冷热电负荷进行模拟。最后,对比分析四类建筑分别单独设置供能系统和考虑四类建筑负荷耦合互补设置一套供能系统时的系统容量配置优化以及在相关政策影响下的系统性能。结果表明:无论是否加入储能系统,考虑四类建筑负荷耦合互补设置一套供能系统时的系统性能优于四类建筑分别单独设置供能系统的性能。

高温下含湿土壤表观热导率的实验研究

利用微细探针对高温下两种典型土壤的表观热导率进行测试分析。结果表明,温度对土壤表观热导率的影响十分明显。在该文实验条件下,当土壤饱和度大于25%时,土壤表观热导率开始明显高于常温值,并在40%(细砂)和50%(粉粘)饱和度附近出现峰值。此现象与含湿土壤孔隙中的水蒸气强化扩散作用密切相关。在实验数据基础上,回归水蒸气运移增强因子的计算参数,可为高温土壤热湿迁移过程建模提供一定的指导作用。

广州某办公建筑集中空调系统能耗分析

以广州某办公建筑集中空调系统为典型案例,基于集中空调系统的制冷系数、能效比等指标,从工艺和设备方面,提出办公场所集中空调系统的不同改造方案,对比不同方案的节能潜力,并基于层次分析法给出各个优化方案的权重。结果表明:采用水泵和压缩机变频技术并提高室内设定温度的节能潜力最大;合理确定设计运行参数,可以有效节约空调系统用能。

变温吸附碳捕集系统能效性能实验研究

燃烧后CO2捕集技术(PCC)因易于与既有电厂结合而被认为是一项减少二氧化碳排放的重要技术。化学吸收、吸附和膜分离是PCC的主流技术。在CO2吸附技术类中,变温吸附(TSA)是一种有效的吸附方法。近年来,TSA技术的能源消耗和能源转换效率问题成为人们对其大规模部署的关注焦点。然而,大多数的研究都是将数学模型和仿真方法应用于TSA的性能评估,缺乏足够的实验研究支持。为了对TSA系统的能源转化效率进行实验分析,开发了一套四步法TSA系统,能效性能是基本分离性能外的主要考察指标。实验采用沸石13X-APG作为吸附剂材料,根据实验测得的两组吸附等温线,计算了CO2/N2的吸附选择性系数。通过进气CO2浓度、解吸时间、吸附温度和解吸温度对纯度、回收率、单位能耗和第二定律效率的影响分析,得到了4组实验结果。结果表明,第二定律效率的范围为3.24%~9.23%,回收率和纯度最高分别为83.97%和94.70%。解吸温度和进气CO2浓度的升高,吸附温度的降低有利于分离及能效性能提升。延长解吸时间有利于分离和能效提升,但过长的操作时间反而使得效果变差,这会对工程中的运行策略优化产生积极的指导意义。

基于gCCS的醇胺法碳捕集中试平台动态仿真研究

燃烧后碳捕集电厂的灵活运行能够有效降低碳捕集电厂的能耗和运行成本。掌握碳捕集系统的动态运行特性是碳捕集电厂实现灵活运行的必要条件,但现有针对醇胺法碳捕集系统动态特性的研究尚处于起步阶段,缺乏基于动态试验数据和动态仿真模拟的综合性研究。基于布林迪西(Brindisi)燃煤电站尾部碳捕集系统动态运行试验数据,应用gCCS仿真模拟平台,建立碳捕集能力为50tCO_(2)/day的Brindisi醇胺法脱碳系统动态模型,并基于稳态和动态试验数据对模型进行验证。在此基础上研究了烟气流量阶跃变化、吸收溶液流量阶跃变化、以及再沸器蒸汽流量和吸收溶液流量发生阶跃变化3种动态情景下的脱碳系统关键参数动态响应特征。结果表明,稳态运行条件下吸收塔温度分布平均误差为4.37%~8.75%。动态运行条件下,gCCS模型能够较好的预测关键运行参数变化趋势,gCCS动态仿真模型关键参数动态响应时间与Brindisi脱碳系统溶液循环时间具有较好的一致性。液气比(L/G)是决定吸收塔温度分布以及二氧化碳捕集率和捕集能耗的关键参数,因此保持液气比为定值有利于系统碳捕集率以及碳捕集能耗的稳定。

面向碳中和目标的变温吸附碳捕集效能与技术经济性分析

碳中和目标的提出为我国低碳发展明确了方向,也对碳捕集技术未来的发展提出了新要求。由于吸附法具有能耗低、污染小和改造成本低的特征,成为重要的碳捕集技术之一。针对吸附碳捕集技术,比较了理想气体分离模型和再生分离模型的最小分离功计算方法。根据损失功概念,从再生温度、二氧化碳初始体积分数和二氧化碳回收率的角度,对变温吸附碳捕集技术的实际过程能效和捕集成本进行了分析。结果表明:再生分离模型的最小功大约是理想气体分离模型的1.2倍;变温吸附碳捕集的性能系数在1.6左右,运行成本约为40元/t。最后指出:吸附法作为空气直接碳捕集应用的重要方式,将进一步助力碳捕集与可再生能源的技术耦合;碳中和目标下,吸附碳捕集技术的发展需要政策、技术研发、商业模式的共同推进。

微通道流动沸腾过程中异态相干沸腾的强化传热研究

随着电子器件的集成化和小型化,其散热量超过10 MW/m2将成为现实,这超出了目前大功率系统中使用的单相冷却方案的上限,所以必须再次开发新的冷却方案.克服单相传热局限性的一种方法是转变为两相沸腾传热,而临界热流密度又是所有沸腾传热的上限值.因此,为了提高微通道内流动沸腾传热的临界热流密度,本文设计开发了非均匀导热性传热板.通过将两种不同导热性能的材料(铜和聚四氟乙烯)交替布置在靠近传热表面的传热板内,实现了传热表面的非均匀温度分布和异态相干沸腾模式(核态沸腾与膜态沸腾共存且相互干涉的状态).同时搭建了微通道流动沸腾实验系统,其微通道截面尺寸为1.84 mm×70.00 mm,通道长度为280.0 mm,传热板表面尺寸为10.0 mm×10.0 mm,流体工质为去离子水.在不同入口流速v=0.1 m/s、0.2 m/s、0.4 m/s和不同过冷度ΔTsub=10.0 K、20.0 K、30.0 K条件下,研究了非均匀导热性传热板在微通道流动沸腾中的传热强化效果.结果表明,相对于单纯的核态沸腾状态,异态相干沸腾状态能够有效地提升流动沸腾传热的临界热流密度.此外,改变入口流速和过冷度对临界热流密度有明显影响且趋势相同,减小入口流速和过冷度都会增大临界热流密度的提升比例.在本文的实验条件范围内,在水的流速v=0.1 m/s、过冷度ΔTsub=10.0 K的条件下,实现了最高约43.4%的临界热流密度提升比例.

混合蒸气冷凝过程中均匀温度面上液滴自发移动现象及特性

在某些混合蒸气的冷凝过程中,传热面温度梯度导致冷凝液浓度及表面张力不平衡,从而驱动冷凝液滴产生自发移动现象。此现象产生的前提为传热面具有整体温度分布,即传热面从一侧表面的相对低温状态,随着表面位置变化逐渐过渡到另一侧的相对高温状态,而本论文在水-酒精混合蒸气的冷凝过程中,观测到在均匀温度传热面上也会发生冷凝液滴自发移动现象。通过对具有和不具有初速度的冷凝液滴在均匀传热面上的不同移动特性进行比较分析,确认了具有明显初速度的冷凝液滴在均匀温度领域产生自发移动现象,而无初速度液滴则产生无序运动(非自发移动)。从而验证了在均匀温度传热面,冷凝液滴自发移动的驱动力为液滴移动同时其周围形成的局部温度分布和局部表面张力不平衡的推测。

基于用户舒适度约束的中央空调冷负荷需求响应策略研究

讨论了在需求响应控制下,中央空调系统不同的负荷率(实际运行功率占额定功率的比例)的运行时间。基于用户温度为舒适约束的室温控制模型,对中央空调负荷进行了动态建模。然后讨论了3种不同的控制策略:①提前降低室内设定温度控制策略。②在高峰时段升高室内设定温度的控制策略。③改进后的控制策略。探讨了在电力高峰负荷段,控制策略对用户舒适度和中央空调系统高负荷率运行时间的影响,以中央空调系统在假定的高峰用电时刻高负荷率运行时间最短为目标,得出了最优的控制策略。该运行策略不仅减少了高峰时段的电力消耗,提高了电网的安全性,而且将供应侧与用户侧很好地结合起来,改善其经济性,因此具有广泛的工程应用前景。

智慧供热在分布式燃气供热中的应用与优化提升

我国大部分供热企业的供热运行模式已完成了由人工运行向自动化运行的转变,但由于缺乏对供热信息化和智慧供热节能潜力定量化的全面了解,供热运行仍有待完善。为降低运营成本,减少能源浪费,基于天然气清洁能源供热,以智慧运营平台为核心,以机电及控制系统为基础,搭建了一套分布式供热智慧运行系统。通过打通供热系统全数据链条,运用大数据分析及人工智能算法技术,对石家庄市卓达书香园供热工程进行智慧供热改造。从热源侧负荷响应及管网侧热力平衡优化入手,总体室内平均温度在20.2℃,能耗较前一年降低28%,节能效果显著,可为已建和新建供热系统的改造及运行提供技术支撑。

应用复合相变材料的梯级蓄热熔化实验研究

针对传统太阳能相变蓄热单元在蓄放热后期效率降低的问题,本文设计了采用复合相变材料的梯级蓄热系统,通过开展实验研究,确定了梯级蓄热单元内相变材料在充热过程中的温度变化情况和熔化规律。实验结果表明:熔化过程可分为三个阶段,即初始升温期、相变平稳期、缓慢升温期;增大换热工质入口流量,提高换热工质入口温度可有效加快蓄热速率。换热工质流量从6L/min增大到14L/min,一级蓄热器内材料相变时间缩短15%,二级蓄热器内材料相变时间缩短6%;换热工质温度从90℃升高到110℃,一级蓄热器内材料相变时间缩短了61%,二级蓄热器内材料相变时间缩短了31%。

越流型单井系统含水层渗流传热规律研究

单井抽灌技术具有节约打井成本、盘活老井的经济优势,但由于存在热贯通问题,长期稳定的换热效率难以保证.而天然条件下的含水层多是由透水性较好的含水层和弱透水层组成的越流型结构,其中弱透水层由于具有低渗水性,可以有效地减缓含水层内的热贯通现象,对单井抽灌系统的可持续运行具有重要意义.鉴于弱透水层对越流型单井抽灌系统的取热效率有重要影响,同时越流型含水层的渗流规律尚不明确,因此有必要对其渗流传热规律进行研究.本文搭建了越流型单井抽灌系统室内渗流砂箱实验台,研究了弱透水层的存在对单井抽灌系统的传热特性以及含水层渗透性能的影响.结果表明,在边界补给充足的条件下,单井抽灌系统可以维持长期稳定的取热效率,4组不同抽灌流量工况下的稳定抽水温度分别为55.1℃、51.3℃、48.1℃、46.0℃,换热量分别稳定在0.93 kW、1.11 kW、1.18 kW、1.24 kW;含水层渗透系数随抽灌时间呈指数变化,抽水层渗透系数随抽水时间的增加而增大,而长时间回灌则降低了含水层的渗透性能,4组抽灌期的渗透系数分别减小27.0%、27.5%、28.1%、29.8%;根据实验结果得到了相对稳定时系统抽水温度的实验关联式以及含水层渗透系数的变化关系式.本文得到的研究结果可以为该类系统的后续研究提供一定的基础.