热化学技术为室内供暖带来希望

Josiah02

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员发现，储存在热化学材料中的能量可以有效地加热室内空间，特别是在潮湿地区。
科学家们与行业代表和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员合作，确定了将热化学材料 (TCM) 集成到建筑物HVAC 系统中的现实配置。
盐水合物 TCM 被认为是为建筑物供暖系统提供负载灵活性的有希望的候选材料。这种灵活性可以减少供暖系统的电力需求，或将负载转移到电力更便宜和/或更清洁的时段。
TCM 分别通过水合反应和脱水反应进行放电和充电。盐的水合反应会释放热量，用于加热建筑物，而一天中其他时间需要热泵产生的额外热量来脱水或充电 TCM。这意味着反应堆需要与水蒸气相互作用。
这种水蒸气可以直接来自周围空气，在这种情况下，TCM 是一个开放系统。或者，TCM 可以位于一个隔离室中，抽空空气，这被称为封闭系统。在这种情况下，水蒸气来自第二个室中蒸发的液态水。
开放式系统比较简单，但在冬季却存在挑战。水蒸气通常很少，使用室内空气来驱动水合反应会将建筑物的湿度降低到令人不舒适的水平，而寒冷的室外空气中水分有限。
“我们将反应堆集成到建筑物中，这样就无需将房屋弄干，”NREL 先进建筑设备研究组高级研究工程师、新论文的共同作者 Jason Woods 说道。“考虑水分的来源非常重要，因为其集成方式会对性能产生重大影响。”
这篇题为《建筑空间供暖的开式循环热化学储能：实用系统配置和有效能量密度》的论文发表在《应用能源》杂志 12 月刊上。Woods 的合作者是 NREL 的 Yi Zeng 和 Adewale Odukomaiya。其他合著者来自 Lawrence Berkeley 和芝加哥公司 NETenergy LLC。
这项研究由美国能源部建筑技术办公室资助，源于该办公室 2019 年确定的有关热能储存的资助重点。建筑物需要大量能源来供暖和制冷，因此热能储存提供了转移和调整电力负荷的机会。这通过将电动热泵的运行与低碳能源可用的时间相结合来支持脱碳。
研究人员检查了由氯化锶驱动的 TCM 反应堆的热性能，该反应堆与空气中的水蒸气发生反应时会释放热量。他们考虑了一系列气候和建筑类型，检查了几种配置，并特别关注了水蒸气的来源。这项研究使用了计算机建模，然后通过实验数据进行了验证。
效果最佳的配置允许 TCM 反应器加热离开建筑物的空气，该空气的温度和湿度与室内空气相同。加热后，空气会通过热交换器间接加热进入的通风。这可以防止反应器对室内空气进行除湿，并提供足够的湿度水平。
除了抵消加热必要通风空气所需的能量之外，还可以将空气加热到室内温度以上，从而减少炉子或热泵维持室内温度所需的能量。
然而，这种配置只适用于排气口位于通风口附近的建筑。伍兹说，反应堆的目的不是取代热泵或热炉，而是储存能量以备日后使用。
在对 TCM 反应堆进行建模时，研究人员假设室内温度为 21°C (69.8°F)。相对湿度是影响反应堆性能的关键因素。他们计算了反应堆在四种气候条件下的运行情况：亚特兰大、纽约、明尼阿波利斯和西雅图。在这些城市中，由于冬季天气较冷、较干燥，反应堆在明尼阿波利斯的表现最差。
伍兹说：“冷空气中水分很少，因此室内湿度较低，更难激发中药反应。”
研究人员计算得出，由于湿度较高，西雅图的 TCM 反应堆的热性能会更高。
除了考虑单户住宅外，该研究还考察了该技术在小型酒店大堂、中型办公楼和医院病房中的应用效果。TCM 系统的边际资本成本随着建筑规模的增加而降低，预计平准化储能成本 (LCOS) 低于每千瓦时 10 美分。
展望未来，研究人员将继续推进这项技术。低LCOS表明该技术具有可行的商业化途径，但需要做更多工作来量化反应堆制造、集成、包装和安装成本。要使其成为一项具有成本效益的技术，需要解决所有这些成本问题。
研究人员还在探索将 TCM 集成到 HVAC 系统的其他方案，包括上文提到的闭式循环系统。这些系统不受环境湿度的限制，但也面临着一系列挑战，他们希望通过进一步研究来解决这些挑战。