相變儲(chǔ)能技術(shù)在谷電蓄熱供暖中的應(yīng)用研究

張繼皇，孫　利，楊　強(qiáng)，李　文（.江蘇啟能新能源材料有限公司，江蘇張家港　5600；.中國(guó)建筑科學(xué)研究院環(huán)境與能源研究院，北京　0003）

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相變儲(chǔ)能技術(shù)在谷電蓄熱供暖中的應(yīng)用研究

張繼皇1，孫利1，楊強(qiáng)2，李文1
（1.江蘇啟能新能源材料有限公司，江蘇張家港215600；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院環(huán)境與能源研究院，北京100013）

摘要：相變儲(chǔ)能是一種先進(jìn)的儲(chǔ)熱技術(shù)，在谷電時(shí)間采用相變儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行電熱蓄熱，并將電熱蓄熱應(yīng)用于建筑供暖，對(duì)電網(wǎng)的電力調(diào)峰以及用戶供暖運(yùn)行成本都具有很好的價(jià)值。對(duì)相變蓄熱技術(shù)與其它供暖技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)相變蓄熱產(chǎn)品進(jìn)行具體的性能測(cè)試，并對(duì)天津某商業(yè)中心采用谷電蓄熱供暖的應(yīng)用案例進(jìn)行了介紹分析。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱；谷電蓄熱；蓄熱供暖

儲(chǔ)能技術(shù)可解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的有效手段。相變儲(chǔ)能技術(shù)能有效利用相變材料相變時(shí)吸收或者釋放大量潛熱并保持溫度恒定的特性，相變潛熱所蘊(yùn)藏的能量比固體或者液體的顯熱大得多，所以可廣泛用于電力調(diào)峰、工業(yè)熱能回收利用、空調(diào)采暖制冷以及新能源等領(lǐng)域。

目前建筑能耗已經(jīng)占到整個(gè)社會(huì)能源消耗的40%，而制冷和供暖能耗又占到建筑能耗的40%以上，因此如果能對(duì)建筑的供暖進(jìn)行蓄熱調(diào)峰，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的電力需求將會(huì)有重大的意義。同時(shí)在商業(yè)和工業(yè)建筑中，峰谷電價(jià)差明顯，如果能對(duì)供暖進(jìn)行谷電蓄熱，那么也將對(duì)建筑的物業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，形成電網(wǎng)與用戶雙贏的局面。

本文將對(duì)采用相變蓄熱供暖的技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)相變蓄熱產(chǎn)品進(jìn)行具體的性能測(cè)試，同時(shí)對(duì)采用谷電蓄熱供暖的典型應(yīng)用案例進(jìn)行分析。

1相變蓄熱技術(shù)分析

全球?qū)ο嘧儾牧系难芯恳呀?jīng)有幾十年的歷史，目前相變材料基本分為2類，一類是有機(jī)相變材料，另一類是無(wú)機(jī)相變材料。有機(jī)材料最大的優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定性好，但是儲(chǔ)能密度低，導(dǎo)熱性差，成本高；無(wú)機(jī)材料優(yōu)勢(shì)是儲(chǔ)能密度大，導(dǎo)熱性好，成本低，但是循環(huán)穩(wěn)定性差，有些甚至循環(huán)幾次就失效了，因此無(wú)法產(chǎn)品化。江蘇某新能源材料公司在無(wú)機(jī)相變材料的穩(wěn)定性上取得了重大突破，材料循環(huán)5 000次以上都未見(jiàn)衰減，因此可以很好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

1.1相變儲(chǔ)能熱庫(kù)

若將相變材料應(yīng)用到蓄能領(lǐng)域，直接使用材料在工程項(xiàng)目中很難實(shí)現(xiàn)，往往需要某種特定容器裝入相變材料，同時(shí)需要一套換熱系統(tǒng)用于相變材料與傳熱介質(zhì)之間的換熱。另外在容器周圍需要足夠的保溫層。相變蓄熱設(shè)備稱為熱庫(kù)。無(wú)機(jī)相變納米復(fù)合材料，其相變溫度在78℃左右，其額定蓄熱量為650 MJ。

熱庫(kù)外形為一立方體結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為942 mm×942 mm×1 835 mm，自重2.1 t。其內(nèi)部有一特殊鋼制內(nèi)膽，內(nèi)膽內(nèi)部灌裝有相變材料，材料中均勻排布有銅質(zhì)換熱器，內(nèi)膽外部為聚氨酯保溫層，厚度為50 mm。熱庫(kù)外觀圖及其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1熱庫(kù)外觀圖及結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于蓄熱設(shè)備，其蓄熱能力、充放熱的性能表現(xiàn)、充放熱效率以及熱損性能等關(guān)鍵指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響了該設(shè)備能否使用。該熱庫(kù)產(chǎn)品委托中國(guó)建筑科學(xué)研究院下屬國(guó)家空調(diào)質(zhì)量檢驗(yàn)中心對(duì)上述熱性能進(jìn)行了檢測(cè)，分別進(jìn)行了恒定充熱功率及恒定進(jìn)水溫度放熱測(cè)試，恒定進(jìn)水溫度充熱及恒定功率放熱測(cè)試，以及熱損測(cè)試共3項(xiàng)檢測(cè)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下。

表1為恒定充熱功率及恒定進(jìn)水溫度放熱測(cè)試結(jié)果。從數(shù)據(jù)中可以看出，整個(gè)充熱時(shí)間為377 min，不到7 h，平均充熱功率為28.38 kW，充熱量為641.93 MJ；放熱時(shí)用20℃恒溫水放熱，放熱的最大功率258 kW，放熱量為639.49 MJ，與額定儲(chǔ)熱量650 MJ只相差不到2%，充放熱效率高達(dá)99.6%，電能轉(zhuǎn)化率為95%。

表2為恒定進(jìn)水溫度充熱及恒定功率放熱測(cè)試結(jié)果。從數(shù)據(jù)中可以看出，在90℃恒溫進(jìn)水充熱條件下，充熱時(shí)間只需224 min，不到4 h即可充滿。在恒定9.9kW的放熱功率下，放熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)957min（約16h）。

熱損性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，在室溫20℃環(huán)境條件下，熱庫(kù)24 h的熱損為4.85%。

1.2谷電蓄熱供暖系統(tǒng)

圖2所示為典型的谷電蓄熱供暖系統(tǒng)原理圖。其工作原理是在谷電時(shí)段電鍋爐工作加熱循環(huán)水，通過(guò)循環(huán)泵把熱水中的熱量帶入熱庫(kù)，為熱庫(kù)充熱。夜間末端如果需要供熱，直接運(yùn)行二次側(cè)，所需熱量由電鍋爐直接提供。在非谷電時(shí)段，循環(huán)泵工作，帶出熱庫(kù)中的熱量，通過(guò)板換把熱量換到二次側(cè)，為末端供暖。

圖2谷電蓄熱供暖系統(tǒng)原理圖

表1恒定充熱功率及恒定進(jìn)水溫度放熱測(cè)試結(jié)果

表2恒定進(jìn)水溫度充熱及恒定功率放熱測(cè)試結(jié)果

2谷電相變蓄熱供暖與其他供暖技術(shù)的對(duì)比

目前在我國(guó)北方寒冷地區(qū)冬季采暖一般采用以下幾種方式：市政供暖、燃?xì)忮仩t、直接電采暖、地源熱泵、空氣源熱泵等。市政供暖大部分是集中的燃煤熱水鍋爐，或者是由城市周邊的熱電廠提供熱量。市政供暖由于受到供熱管道和熱源供熱能力的限制，近年來(lái)受到城市迅速擴(kuò)張的壓力，市政供熱管網(wǎng)建設(shè)及供熱能力遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際供熱需要。同時(shí)受環(huán)境治理的壓力，部分中小型燃煤鍋爐正在被改成燃?xì)忮仩t，使得使用成本大幅上升。燃?xì)夤┡鼛啄臧l(fā)展迅速，但是與市政供暖一樣，燃?xì)夤┡瘜?duì)城市的基礎(chǔ)設(shè)施依賴度大，燃?xì)夤芫W(wǎng)、氣源等因素發(fā)展的不平衡對(duì)燃?xì)夤┡萍s很大，同時(shí)燃?xì)獾某杀竞芨撸矣泻艽蟮陌踩[患。直接用電采暖有很多種類，如：發(fā)熱電纜、炭晶采暖、電暖器等，其缺點(diǎn)是運(yùn)行成本很高。地源熱泵的優(yōu)勢(shì)是運(yùn)行成本較低，但是其初期投資成本非常高，而且建設(shè)工程量大，并且無(wú)法對(duì)既有建筑進(jìn)行改造，因此這種供暖方式一般使用較少?？諝庠礋岜檬亲罱鼛啄昱d起的方式，但受其機(jī)組功率和使用效果的影響，目前只能適用于北方農(nóng)村等對(duì)采暖要求較低的地區(qū)。

采用谷電相變蓄熱供暖方案，利用谷期電價(jià)較低的優(yōu)勢(shì)，為用戶在運(yùn)行費(fèi)用上節(jié)省開(kāi)支。同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴度低，在商業(yè)和辦公建筑中基本無(wú)需對(duì)電力進(jìn)行增容，整個(gè)系統(tǒng)安全可靠、自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)需維護(hù)。

3谷電相變蓄熱供暖的應(yīng)用

（1）項(xiàng)目概述

天津水游城商業(yè)中心之前采用市政熱水供暖，考慮層高因素按照建筑面積13萬(wàn)m2收費(fèi)，采暖費(fèi)為40元/m2，整個(gè)采暖季總費(fèi)用521萬(wàn)元。目前該項(xiàng)目實(shí)施了電鍋爐+熱庫(kù)采暖系統(tǒng)，在夜間谷電（23：00～次日7：00）時(shí)段，維持空間防凍保溫采暖的同時(shí)對(duì)熱庫(kù)充熱，并在其他時(shí)段利用熱庫(kù)供暖，個(gè)別極端天氣采用平電補(bǔ)充。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)天津水游城2012—2014年2個(gè)采暖季的每天實(shí)際用熱量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該商業(yè)體平均每天白天、夜間的用熱需求量見(jiàn)表3所示。從數(shù)據(jù)中看出2012—2013年的用熱量大于2013—2014年的用熱量，這是由于該年度的冬季氣溫較低導(dǎo)致。查詢了近10年天津當(dāng)?shù)貧鉁丶o(jì)錄顯示，2013—2014年的冬季氣溫處于歷史平均水平，因此該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)選用了2013—2014年的用熱量數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。根據(jù)天津水游城谷電時(shí)間為23：00至次日7：00，因此確定谷電時(shí)間段內(nèi)需存儲(chǔ)的熱量為105 863 MJ。

表3實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) MJ

根據(jù)所需儲(chǔ)存熱量105 863 MJ，可以計(jì)算出所需相變蓄熱熱庫(kù)的臺(tái)數(shù)為163臺(tái)（單臺(tái)儲(chǔ)熱量為650 MJ），考慮5%的余量，因此設(shè)計(jì)數(shù)量為170臺(tái)。

由于谷電蓄熱時(shí)間段內(nèi)該建筑同時(shí)需要少量的夜間防凍供熱，因此計(jì)算得到谷電時(shí)間段內(nèi)所需要的理論供熱量為132 365 MJ。計(jì)算得到所需的電加熱功率為4 936.6 kW，計(jì)算見(jiàn)表4。該計(jì)算中考慮了系統(tǒng)管路熱損5%，電鍋爐的效率為98%。

表4所需電功率計(jì)算表

（3）設(shè)備選型

主要設(shè)備數(shù)量及技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表5所示。

表5主要設(shè)備參數(shù)表

（4）項(xiàng)目施工

該項(xiàng)目在2014年9月下旬正式進(jìn)場(chǎng)施工，至2014年11月初調(diào)試完成。實(shí)際有效的項(xiàng)目施工時(shí)間為1個(gè)月左右。圖3為項(xiàng)目施工完畢后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，（a）為電鍋爐及中控房，（b）為熱庫(kù)整列。

圖3谷電蓄熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)

（5）項(xiàng)目運(yùn)行效果

在2014年11月14日至2015年3月15日的采暖季中，天津水游城谷電熱庫(kù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行122天，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用190萬(wàn)元，在谷電價(jià)格由方案中的0.412 3元/kWh調(diào)整為0.468 3元/kWh的基礎(chǔ)上，較原市政采暖系統(tǒng)節(jié)省331萬(wàn)元，節(jié)省比例高達(dá)64%，單位能耗合14.6元/m2/采暖季，實(shí)際日均每平方米采暖費(fèi)用僅0.12元。

在2014年11月14日至2015年3月15日的采暖季中，天津水游城谷電熱庫(kù)系統(tǒng)總共使用低谷電費(fèi)158萬(wàn)元，占全部費(fèi)用83%，使用平電費(fèi)用25萬(wàn)元，占全部費(fèi)用13%，使用峰電費(fèi)用7萬(wàn)元，占全部費(fèi)用4%。后期控制系統(tǒng)優(yōu)化后不用平電補(bǔ)充熱量，預(yù)期谷電費(fèi)用占比遠(yuǎn)大于90%。

采暖季結(jié)束后，從計(jì)量電能表讀出系統(tǒng)各部分的電量見(jiàn)表6所示。計(jì)算得電鍋爐耗電轉(zhuǎn)化為供暖板換供熱量的效率高達(dá)97.5%。

表6系統(tǒng)各部分電量統(tǒng)計(jì)

使用熱庫(kù)采暖系統(tǒng)后，天津水游城每天平均用于供暖的電量為30 639 kWh，其中谷電27 882.4 kWh，平電2 322.5 kWh，峰電434.1 kWh，可計(jì)算出峰電時(shí)間段的用電功率為54.3 kW。根據(jù)2013—2014年冬季數(shù)據(jù)，如采用電力直供采暖的方式在峰電時(shí)段的用電功率約為1 418.4 kW。因此，使用谷電熱庫(kù)采暖方式后，水游城項(xiàng)目每天可轉(zhuǎn)移1 364.1 kW峰電時(shí)段用電負(fù)荷。若有100個(gè)類似的供暖項(xiàng)目，使用谷電熱庫(kù)供暖系統(tǒng)方式后，在峰電期間可以轉(zhuǎn)移約136.41 MW峰值負(fù)荷，可以相應(yīng)減少等值的電廠裝機(jī)負(fù)荷。

4結(jié)束語(yǔ)

相變儲(chǔ)能是一種先進(jìn)的儲(chǔ)熱技術(shù)，利用相變技術(shù)在谷電時(shí)間進(jìn)行電熱蓄熱用于建筑供暖，對(duì)于電網(wǎng)的電力調(diào)峰以及用戶供暖運(yùn)行成本都具有很好的價(jià)值。本文將相變蓄熱供暖技術(shù)與目前常見(jiàn)的幾種供熱方式進(jìn)行了對(duì)比，無(wú)論從初期投資還是運(yùn)行成本的角度，相變蓄熱技術(shù)都具有優(yōu)勢(shì)。本文具體測(cè)試分析了650 MJ相變蓄熱熱庫(kù)產(chǎn)品的熱性能參數(shù)，充熱時(shí)間不到7 h，充熱量為641.93 MJ，放熱量為639.49 MJ，充放熱效率高達(dá)99.6%，電能轉(zhuǎn)化率為95%，24 h熱損為4.85%。利用相變技術(shù)的谷電蓄熱供暖方案為用戶降低運(yùn)行成本，為燃煤鍋爐替代提供了很好的解決方案，同時(shí)還能為電力調(diào)峰做出貢獻(xiàn)，若有100個(gè)類似天津水游城的供暖項(xiàng)目，使用熱庫(kù)供暖系統(tǒng)后，在峰電期間可以節(jié)約136.4 MW發(fā)電機(jī)組功率，大大降低峰時(shí)用電負(fù)荷。

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Application of phase change energy storage technology in heat storage during the electricity valley

ZHANG Ji?huang1，SUN Li1，YANG Qiang2，LI Wen
（1. Jiangsu Qineng New Energy Materials Co.，Ltd.，Zhangjiagang 215600，China；2. China Academy of Building Research，Beijing 100013，China）

Abstract：The phase change energy storage is an advanced technology for heat storage，which realizes electric heat storage using phase change energy storage technology in the valley electricity time，and is applied to electric heat storage building heating. The technolo?gy has the very good value for heating power load of power grid and the user operation cost. In this paper，the phase change heat storage technology is compared with the other heating technologies. The phase change heat storage products are tested on specific perfor?mance. A commercial center heat storage in Tianjin using valley elec?tricity is introduced and analyzed as the application case.

Key words：phase change heat storage；valley electric heat storage；heat storage heating

中圖分類號(hào)：TK02；F407.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-1831（2016）02-0026-04

DOI：10.3969/j.issn.1009-1831.2016.02.006

收稿日期：2015-01-13