固體蓄熱技術(shù)及應(yīng)用

朱衛(wèi)東，任志遠，向成兵，鐘衛(wèi)華，徐卿濤

（煙臺東方能源科技有限公司，山東 煙臺 264003）

近年來，我國“煤改電”行業(yè)大力發(fā)展，許多新型電力采暖設(shè)備應(yīng)運而生，谷電蓄熱采暖成為其中的主流形式。而固體電蓄熱技術(shù)更是谷電蓄熱形式的佼佼者，普遍應(yīng)用于區(qū)域采暖改造、電廠深度調(diào)峰和工業(yè)生產(chǎn)用熱等領(lǐng)域。

1 固體電蓄熱原理

1.1 固體電蓄熱原理

固體蓄熱是一種利用低價電時間段將電能轉(zhuǎn)化為熱能存儲于固體蓄熱材料中，在需要提供熱量時通過必要的取熱手段進行熱量釋放的蓄熱方式。其工藝流程為：加熱→固體蓄熱存儲→取熱→熱交換→供熱末端。固體蓄熱利用了物質(zhì)固體形態(tài)的熔點高、密度大、導(dǎo)熱快的特點。

圖1 常見的固體電蓄熱結(jié)構(gòu)

1.2 固體電蓄熱的特點

1.2.1 優(yōu)點

固體電蓄熱的優(yōu)點有：蓄熱溫度高、占用空間小、蓄放熱效率快、控制工藝簡單安全、蓄熱性能穩(wěn)定、無腐蝕無污染、設(shè)備運行安全系數(shù)高、可應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單以及維護可操作性強等。

1.2.2 缺點

固體電蓄熱的缺點有：蓄熱體笨重、取熱代價高、高低溫放熱穩(wěn)定性差、加熱絲（或帶、或管）選型難度大以及換熱器磨損嚴(yán)重等。

2 蓄熱體物理結(jié)構(gòu)

2.1 蓄熱體形式

按照取熱方式，蓄熱體分為內(nèi)置式與外置式。

圖2 蓄熱體形式

2.2 固體電蓄熱的結(jié)構(gòu)組成

蓄熱磚以95#鎂、92#鎂、鎂鐵磚、鎂碳磚、紅磚、高鋁磚和石墨等為主。

配電柜包含高低壓配電柜、智能電控柜，部分特殊應(yīng)用現(xiàn)場也會包含高壓電源變壓器柜、高壓開關(guān)柜等。風(fēng)道提供循環(huán)風(fēng)回路，包括進出風(fēng)室、換熱器室、換熱器回風(fēng)室和風(fēng)機風(fēng)筒等。

電熱絲以鐵鉻鋁、鎳鉻合金為主。保溫層包含內(nèi)膽、防火層、保溫層、密封層及外殼。風(fēng)機采用高溫離心風(fēng)機，常見的有皮帶傳動式離心風(fēng)機和直聯(lián)離心風(fēng)機兩種。換熱器包括空氣-熱水、空氣-空氣、空氣-蒸汽、空氣-導(dǎo)熱油等類型；根據(jù)結(jié)構(gòu)，換熱器又分為管殼式、高效翅片管式和高頻焊螺旋翅片式等。

2.3 固體電蓄熱結(jié)構(gòu)性能的決定因素

蓄熱池的質(zhì)量與蓄熱設(shè)備的總蓄熱量成正比；高溫風(fēng)機的風(fēng)量與蓄熱設(shè)備的最低有效蓄熱溫差成反比，與放熱速度成正比，與循環(huán)風(fēng)阻成反比；換熱器的大小決定了最大放熱能力；加熱絲（或帶、或管）的電阻值決定了蓄熱設(shè)備的最大加熱能力；保溫層的厚度與保溫效率成正比，與熱損失成反比；高溫風(fēng)機、換熱器、加熱絲均為易損件。

3 蓄熱體的熱學(xué)計算

蓄熱能力，是指單位質(zhì)量（或體積）下，介質(zhì)的熱存儲能力。介質(zhì)蓄熱能力的計算方法為：

式中，Q為介質(zhì)吸收（或放出）的熱量，J；m為介質(zhì)的質(zhì)量，kg；C為介質(zhì)的比熱，J/（kg·℃）；Δt為介質(zhì)的變化溫度，℃。

表1 幾種常見物質(zhì)蓄熱能力的對比

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算可知，單位容積內(nèi)，MgO的儲熱能力大約是水的4.9倍，是導(dǎo)熱油的5.5倍。與水和導(dǎo)熱油相比，95#MgO磚的工程經(jīng)驗儲熱能力較強。

4 工程應(yīng)用組成形態(tài)

固體蓄熱設(shè)備是一種熱源設(shè)備，可用以直接替代傳統(tǒng)的燃煤、燃油、燃氣等熱源形式，其配套附屬系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱源一樣，所以需要對熱源本體進行替代，方便工程安裝應(yīng)用[1]。常見固體蓄熱設(shè)備用于供熱的組成形態(tài)如圖3所示。

5 常見應(yīng)用結(jié)構(gòu)

基于電加熱式固體蓄熱設(shè)備的運行需求和經(jīng)驗，東方電子在此基礎(chǔ)上研發(fā)推出了以下幾種綜合利用系統(tǒng)：新型樓宇冷熱源系統(tǒng)、蓄熱式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)、蓄熱式導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)、蓄熱式蒸汽鍋爐系統(tǒng)和風(fēng)光互補式電蓄熱系統(tǒng)[2]。

5.1 新型樓宇冷熱源系統(tǒng)

新型樓宇冷熱源系統(tǒng)，利用電加熱蓄熱設(shè)備與水蓄冷或冷水機組組合成一整套空調(diào)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的中央空調(diào)，充分利用低谷電，解決現(xiàn)代城市空調(diào)耗電量高、運營費用高等問題。利用新型樓宇冷熱源系統(tǒng)，設(shè)備投資少，運行費用低，無污染。

新型樓宇冷熱源系統(tǒng)作為一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，在不增加用戶初期投資的基礎(chǔ)上，可滿足用戶冬季供熱和夏季制冷的需求，設(shè)備主要使用夜間低谷電時段用電，整個空調(diào)系統(tǒng)的運營費用較常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)可降低65%。

新型樓宇冷熱源系統(tǒng)的應(yīng)用場合有：可為酒店、賓館、會所和度假村等提供中央空調(diào)冷熱源配套及生活熱水；可為辦公樓、寫字樓等提供中央空調(diào)冷熱源配套；可為醫(yī)院、學(xué)校等公共建筑或公建單位提供中央空調(diào)冷熱源配套；可為劇場、體育館和游泳館等類似場合提供中央空調(diào)冷熱源配套及生活熱水

圖3 常見固體蓄熱設(shè)備用于供熱組成形態(tài)

5.2 蓄熱式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)

蓄熱式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)在低谷電期間將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲，在電價價高的用電時段將熱能以熱風(fēng)的形式送入烤箱（烘干室）內(nèi)，實現(xiàn)烤箱（烘干室）快速升溫，提高烘烤效率，降低企業(yè)運營成本[3]。

5.3 蓄熱式導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)

蓄熱式導(dǎo)熱油鍋爐利用夜間低谷電存儲熱量，最高儲存800℃的爐溫，然后24 h（夜間可以邊蓄熱邊放熱）提供恒溫導(dǎo)熱油，溫度控制精度±1℃，最高油溫可達250℃，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，具有環(huán)保節(jié)能、無污染的優(yōu)點。

5.4 蓄熱式蒸汽鍋爐系統(tǒng)

蓄熱式蒸汽鍋爐系統(tǒng)在低谷電期間將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲，最高儲存800℃的爐溫，高溫?zé)犸L(fēng)吹入蒸汽發(fā)生器內(nèi)，可產(chǎn)生100～200℃的飽和蒸汽。

5.5 風(fēng)光互補電蓄熱系統(tǒng)

可將風(fēng)能和太陽能發(fā)的電直接轉(zhuǎn)化成熱能并儲存在蓄熱體中，為用戶提供持續(xù)、穩(wěn)定的熱源，提高風(fēng)能和太陽能的利用率，提高風(fēng)電、光伏系統(tǒng)發(fā)電小時數(shù)。風(fēng)光互補蓄熱系統(tǒng)不僅能滿足正常取暖、熱水的需求，還能降低運營成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏，對推動風(fēng)能和太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有積極作用。

6 結(jié)論

近幾年，霧霾天氣在我國時常出現(xiàn)，已經(jīng)成為人們生活關(guān)注的焦點，頻繁的霧霾天氣嚴(yán)重危害人類身體健康和社會經(jīng)濟發(fā)展。為此，各城市相繼出臺環(huán)境治理、燃煤污染的解決方案和獎懲政策。未來將逐步淘汰污染大、環(huán)保不達標(biāo)、能耗指標(biāo)高的燃煤鍋爐和燃煤工業(yè)爐窯，根據(jù)政策導(dǎo)向和市場經(jīng)濟導(dǎo)向，提倡以新能源替換，其中低谷電蓄熱供熱技術(shù)是主要的能源替代技術(shù)之一。當(dāng)前有必要大力推廣應(yīng)用固體蓄熱技術(shù)，對于能源使用者來說，能源消耗總量不減反增，能源費用成倍減少；對于能源供給者來說，其可以實現(xiàn)電能的“移動填谷”，提高利用率，實現(xiàn)節(jié)約能源。這樣最終有利于能源使用者和能源供給者實現(xiàn)雙贏。