固體電制熱儲熱裝置性能測試與評定

陳 雷， 趙旭章， 閆水海， 金永強， 邢作霞

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870；2.新疆互力佳源環(huán)?？萍加邢薰?，烏魯木齊 830022）

0 引言

固體電制熱儲熱裝置作為儲能的一種方式，通過將低谷電轉(zhuǎn)化為熱能儲存在儲熱材料中，在用電高峰時段提供熱能供用戶使用。為了最大程度發(fā)揮固體電制熱儲熱裝置的優(yōu)勢，進(jìn)行儲熱裝置的性能測試與評定是必不可少的一個環(huán)節(jié)［1-3］。

目前國內(nèi)外針對固體電制熱儲熱裝置性能測試與評定的相關(guān)方法較少。2016年美國提出過相變儲熱裝置和顯熱儲熱裝置的熱工性能試驗方法［4］。德國對裝置的電氣安全提出了測試方法。國內(nèi)的測試主要集中在供暖效果實際應(yīng)用的測試和水蓄熱裝置的性能指標(biāo)測試［5-6］。目前儲熱裝置產(chǎn)品有固蓄和水蓄等多種形式，但測試人員對儲熱裝置性能指標(biāo)評定缺乏統(tǒng)一的步驟方法，不同方法所測的結(jié)果差異較大，難以真實反映產(chǎn)品的運行效果［7-8］。

以實際應(yīng)用平臺和設(shè)備運行數(shù)據(jù)為依托，本文通過設(shè)計測試平臺和測試指標(biāo)，應(yīng)用提出的測試方法驗證了實際產(chǎn)品的適配性，提出了部分性能參數(shù)的測試內(nèi)容和方法，在已有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上補充了測試步驟和方法［9］。

1 測試平臺構(gòu)成及設(shè)計

1.1 測試平臺構(gòu)成

整個儲熱測試平臺包括儲熱部分、熱轉(zhuǎn)換供暖輸出設(shè)備、外部控制部分和測量附屬設(shè)備。外部控制部分有人機交互界面、外部PLC控制設(shè)備和低壓開關(guān)柜，儲熱部分包括儲熱磚和加熱絲，熱轉(zhuǎn)換供暖輸出設(shè)備有氣水換熱器和變頻風(fēng)機。其中測量附屬設(shè)備包括：溫度檢測系統(tǒng)、循環(huán)補水系統(tǒng)、熱量計量系統(tǒng)及運程監(jiān)控系統(tǒng)。圖1所示為測試平臺示意圖［10-12］。

圖1 儲熱裝置測試平臺示意圖

1.2 測試系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)

本裝置GDRX-3480-07/17現(xiàn)安裝在遼寧省某辦公大樓，設(shè)計參數(shù)如下：儲熱體體積175 m3，額定電壓380 V，額定電流1.322 kA，額定儲熱量6.09 MW·h，儲熱體功率800 kW，儲熱時間8 h，釋熱時間16 h，儲熱體最高溫度850℃，儲熱體最低溫度270℃，額定出水溫度50℃，額定回水溫度40℃，換熱器額定功率1.60 MW，儲熱介質(zhì)鎂磚，換熱介質(zhì)空氣。

1.3 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容及工具

測試內(nèi)容包括儲熱階段、靜置階段和釋熱階段3個階段的性能指標(biāo)測試。其中儲熱階段測試內(nèi)容主要有：儲熱體加熱絲電壓、供電電流、儲熱體溫度以及裝置外殼環(huán)境溫度等。測量儲熱裝置溫度需要多個測點檢測裝置的均溫性。靜置階段需要測試的內(nèi)容有：儲熱體表面溫度和外殼環(huán)境溫度。釋熱階段需要測試的內(nèi)容有：儲熱裝置的進(jìn)水溫度、出水溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度和儲熱體溫度。

裝置的三相供電電壓、電流和有功功率利用型號ZR2080W3的多功能表測量，測量點主要是高、低壓開關(guān)柜中的斷路器；進(jìn)、出水溫及水流量利用型號TDS-100Y的一體式超聲波熱量表測量［13］，鉑電阻型號為Pt100，測量周期10 s，每個測量周期采樣次數(shù)64次。為了使得到的數(shù)據(jù)更精確，傳感器放置在流場分布均勻的地方，且充分遠(yuǎn)離閥門和泵等干擾源［14］；儲熱體溫度利用型號WRN-310的K型熱電偶放置于儲熱體內(nèi)，為了判斷儲熱裝置的均溫性，如圖2所示在儲熱裝置內(nèi)部設(shè)置10個測溫點，且測溫?zé)犭娕荚趦嶂黧w中分布盡可能均勻；進(jìn)、出風(fēng)溫度由Pt100鉑電阻放置于風(fēng)道口處進(jìn)行測量。

圖2 各測溫點分布示意圖

2 測試方法

2.1 儲熱裝置儲熱階段性能測試

儲熱時，儲熱裝置通電后，經(jīng)電阻絲加熱儲熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化為熱能保存起來，通過循環(huán)風(fēng)機吹出的冷風(fēng)將熱量帶到換熱器用于加熱供暖出水。測試步驟如下：

第1步測試開始前，進(jìn)行儲熱裝置試運行，運行時間一般為24 h或24 h的整數(shù)倍，確保儲熱裝置和測試設(shè)備處在平衡運行狀態(tài)。

第2步 在試運行測試周期完成后，加熱儲熱裝置，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時停止加熱。在測試過程中上位機每隔10 min記錄一次儲熱體溫度和消耗的電能，觀察儲熱裝置在一個測試周期各項指標(biāo)的變化，同時持續(xù)記錄環(huán)境溫度。

第3步 繪制儲熱曲線圖。計算儲熱單元儲熱量、儲熱速率、儲熱裝置效率。

儲熱單元儲熱量

式中：Q1為儲熱裝置儲熱量，kW·h；c為比熱容，J/（kg·℃）；ρ為儲熱體密度，g/cm3；V為儲熱體體積，m3；T1為儲熱裝置加熱開始時儲熱體溫度，℃；T2為裝置穩(wěn)定在設(shè)定溫度時儲熱體溫度為，℃。

儲熱速率

式中：v1為儲熱速率，J/s；Δt1為儲熱裝置蓄熱時間，s。

儲熱裝置效率

式中：η為儲熱裝置效率，%；P1為儲熱裝置儲熱階段消耗電能，kW·h。

2.2 儲熱裝置靜置階段性能測試

儲熱裝置儲熱過程完成后，在峰谷電價相隔時間段使儲熱裝置處于靜置狀態(tài)，用熱成像儀測量儲熱單元表面溫度分布，通過上位機記錄儲熱裝置溫度變化，同時測量儲熱裝置外殼處的環(huán)境溫度，評估其保溫特性［15］。測試步驟如下：

第1步測試應(yīng)在儲熱裝置儲熱階段結(jié)束后開始進(jìn)行；

第2步在釋熱階段開始前記錄靜置階段時間，記錄儲熱裝置溫度和環(huán)境溫度的變化，測試過程結(jié)束后，計算儲熱裝置最大靜置熱損失率和平均儲熱電功率。具體計算如下：

最大靜置熱損失率

式中：e為最大靜置熱損失率，%；Em為最大靜置漏熱測試的總耗電量，kW·h；τs為最大靜置漏熱測試的時長，s；Pave為儲熱裝置的平均儲熱電功率，kW，

式中：E1為通電儲熱過程的總耗電量，kW·h；τ1為通電儲熱過程的時長，s。

2.3 儲熱裝置釋熱階段性能測試

第1步 開啟變頻風(fēng)機進(jìn)行熱量傳遞，根據(jù)供暖要求調(diào)整變頻風(fēng)機風(fēng)速，使試驗機組中的熱量持續(xù)輸出，經(jīng)過換熱器提供供用戶使用。從儲熱裝置加熱供暖回水開始記錄，直到儲熱裝置完成加熱后試驗結(jié)束。釋熱過程中通過上位機每隔10 min記錄一次進(jìn)水溫度、出水溫度、儲熱體溫度和水流量，觀察在一個供暖周期內(nèi)裝置各指標(biāo)的變化是否滿足供暖需求［16］。

第2步 繪制釋熱曲線圖。計算儲熱裝置釋熱量、釋熱速率、釋儲熱量比和系統(tǒng)效率。具體計算如下：

儲熱裝置釋熱量

式中：Q2為儲熱裝置釋熱量，kW·h；T3為釋熱開始時儲熱體溫度為，℃；T4為釋熱結(jié)束時儲熱體溫度，℃。

釋儲熱量比

式中，K為釋儲熱量比，%。

釋熱速率

式中：v2為釋熱速率，J/s；Δt2為釋熱時間，s。

系統(tǒng)效率

式中：ηgl為系統(tǒng)效率，%；P2為儲熱裝置消耗電能的總和，kW·h。

3 實驗驗證

實例來源遼寧省某辦公大樓，年供暖時間為180 d，每天供暖時間主要集中在6：00～22：00。對儲熱裝置溫度、供暖出水溫度、變頻風(fēng)機頻率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取一個儲熱周期（24 h）的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析。儲熱裝置測試實物平臺如圖3所示。為了確定固體電制熱儲熱裝置性能的優(yōu)劣，實驗需要進(jìn)行裝置溫度、進(jìn)出風(fēng)溫度、出回水溫度、風(fēng)機頻率、儲熱速率、釋熱速率和均溫性等各種指標(biāo)的驗證。

圖3 儲熱裝置性能測試實物平臺

（1）儲熱裝置溫度功率數(shù)值分析。儲熱裝置的儲熱時間為8 h左右，儲熱裝置的溫度從約300℃上升到850℃左右，如圖4所示。儲熱裝置溫度在有限時間內(nèi)增加明顯，說明該裝置加熱絲和儲熱磚設(shè)計合理具有良好的適配性，保證了儲熱裝置溫度達(dá)到設(shè)計要求；儲熱裝置放熱時間為16 h左右，儲熱裝置溫度從850℃左右變化到300℃左右，儲熱體溫度呈線性降低，釋熱效果明顯，供暖熱水時間滿足日供熱需求，說明裝置外部換熱器和變頻風(fēng)機選型合理，設(shè)備參數(shù)要求滿足供暖需求，保證儲熱裝置能夠在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)有足夠的熱量來滿足辦公樓需求。

圖4 儲熱體溫度和功率變化曲線

（2）進(jìn)出風(fēng)溫度與風(fēng)機頻率數(shù)值分析。驗證結(jié)果如圖5所示，從晚上22：00到次日6：00出風(fēng)道溫度處于上升階段，出風(fēng)溫度最高為500℃左右，此時辦公樓需要熱負(fù)荷較小，風(fēng)機頻率較低，出、回風(fēng)溫差大但風(fēng)量較小；從6：00～22：00辦公樓對熱量需求較大，由于出風(fēng)道溫度隨儲熱體溫度逐漸下降，出、回風(fēng)溫差也逐漸降低，通過提高風(fēng)機頻率使換熱風(fēng)量增大，保證出風(fēng)溫度能持續(xù)加熱供暖出水用于辦公樓供暖。

圖5 進(jìn)出風(fēng)溫度和頻率變化曲線

（3）出回水溫度和溫差數(shù)值分析。在圖6中，供暖出水溫度維持在45℃左右，儲熱裝置出水溫度和回水溫度在1個周期內(nèi)變化幅度較小，溫度變化趨勢一致且在合理范圍內(nèi)；同時，儲熱裝置出、回水溫差在2℃以內(nèi)且保持恒定，換熱性能滿足辦公樓需求，表明換熱器和循環(huán)風(fēng)機可以在不同時間段滿足出回水溫度要求。

圖6 出回水溫度和溫差變化曲線

（4）出水溫度，儲熱裝置溫度和風(fēng)機頻率數(shù)值分析。當(dāng)儲熱裝置在夜間加熱時，儲熱裝置溫度逐漸升高，變頻風(fēng)機頻率較低，供暖出水溫度保持在50℃左右，符合測試設(shè)定范圍。在純放熱情況下，儲熱裝置溫度逐漸下降，變頻風(fēng)機的頻率上升到45 Hz左右進(jìn)行熱量傳遞，供暖出水溫度一直保持在50℃左右，達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度范圍，驗證結(jié)果如圖7所示，由圖可知，通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機頻率保持出水溫度穩(wěn)定滿足供暖需求。

圖7 出水溫度、儲熱裝置溫度和風(fēng)機頻率變化曲線

（5）1個周期內(nèi)儲熱裝置熱量和速率數(shù)值分析。如圖8所示，在圖8（a）中，儲熱裝置儲熱量峰值在凌晨6：00可到達(dá)5694 kW·h，該儲熱裝置額定儲熱量理論值為6090 kW·h，儲熱時間7 h以上，儲熱速率變化不大，變化情況符合理論要求，說明儲熱裝置儲熱效果較好；由圖8（b）可知，釋熱量約為5044.3 kW·h，純釋熱時間17 h，釋儲熱量比為82.8%，剩余熱量較少，釋熱速率變化波動不大，釋熱效果好，供暖滿足辦公樓日常的要。

圖8 1個周期內(nèi)儲熱裝置熱量和速率變化曲線

（6）儲熱裝置多個測點溫度數(shù)值分析。通過選取5個測溫點的數(shù)據(jù)繪圖進(jìn)行裝置均溫性驗證，結(jié)果如圖9所示。一個時間周期（24 h）內(nèi)儲熱裝置各測溫點溫度變化趨勢皆一致，各測溫點之間溫差皆小于20℃，且隨著裝置的運行各測溫點之間溫差逐漸變小，且變化幅度趨于平穩(wěn)，通過多個測點數(shù)據(jù)表明固體電制熱儲熱裝置均溫性較好。

圖9 1個周期內(nèi)儲熱裝置溫度變化曲線

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)測試方法對儲熱裝置的各項關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行測試和計算，結(jié)果如表1所示。通過表1的測試內(nèi)容可以看出儲熱裝置部分性能測試結(jié)果與裝置的設(shè)計參數(shù)存在一定的誤差，但在儲熱裝置的實際使用方面不會產(chǎn)生較大影響，其中系統(tǒng)效率達(dá)到了93.6%，與燃煤鍋爐供暖相比起到了節(jié)能減排的作用。

表1 儲熱裝置性能測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計的儲熱裝置測試平臺和評定指標(biāo)，通過制定儲熱裝置在不同運行階段的測試步驟及關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)實物平臺實驗、驗證和測試結(jié)果表明：儲熱裝置在不同階段下的溫度、熱損失率和系統(tǒng)效率滿足用戶的實際使用要求；提出的儲熱裝置測試和評定方法有效且合理。該測試方法操作簡單，具有強的實用性，可滿足不同材料的儲熱設(shè)備進(jìn)行性能測試。固體電制熱儲熱裝置作為一個新型清潔供暖產(chǎn)品，隨著蓄熱產(chǎn)品的不斷更新，儲熱型電加熱裝置測試和評定標(biāo)準(zhǔn)的建立還需要進(jìn)一步完善。