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相變蓄熱技術分析
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，一類是有機相變材料，另一類是無機相變材料。
有機材料最大的優(yōu)勢是穩(wěn)定性好，但是儲能密度低，導熱性差，成本高;無機材料優(yōu)勢是儲能密度大，導熱性好，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，因此無法產(chǎn)品化。江蘇某新能源材料公司在無機相變材料的穩(wěn)定性上取得了重大突破，材料循環(huán)5000次以上都未見衰減，因此可以很好地實現(xiàn)產(chǎn)品化。
1.1 相變儲能熱庫
若將相變材料應用到蓄能領域，直接使用材料在工程項目中很難實現(xiàn)，往往需要某種特定容器裝入相變材料，同時需要一套換熱系統(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。相變蓄熱設備稱為熱庫。無機相變納米復合材料，其相變溫度在78°C左右，其額定蓄熱量為650MJ。
熱庫外形為一立方體結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為942mm×942mm×1835mm，自重2.1t。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50mm。熱庫外觀圖及其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1：熱庫外觀圖及結(jié)構(gòu)原理
對于蓄熱設備，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鍵指標的優(yōu)劣直接影響了該設備能否使用。該熱庫產(chǎn)品委托中國建筑科學研究院下屬國家空調(diào)質(zhì)量檢驗中心對上述熱性能進行了檢測，分別進行了恒定充熱功率及恒定進水溫度放熱測試，恒定進水溫度充熱及恒定功率放熱測試，以及熱損測試共3項檢測，其實驗結(jié)果分析如下。
表1為恒定充熱功率及恒定進水溫度放熱測試結(jié)果。從數(shù)據(jù)中可以看出，整個充熱時間為377min，不到7h，平均充熱功率為28.38kW，充熱量為641.93MJ;放熱時用20°C恒溫水放熱，放熱的最大功率258kW，放熱量為639.49MJ，與額定儲熱量650MJ只相差不到2%，充放熱效率高達99.6%，電能轉(zhuǎn)化率為95%。
表1：恒定充熱功率及恒定進水溫度放熱測試結(jié)果
表2為恒定進水溫度充熱及恒定功率放熱測試結(jié)果。從數(shù)據(jù)中可以看出，在90°C恒溫進水充熱條件下，充熱時間只需224min，不到4h即可充滿。在恒定9.9kW的放熱功率下，放熱時間長達957min(約16h)。
表2：恒定進水溫度充熱及恒定功率放熱測試結(jié)果
熱損性能測試實驗中，在室溫20°C環(huán)境條件下，熱庫24h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段電鍋爐工作加熱循環(huán)水，通過循環(huán)泵把熱水中的熱量帶入熱庫，為熱庫充熱。夜間末端如果需要供熱，直接運行二次側(cè)，所需熱量由電鍋爐直接提供。在非谷電時段，循環(huán)泵工作，帶出熱庫中的熱量，通過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
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谷電相變蓄熱供暖與其他供暖技術的對比
目前在我國北方寒冷地區(qū)冬季采暖一般采用以下幾種方式:市政供暖、燃氣鍋爐、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，近年來受到城市迅速擴張的壓力，市政供熱管網(wǎng)建設及供熱能力遠不能滿足實際供熱需要。
同時受環(huán)境治理的壓力，部分中小型燃煤鍋爐正在被改成燃氣鍋爐，使得使用成本大幅上升。燃氣供暖近幾年發(fā)展迅速，但是與市政供暖一樣，燃氣供暖對城市的基礎設施依賴度大，燃氣管網(wǎng)、氣源等因素發(fā)展的不平衡對燃氣供暖制約很大，同時燃氣的成本很高，而且有很大的安全隱患。
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，其缺點是運行成本很高，地源熱泵的優(yōu)勢是勢是運行成本較低，但是其初期投資成本非常高，而且建設工程量大，并且無法對既有建筑進行改造，因此這種供暖方式一般使用較少。空氣源熱泵是最近幾年興起的方式，但受其機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，利用谷期電價較低的優(yōu)勢，為用戶在運行費用上節(jié)省開支。同時該系統(tǒng)對基礎設施的依賴度低，在商業(yè)和辦公建筑中基本無需對電力進行增容，整個系統(tǒng)安全可靠、自動運行、無需維護。
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谷電相變蓄熱供暖的應用
(1)項目概述
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m2收費，采暖費為40元/m2，整個采暖季總費用521萬元。目前該項目實施了電鍋爐+熱庫采暖系統(tǒng)，在夜間谷電(23:00~次日7:00)時段，維持空間防凍保溫采暖的同時對熱庫充熱，并在其他時段利用熱庫供暖，個別極端天氣采用平電補充。
(2)系統(tǒng)設計
根據(jù)天津水游城2012—2014年2個采暖季的每天實際用熱量記錄數(shù)據(jù)進行分析，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致。查詢了近10年天津當?shù)貧鉁丶o錄顯示，2013—2014年的冬季氣溫處于歷史平均水平，因此該項目的設計選用了2013—2014年的用熱量數(shù)據(jù)進行參考。根據(jù)天津水游城谷電時間為23:00至次日7:00，因此確定谷電時間段內(nèi)需存儲的熱量為105863MJ。
表3：實測歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計
根據(jù)所需儲存熱量105863MJ，可以計算出所需相變蓄熱熱庫的臺數(shù)為163臺(單臺儲熱量為650MJ)，考慮5%的余量，因此設計數(shù)量為170臺。由于谷電蓄熱時間段內(nèi)該建筑同時需要少量的夜間防凍供熱，因此計算得到谷電時間段內(nèi)所需要的理論供熱量為132365MJ。計算得到所需的電加熱功率為4936.6kW，計算見表4。該計算中考慮了系統(tǒng)管路熱損5%，電鍋爐的效率為98%。
表4：所需電功率計算表
(3)設備選型主要設備數(shù)量及技術參數(shù)詳見表5所示
表5：主要設備參數(shù)表
(4)項目施工
該項目在2014年9月下旬正式進場施工，至2014年11月初調(diào)試完成。實際有效的項目施工時間為1個月左右。圖3為項目施工完畢后的現(xiàn)場實景，(a)為電鍋爐及中控房，(b)為熱庫整列。
圖3：谷電蓄熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場
(5)項目運行效果
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系統(tǒng)穩(wěn)定運行122天，系統(tǒng)運行費用190萬元，在谷電價格由方案中的0.4123元/kWh調(diào)整為0.4683元/kWh的基礎上，較原市政采暖系統(tǒng)節(jié)省331萬元，節(jié)省比例高達64%，單位能耗合14.6元/m2/采暖季，實際日均每平方米采暖費用僅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系統(tǒng)總共使用低谷電費158萬元，占全部費用83%，使用平電費用25萬元，占全部費用13%，使用峰電費用7萬元，占全部費用4%。后期控制系統(tǒng)優(yōu)化后不用平電補充熱量，預期谷電費用占比遠大于90%。采暖季結(jié)束后，從計量電能表讀出系統(tǒng)各部分的電量見表6所示。計算得電鍋爐耗電轉(zhuǎn)化為供暖板換供熱量的效率高達97.5%。
表6：系統(tǒng)各部分電量統(tǒng)計
使用熱庫采暖系統(tǒng)后，天津水游城每天平均用于供暖的電量為30639kWh，其中谷電27882.4kWh，平電2322.5kWh，峰電434.1kWh，可計算出峰電時間段的用電功率為54.3kW。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段的用電功率約為1418.4kW。因此，使用谷電熱庫采暖方式后，水游城項目每天可轉(zhuǎn)移1364.1kW峰電時段用電負荷。若有100個類似的供暖項目，使用谷電熱庫供暖系統(tǒng)方式后，在峰電期間可以轉(zhuǎn)移約136.41MW峰值負荷，可以相應減少等值的電廠裝機負荷。
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結(jié)束語
相變儲能是一種先進的儲熱技術，利用相變技術在谷電時間進行電熱蓄熱用于建筑供暖，對于電網(wǎng)的電力調(diào)峰以及用戶供暖運行成本都具有很好的價值。本文將相變蓄熱供暖技術與目前常見的幾種供熱方式進行了對比，無論從初期投資還是運行成本的角度，相變蓄熱技術都具有優(yōu)勢。
本文具體測試分析了650MJ相變蓄熱熱庫產(chǎn)品的熱性能參數(shù)，充熱時間不到7h，充熱量為641.93MJ，放熱量為639.49MJ，充放熱效率高達99.6%，電能轉(zhuǎn)化率為95%，24h熱損為4.85%。
利用相變技術的谷電蓄熱供暖方案為用戶降低運行成本，為燃煤鍋爐替代提供了很好的解決方案，同時還能為電力調(diào)峰做出貢獻，若有100個類似天津水游城的供暖項目，使用熱庫供暖系統(tǒng)后，在峰電期間可以節(jié)約136.4MW發(fā)電機組功率，大大降低峰時用電負荷。
注：文章作者系江蘇啟能新能源材料有限公司張繼皇、孫 利、李 文；中國建筑科學研究院環(huán)境與能源研究院楊強。
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