低谷電儲(chǔ)能冷熱雙供系統(tǒng)分析

白 芳，陳旭東，尹少武，劉傳平，童莉葛，王 立

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低谷電儲(chǔ)能冷熱雙供系統(tǒng)分析

白 芳1,3，陳旭東1，尹少武1,2，劉傳平1,2，童莉葛1,2，王 立1,2

（1北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2北京科技大學(xué)北京市高效節(jié)能與環(huán)保工程研究中心，北京 100083；3河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊 065000）

為有效緩解中國(guó)電力峰谷差逐年拉大的趨勢(shì)，提出低谷電蓄能冷熱雙供系統(tǒng)進(jìn)行居民冬季供熱和夏季制冷。從夏季與冬季的電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率分析，當(dāng)北京市集中供熱面積的10%采用冷熱雙供系統(tǒng)后，夏季電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率可由80.56%提高至100%，冬季電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率可由83.10%提高至90%。

電網(wǎng)；儲(chǔ)能；低谷電；制冷；供暖

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗也隨之提高，但與此同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題——霧霾，北方冬季居民燃煤供暖造成的環(huán)境污染是冬季北方霧霾的重要來(lái)源之一。

中國(guó)目前的發(fā)電仍以煤電為主，約占總發(fā)電總量的70%左右，電網(wǎng)的季節(jié)性峰谷差仍有逐年加大的趨勢(shì)。為了增大低谷電的需求、降低燃煤供暖的比例，行之有效地方法是通過(guò)儲(chǔ)能供暖增加低谷時(shí)的用戶用電量，一方面實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，另一方面有效降低居民獨(dú)立燃煤供暖的比例。

北京積極倡導(dǎo)分時(shí)電價(jià)，居民晚上22點(diǎn)至第二天6點(diǎn)屬于用電低谷范圍，電價(jià)為0.3元/(kW·h)，其它時(shí)間電價(jià)為0.4883元/(kW·h)。對(duì)于冬季使用電供暖的用戶，低谷時(shí)電價(jià)為0.1元/(kW·h)。顯熱蓄熱材料是利用物質(zhì)自身溫度的變化來(lái)進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存和釋放[1]，目前英國(guó)、西班牙、愛爾蘭、德國(guó)、芬蘭、丹麥等國(guó)家己經(jīng)生產(chǎn)出大量以Fe3O4為蓄熱介質(zhì)的顯熱蓄熱式電暖器[2]；中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所[3]以水做為蓄熱介質(zhì)，研發(fā)了電鍋爐蓄熱箱；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙廣播等[4]以固體做為蓄熱介質(zhì)搭建了電蓄熱裝置，并對(duì)蓄放熱過(guò)程進(jìn)行了研究；侯 德席等[5]以高密度Fe2O3為蓄熱介質(zhì)開發(fā)了一款電蓄熱采暖器。基于此，本文提出了以合金做為蓄熱材料的低谷電儲(chǔ)能冷熱雙供系統(tǒng)（heating and refrigeration system，HRS），該系統(tǒng)一方面可以取代中小型燃煤鍋爐供暖以減少無(wú)序排放，另一方面還能平衡電網(wǎng)負(fù)荷。

1 HRS原理及流程

本文提出的低谷電儲(chǔ)能HRS系統(tǒng)，采用合金顯熱蓄熱方式，將低谷電以熱能的形式儲(chǔ)存在電蓄能裝置中，并在需要時(shí)將所儲(chǔ)存的熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽，在冬季實(shí)現(xiàn)供暖，在夏季驅(qū)動(dòng)氨水吸收式制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷。

夏季系統(tǒng)流程如圖1(a)所示，系統(tǒng)分為兩股流：一股為制冷劑循環(huán)，另一股為蒸汽循環(huán)。HRS系統(tǒng)在夜間將電以熱能的形式儲(chǔ)存在蓄能裝置中，并在需要時(shí)將所貯存的能量轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)氨水吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)生器，氨水濃溶液分離為氨水稀溶液和含水分的氨氣。含水的氨氣經(jīng)精餾塔后可得到純度99.5%以上的氨氣，氨氣從塔頂出來(lái)后進(jìn)入冷凝器內(nèi)被冷卻為氨液，經(jīng)溶液換熱器換熱后經(jīng)節(jié)流降壓成為低溫汽液混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，制冷劑由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，返回到吸收器被稀溶液吸收。精餾塔分離后底部含氨較低的貧液經(jīng)換熱器降溫節(jié)流閥降壓后進(jìn)入吸收器。吸收器塔底的濃溶液經(jīng)循環(huán)泵加壓后，在溶液換熱器被加熱后回到精餾塔。高溫蒸汽流從精餾塔流出進(jìn)入冷水塔過(guò)冷后依次進(jìn)入冷凝器、吸收器和回流冷凝器（精餾塔頂部）進(jìn)行吸熱，然后回到儲(chǔ)能裝置吸熱。氨水吸收系統(tǒng)能夠充分利用低品位能源的特性已經(jīng)在太陽(yáng)能[6-7]、地?zé)崮躘8]的利用上得到證實(shí)，從而為兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)冷熱雙供提供了保障。

冬季系統(tǒng)流程圖如圖1(b)所示，HRS系統(tǒng)在夜間將電以熱能的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，在需要時(shí)利用高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)換熱器散熱，將流經(jīng)水冷塔的冷卻水切換至用戶端，為用戶供熱。蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為空冷蒸發(fā)，從環(huán)境吸收熱量。

北京科技大學(xué)研發(fā)的低谷電儲(chǔ)能供暖系統(tǒng)在北京昌平區(qū)完成了兩年的供熱運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)能夠提供140～200 ℃的高溫蒸汽，測(cè)試結(jié)果顯示：集中供暖初投資為160元/m2，低谷電蓄能供暖為196元/m2；在每個(gè)供暖季，集中供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為30元/m2，低谷電儲(chǔ)能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為23.3元/m2。

2 HRS系統(tǒng)主要參數(shù)

HRS系統(tǒng)將低谷電以熱能的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，高峰時(shí)段使用高溫蒸汽或熱水驅(qū)動(dòng)氨水吸收式系統(tǒng)用于制熱或制冷。冬季HRS代替燃煤鍋爐集中供熱，只填谷不削峰；夏季HRS代替空調(diào)制冷，既填谷又削峰。

根據(jù)2011年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，由于居民用電量遠(yuǎn)低于工業(yè)用電，為簡(jiǎn)便計(jì)算，忽略HRS的削峰量只計(jì)算填谷量。

2.1 HRS的性能系數(shù)

HRS由儲(chǔ)熱系統(tǒng)和氨吸收式系統(tǒng)兩部分組成，其中實(shí)驗(yàn)測(cè)得蓄熱體的電熱轉(zhuǎn)換效率conv為0.975。

以北京地區(qū)作為研究對(duì)象，根據(jù)民用供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]對(duì)居民室內(nèi)溫度要求，設(shè)定HRS冬季蒸發(fā)溫度為-10℃、用戶供暖溫度為60℃，HRS夏季蒸發(fā)溫度為7℃。本文用Aspen Plus軟件對(duì)上述供暖和制冷工況進(jìn)行模擬計(jì)算，在熱源溫度140～200℃變化范圍內(nèi)，HRS的供熱系數(shù)為1.37～1.4，HRS的制冷系數(shù)為0.59～0.627。本文取HRS系統(tǒng)性能系數(shù)冬季為1.37、夏季為0.6。

2.2 HRS應(yīng)用面積比例的確定

根據(jù)2011年北京統(tǒng)計(jì)年鑒，2010年北京供熱總面積為4.67億平方米，s為HRS應(yīng)用面積占供熱總面積的面積比例。居民所需熱量為

式中，為建筑所需制冷/供熱負(fù)荷，北京居民冬季制熱負(fù)荷為38 W/m2，夏季制冷負(fù)荷為 100 W/m2；sup為居民供熱/制冷負(fù)荷率，中國(guó)供熱系統(tǒng)平均負(fù)荷率約為0.5～0.7，空調(diào)系統(tǒng)平均負(fù)荷率為0.3～0.4左右，本文冬季取0.6，夏季取0.35；為時(shí)間，單位h。北京市一個(gè)制冷季為兩個(gè)月（62 d，24 h/d），一個(gè)供暖季為四個(gè)月（120 d，24 h/d）。

居民供熱和制冷所需電量全部由谷電提供，采用HRS后的填谷電量f如式(2)所示

式中，conv為蓄熱體的電熱轉(zhuǎn)換效率；為HRS系統(tǒng)性能系數(shù)，冬季取1.37，夏季取0.6。

電網(wǎng)用電負(fù)荷率是電力企業(yè)的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考核，它是電網(wǎng)的平均用電負(fù)荷與最高用電負(fù)荷的比率，是衡量用電均衡程度和負(fù)荷管理水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)；從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度考慮，負(fù)荷率愈高，則表明電氣設(shè)備的利用率愈高，愈有利于降損 節(jié)能。

應(yīng)用HRS可以提高平均用電負(fù)荷率，本文將從用電負(fù)荷率的角度確定HRS系統(tǒng)的應(yīng)用面積 比例。電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率的計(jì)算如式(3) 所示

未應(yīng)用HRS時(shí)，2010年北京市用電（bef）[10]情況為：供暖季期間用電288.26億千瓦時(shí)，每日平均用電負(fù)荷為10.01GW，平均供電負(fù)荷率g為83.1%，則由式(3)得供暖季日最大用電負(fù)荷為12.045GW；制冷季期間用電155.8億千瓦時(shí)，每日平均用電負(fù)荷為10.47GW，平均供電負(fù)荷率為80.56%，則由式(3)得制冷季每日最大用電負(fù)荷為12.997GW。

將式(2)帶入式(4)得到填谷后的平均用電負(fù)荷率，將代入(3)式得到了填谷后的用電負(fù)荷率。圖2為HRS在不同應(yīng)用面積比例下填谷后的北京市平均用電負(fù)荷率。由于冬季氨吸收式熱泵的制熱系數(shù)較高，每平方米所需HRS提供的供熱負(fù)荷少，當(dāng)HRS應(yīng)用面積比例為15%時(shí)，平均用電負(fù)荷率為93%；夏季氨吸收系統(tǒng)制冷系數(shù)低，每平米HRS所需提供的冷負(fù)荷多，但是HRS系統(tǒng)每平米所需谷電量也比冬季多。因此當(dāng)HRS應(yīng)用面積為10%時(shí)，夏季電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率已達(dá)到100%。

當(dāng)HRS應(yīng)用面積比超過(guò)10%時(shí)，夏季的用電負(fù)荷率超過(guò)100%，這是因?yàn)楫?dāng)HRS應(yīng)用面積比大于10%時(shí)，夜間谷電用電負(fù)荷已經(jīng)超過(guò)了電網(wǎng)的最大負(fù)荷，即式(3)中的需重新設(shè)定成新的最大負(fù)荷。但是本文的目的是削峰填谷，避免增大最大負(fù)荷以增加電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，由此設(shè)定HRS應(yīng)用面積比例最大為10%。

3 結(jié) 論

（1）為了緩解中國(guó)北方地區(qū)的冬季霧霾，本文提出了低谷電儲(chǔ)能冷熱雙供系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用低谷電儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了冬季供暖、夏季制冷的功能。

（2）低谷電儲(chǔ)能冷熱雙供系統(tǒng)可以提高電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率，當(dāng)北京城鎮(zhèn)集中供熱面積10%應(yīng)用冷熱雙供系統(tǒng)后，夏季電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率可由80.56%提高至100%，冬季電網(wǎng)平均用電負(fù)荷率由83.10%提高至90%。

因此，中國(guó)北方的冬季供暖可以將集中供暖與低谷電儲(chǔ)能供暖的組合方式取代居民燃煤供暖、燃煤供暖、燃天然氣供暖或直接電加熱供熱的模式，從而加快國(guó)家節(jié)能減排的步伐。

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Electricity load analysis on a dual heating and cooling system with off-peak thermal energy storage

1,3,1,1,2,1,2,1,2,1,2

(1School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Energy Conservation and Environmental Protection, Beijing 100083, China;3Heibei Petroleum Vocational and Technical College, Langfang 065000, Hebei, China)

A combined heating and refrigeration system (HRS) with off-peak thermal energy storage is proposed for load shift of electrical grids and efficiency enhancement of power generation. We show that the average electricity load rate (AELR) of power grid in Beijing area could be increased from 80.56% to 100% in summer, and from 83.10% up to 90% in winter, if 10% the residential central heating / cooling systems uses the HRS technology.

power grid; energy storage; off-peak electricity; refrigeration; heating

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0058

TK 02

A

2095-4239（2017）04-726-04

2017-05-16；

2017-06-09。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51206010）項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB720406）項(xiàng)目。

白芳（1985—），女，講師，研究方向?yàn)槟茉床牧显O(shè)計(jì)及應(yīng)用，E-mail：bf851218@163.com；

童莉葛，副教授，研究方向?yàn)槟茉崔D(zhuǎn)換與高效利用，E-mail：tonglige@me.ustb.edu.cn。