固體蓄熱式電加熱機(jī)組性能測(cè)試及優(yōu)化

曲家豪 王媛哲 馬 原

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 前 言

隨著社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及環(huán)境污染的加劇，人們對(duì)供暖的要求逐漸提高，國家出臺(tái)一系列政策來支持發(fā)展清潔能源供暖.傳統(tǒng)的燃煤鍋爐由于其能源利用率低、污染嚴(yán)重等問題，已不能滿足人們對(duì)供暖熱源的要求，由此各種新興熱源開始發(fā)展起來，其中電加熱機(jī)組發(fā)展前景優(yōu)良.電加熱機(jī)組利用夜間低谷電產(chǎn)生熱量，并將熱量儲(chǔ)存在蓄熱材料中，在白天非谷電時(shí)段為熱用戶供暖.由于蓄熱材料的不同，電加熱機(jī)組分為固體蓄熱和水蓄熱，其中固體蓄熱由于其占地面積小、蓄熱溫度高等特點(diǎn)得到了迅速發(fā)展.

1 工程概況

本文實(shí)測(cè)鍋爐房位于張家口市，該鍋爐房配備一臺(tái)額定功率1.6 MPa的固體蓄熱式電加熱機(jī)組，利用夜間低谷電蓄熱，為20000 m2的某商業(yè)樓供暖.該供暖系統(tǒng)主要包括：固體蓄熱裝置、風(fēng)機(jī)、真空相變式換熱器、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、軟水箱、軟水器.系統(tǒng)運(yùn)行方式為：22點(diǎn)～8點(diǎn)固體蓄熱裝置蓄熱，同時(shí)通過真空相變換熱器為熱用戶供暖；8點(diǎn)～22點(diǎn)固體蓄熱式電供暖機(jī)組停止加熱，利用儲(chǔ)存在蓄熱磚內(nèi)的熱量為熱用戶供暖，當(dāng)熱量不足時(shí)，短暫運(yùn)行固體蓄熱式電供暖機(jī)組，為系統(tǒng)補(bǔ)充所需熱量.

該固體蓄熱式電加熱機(jī)組所采用換熱器為真空相變式換熱器，該換熱器構(gòu)造為：主體采用上下兩個(gè)圓筒，下圓筒內(nèi)穿過一只風(fēng)管，管內(nèi)為風(fēng)管管束，風(fēng)管與圓筒之間采用純凈水，上圓筒內(nèi)穿過供暖水管，上下圓筒之間貫通.當(dāng)暖風(fēng)從固體蓄熱磚中吹出，穿過換熱器內(nèi)風(fēng)管管束，將圓筒內(nèi)純凈水加熱至沸騰，沸騰狀態(tài)的純凈水上升至上圓筒，將筒內(nèi)供暖水管中的水加熱，沸騰狀態(tài)下的純凈水放熱凝結(jié)為液體水，下落至下圓筒內(nèi)，重復(fù)此循環(huán)，由此完成熱量的傳遞.

鍋爐房具體機(jī)組設(shè)備銘牌參數(shù)見表1，機(jī)組工藝流程簡圖見圖1.

表1 鍋爐房機(jī)組設(shè)備銘牌參數(shù)表

圖1 工藝流程簡圖

2 性能指標(biāo)

衡量一個(gè)供熱系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，一方面要看其能否按需供暖，另一方面要看其能否將熱量有效的利用起來.因此對(duì)固體蓄熱式電加熱機(jī)組性能評(píng)價(jià)的研究應(yīng)該全面地關(guān)注機(jī)組運(yùn)行過程中熱量的傳遞狀況.通過對(duì)機(jī)組供熱過程的分析，本文發(fā)現(xiàn)機(jī)組主要經(jīng)歷蓄熱和放熱兩個(gè)熱量傳遞過程，并且熱量在傳遞的同時(shí)產(chǎn)生了耗散損失.因此本文從蓄熱能力、放熱能力、機(jī)組效率三個(gè)方面來對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類.

2.1 蓄熱能力

(1)蓄熱溫度均勻度Sx，衡量蓄熱周期結(jié)束時(shí)，蓄熱體內(nèi)部各點(diǎn)溫度的趨近程度：

式中：

Sx——蓄熱溫度均勻度，%；

N——蓄熱體內(nèi)部布置的溫度測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；

txi——蓄熱結(jié)束時(shí)i測(cè)點(diǎn)的溫度，℃.

式中：

tx——實(shí)際最高蓄熱溫度，℃；

tmax——額定最高蓄熱溫度，℃；

tmin——額定最低放熱溫度，℃.

式中：

Q′——理論蓄熱量，kJ；

Q——實(shí)際蓄熱量，kJ.

2.2 放熱能力

(1)放熱溫度均勻度Sf，放熱周期結(jié)束時(shí)，蓄熱體內(nèi)各點(diǎn)溫度趨于一致的程度：

式中：

Sf——放熱溫度均勻度，%；

tfi——放熱結(jié)束時(shí)i測(cè)點(diǎn)的溫度，℃.

式中：

式中：

Pout——額定輸出功率，kw；

Pin——額定輸入電功率，kw；

2.3 機(jī)組效率

(1)換熱器效率ηh：二次側(cè)循環(huán)水吸收的熱量與一次側(cè)空氣提供的熱量之比.能夠反映換熱器對(duì)熱量的傳輸能力，以及熱量損失程度.

ηh=ρsCsGΔt/ρfCfWΔT

(2-7)

式中：

ηh——換熱器效率，%；

ρs——水的密度，kg/m3；

Cs——水的比熱，kJ/(kg·k)；

G——循環(huán)水流量，m3/s；

Δt——循環(huán)水供回水溫差，℃；

ρf——空氣的密度，kg/m3；

Cf——空氣的比熱，kJ/(kg·k)；

W——風(fēng)量，m3/s；

ΔT——供回風(fēng)溫差，℃.

(2)熱效率η：在一個(gè)蓄放熱周期內(nèi)，機(jī)組向熱用戶側(cè)輸出的熱量占輸入電量的百分比.

式中：

η——熱效率，%；

tg——供水溫度，℃；

th——回水溫度，℃；

τx——蓄熱小時(shí)數(shù)，h；

N——風(fēng)機(jī)功率，kw；

τ——一個(gè)蓄放熱周期小時(shí)數(shù)，h.

3 性能測(cè)試

本文于1月3號(hào)晚22點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，至1月4號(hào)晚22點(diǎn)結(jié)束，采集時(shí)間共計(jì)24小時(shí)，每隔10分鐘記錄一組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)參數(shù)為：日期、時(shí)間、蓄熱體耗熱量、設(shè)備耗熱量、室外溫度、蓄熱體溫度、供風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、換熱器溫度、供水溫度、回水溫度、循環(huán)水泵頻率、風(fēng)機(jī)頻率.

(1)蓄熱過程分析.

蓄熱過程為晚22點(diǎn)至次日早6點(diǎn)，其中，晚22點(diǎn)蓄熱體內(nèi)最低溫度為80 ℃，平均溫度為105 ℃；次日早6點(diǎn)蓄熱體內(nèi)最高溫度為600 ℃，平均溫度為405 ℃.蓄熱體耗電量為10400 kwh，風(fēng)機(jī)耗電量為53 kwh，蓄熱磚質(zhì)量為56600 kg.蓄熱期間一次側(cè)循環(huán)風(fēng)放出的總熱量為11.388 GJ，二次側(cè)循環(huán)水換取的總熱量為10.399 GJ.

(2)放熱過程分析.

放熱過程為早6點(diǎn)至晚22點(diǎn)，其中早6點(diǎn)蓄熱體內(nèi)最高溫度為600 ℃，平均溫度為405 ℃，經(jīng)過白天的放熱，至晚22點(diǎn)蓄熱體內(nèi)溫度降低至最低溫度為82 ℃，平均溫度為118 ℃.風(fēng)機(jī)耗電量為158 kwh，期間最低放熱功率為280 kw，時(shí)間為晚上6點(diǎn)，一次側(cè)循環(huán)風(fēng)放出的總熱量為24.572 GJ，二次側(cè)循環(huán)水帶走的熱量為21.256 GJ.

(3)效率分析.

在整個(gè)蓄放熱周期內(nèi)，循環(huán)水帶走的總熱量為31.654 GJ，一次側(cè)供回風(fēng)輸送的總熱量為35.96 GJ，蓄熱體及風(fēng)機(jī)總耗電量為10611 kwh，折合為38.2 GJ.

利用所得數(shù)據(jù)對(duì)上述性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2.

表2 機(jī)組性能指標(biāo)

由蓄熱溫度均勻度、蓄熱完成度分別為0.5921、0.62可知，此電加熱機(jī)組蓄熱時(shí)蓄熱體內(nèi)部各點(diǎn)溫度上升的快慢程度差別較大，蓄熱體內(nèi)部溫度分布較為不均，蓄熱結(jié)束時(shí)蓄熱體平均溫度距設(shè)計(jì)蓄熱溫度上限相差較多，導(dǎo)致蓄熱周期結(jié)束時(shí)蓄熱體的蓄熱量與設(shè)計(jì)蓄熱量具有一定的差距，蓄熱量比僅為0.59.

由放熱溫度均勻度、放熱完成度分別為0.8286、0.93可知，其放熱能力較為優(yōu)良，蓄熱體內(nèi)部孔道氣流組織分布較為均勻，熱量釋放狀況良好.但由其輸出熱功率比僅為0.7可以看出，在整個(gè)放熱周期內(nèi)，機(jī)組放熱功率波動(dòng)較大.

由換熱器效率及機(jī)組整體的熱效率分別為0.8803、0.8287可知，一次側(cè)循環(huán)風(fēng)與二次側(cè)循環(huán)水之間熱量交換效果良好，熱效率較高.但由于放熱周期結(jié)束后，蓄熱體內(nèi)部仍儲(chǔ)存了一部分熱量，尚未釋放，因此，機(jī)組熱效率還有一定的上升空間.

4 優(yōu)化建議

由上述指標(biāo)可知，該固體蓄熱式電加熱機(jī)組的放熱能力及機(jī)組效率較為良好，而蓄熱能力相比之下較差，因此應(yīng)該著重對(duì)機(jī)組蓄熱能力進(jìn)行優(yōu)化.

(1)存在問題.

蓄熱能力包括蓄熱溫度均勻度、蓄熱完成度、蓄熱量比，由上述實(shí)測(cè)鍋爐房設(shè)備蓄熱能力下各指標(biāo)偏低可知，該機(jī)組蓄熱過程中蓄熱體內(nèi)部升溫速率不一致程度較為嚴(yán)重，蓄熱結(jié)束后蓄熱體各部分溫度分布不均勻，蓄熱量比之理想蓄熱量相差較多.

(2)原因分析.

分析造成這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?yàn)椋阂归g蓄熱過程中，由于建筑物仍然需要少許熱量以維持室內(nèi)最低溫度，所以供熱系統(tǒng)會(huì)采取低頻運(yùn)行方式，降低一次側(cè)循環(huán)風(fēng)量，確保建筑用熱需求.對(duì)于采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的供熱系統(tǒng)中，循環(huán)風(fēng)量的降低可以通過減少風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)、降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn).在對(duì)上文所提張家口市某鍋爐房設(shè)備進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，電加熱機(jī)組夜間低溫供暖運(yùn)行時(shí)，通常習(xí)慣只開啟一臺(tái)風(fēng)機(jī)以滿足風(fēng)量要求，只有在二次側(cè)供水溫度過低時(shí)，才開啟多臺(tái)風(fēng)機(jī)，并且在整個(gè)邊蓄邊供過程中，都以其中一臺(tái)為主要運(yùn)行風(fēng)機(jī)，其頻率和風(fēng)量高于其余兩臺(tái)風(fēng)機(jī).這種運(yùn)行方式容易使蓄熱體內(nèi)部孔道風(fēng)量分布不均勻，導(dǎo)致蓄熱結(jié)束后蓄熱體溫度高低不一，造成蓄熱能力的降低.

(3)解決方案.

綜上所述，本文建議張家口市實(shí)測(cè)鍋爐房在夜間蓄熱時(shí)，運(yùn)行方式改變?yōu)槎嗯_(tái)風(fēng)機(jī)同頻運(yùn)行，以提高機(jī)組蓄熱能力.

5 結(jié) 論

通過對(duì)張家口市某商業(yè)樓鍋爐房進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到電加熱機(jī)組一個(gè)完整蓄放熱周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)計(jì)算出各項(xiàng)機(jī)組性能指標(biāo).對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組在蓄熱過程中狀態(tài)不理想，蓄熱溫度均勻度、蓄熱完成度及蓄熱量比分別僅為0.59、0.62、0.59.為此，本文提出具有針對(duì)性的優(yōu)化建議，用于提高該電加熱機(jī)組的蓄熱能力.