基于低谷電力利用電鍋爐水蓄熱的清潔供暖的實驗研究

王 會 李建強 杜鵬程 梁志龍

基于低谷電力利用電鍋爐水蓄熱的清潔供暖的實驗研究

王 會1,2,3李建強1,2杜鵬程3梁志龍3

（1.中國科學院過程工程研究所中國科學院綠色過程與工程重點實驗室 北京 100190；2.中國科學院綠色過程制造創(chuàng)新研究院 北京 100190；3.中科煙臺產業(yè)技術研究院 煙臺 265500）

清潔供暖是解決能源及環(huán)境問題的重要途徑之一。以煙臺福山區(qū)氣候特點為背景。通過熱負荷計算，對設備進行選型，最后搭建了基于低谷電力利用電鍋爐水蓄熱的清潔供暖實驗系統(tǒng)。該供暖系統(tǒng)采用夜間谷電對水蓄熱箱蓄熱，白天利用水蓄熱箱單獨供暖。同時對室內溫度、散熱器進回水溫度以及耗電量情況進行了分析。

清潔供暖；水蓄熱；電鍋爐；谷電

0 引言

我國北方地區(qū)取暖能源以燃煤為主，燃煤取暖面積約占總取暖面積的83%，年耗約4億噸標準煤，占一次能源消耗的9.17%，其中約二分之一為污染嚴重的散燒煤[1]。而電能、天然氣、工業(yè)余熱等清潔能源占比較低。取暖用能結構不合理導致我國北方地區(qū)冬季大氣污染物排放嚴重，并且增加了區(qū)域性霧霾爆發(fā)的趨勢，嚴重制約經濟發(fā)展，因此迫切需要推進清潔供暖技術[2]。清潔供暖技術是指利用清潔化燃煤、天然氣、電能、工業(yè)余熱等潔凈能源，通過高效用能、實現(xiàn)低能耗、低碳排放的取暖技術[3,4]。清潔供暖關系著廣大群眾能夠溫暖過冬，關系著霧霾天氣能否得到有效改善，是一項重要的政治任務、民生任務、緊要任務，因此需要大幅提升清潔供暖技術的發(fā)展，改善人民群眾的居住環(huán)境和生活質量[5]。電供暖作為一種清潔無污染的供暖方式被大力推廣使用，尤其利用低谷電能進行蓄熱的供暖方式。因其利用廉價的谷電時段，啟動電鍋爐將其產生的熱量存儲在蓄熱裝置中；在非谷電時段，利用蓄熱裝置將熱量供給用戶，從而減少高峰時段少用電甚至不用電；因此采用低谷電能蓄熱的清潔供暖技術不僅可以有效平衡電網負荷，還可以解決風光、光電等可再生能源電力的波動性，促進可再生能源消納，同時利用低谷電價政策，使用戶節(jié)省供暖運行費用，所以低谷電能蓄熱的清潔供暖技術逐漸成為研究和應用熱點[1]。

蓄熱方式通常由顯熱蓄熱、潛熱蓄熱以及化學蓄熱三種方式[6,7]。其中顯熱蓄熱是指利用材料自身的熱容來實現(xiàn)熱量的存儲與釋放[8]。顯熱蓄熱的材料來源廣泛、價格低廉、對環(huán)境友好，因此是研究最早，利用最廣泛，是目前成熟的蓄熱技術。其中最典型的是研究水蓄熱清潔供暖技術。麻延等[9]利用電鍋爐高溫水蓄熱供暖系統(tǒng)為北京建筑質量監(jiān)督總站供暖。結果表明：相較于燃氣鍋爐，電鍋爐高溫水蓄熱供暖系統(tǒng)運行費用可節(jié)省52%。王坤[10]以唐山為例，針對供暖面積10000m2，比較了利用燃氣、地源熱泵、市政及水蓄熱四種供暖方式的經濟效益。結果發(fā)現(xiàn)：水蓄熱的綜合經濟效益較好。在三種蓄熱技術中，熱化學蓄熱正處于實驗階段，潛熱蓄熱技術是目前研究和應用的熱點，相比較而言，水蓄熱供暖技術具有經濟效益、技術成熟等優(yōu)勢，雖然存在蓄熱密度較小等缺點，但是水蓄熱技術仍是清潔供暖的主流技術之一。

本文以水蓄熱箱為蓄熱裝置，利用谷電時段，采用電鍋爐一方面給房間供暖，另一方面對水蓄熱箱蓄熱；非谷電時段，電鍋爐停止運行，水蓄熱箱開啟，給房間供熱，滿足房間的供暖需求。本研究從熱負荷計算，到設備選型，到最后成功搭建基于低谷電力采用電鍋爐水蓄熱的清潔供暖系統(tǒng)。并分析了室內房間運行溫度，散熱器運行狀態(tài)以及耗電量和水蓄熱箱的蓄熱時長，本課題的研究為水蓄熱電鍋爐清潔供暖技術提供數據參考和理論指導。本研究對進一步實現(xiàn)我國建筑清潔供暖和能源的高效利用具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 實驗系統(tǒng)

本實驗搭建基于低谷電能水蓄熱的清潔供暖系統(tǒng)，主要包括電鍋爐、蓄熱箱、補水箱、變頻水泵、散熱器以及控制系統(tǒng)等。供暖房間為2個，合計供暖面積為100m2，地點為煙臺市福山區(qū)。

1.1 實驗系統(tǒng)原理

圖1 低谷電能水蓄熱供暖系統(tǒng)原理圖

圖2 低谷電能水蓄熱供暖系統(tǒng)實物圖

圖1和圖2分別為低谷電能水蓄熱供暖的原理圖和實物圖。由圖1可知，在夜間，利用低谷電通過電網輸送至供暖系統(tǒng)所在地，電鍋爐開啟進行制熱，制熱過程一邊給房間供暖，一邊給蓄熱箱內的材料進行蓄熱。非低谷電時段，關閉電鍋爐，利用蓄熱箱中儲存的熱量為末端用戶的散熱器提供熱源。其流程為：由散熱器回水流經蓄熱箱，通過熱交換帶走蓄熱箱中的熱量并使得散熱器回水溫度升高，高溫水在流經散熱器，通過散熱器，將熱量傳熱給房間的空氣，使得空氣溫度升高從而維持房間所需的供暖溫度。

1.2 熱負荷計算

（1）通過維護結構的基本耗熱量計算公式：

式中：Q為基本耗熱量，W；為傳熱系數，W/(m2·℃)；為計算傳熱面積，m2；t為冬季室內設計溫度，℃；t為采暖室外計算溫度，℃；為溫差修正系數。

（2）附加耗熱量計算公式：

式中：為考慮各項附加后，某圍護的耗熱量，W；Q為某圍護的基本耗熱量；β為朝向修正；β為風力修正；β為兩面外墻修正；β為房高附加；β為間歇附加。

（3）冷風滲透計算：

式中：為通過門、窗冷風滲透耗熱量，W；C為干空氣的定壓質量比熱容（取值1.0056kJ/（kg·℃））；P為采暖室外計算溫度下的空氣密度，kg/m3；為滲透冷空氣量，m3/h；t為冬季室內設計溫度，℃；t為采暖室外計算溫度，℃。

①通過門窗縫隙的冷風滲透量計算

式中：0為在基準高度單純風壓作用下，不考慮朝向修正和內部隔斷的情況時，每米門窗縫隙的理論滲透冷空氣量，m3/(m·h)。

式中：1為外門窗縫隙滲風系數，m3/(m·h·Pab)，當無實測數據時，可根據建筑外窗空氣滲透性能分級標準采用；0為基準高度冬季室外最多方向的平均風速，m/s；1為外門窗縫隙長度，應分別按各朝向計算，m；為門窗縫隙滲風指數，=0.56～0.78。當無實測數據時，可取=0.67；為風壓與熱壓共同作用下，考慮建筑體型、內部隔斷和空氣流通因素后，不同朝向、不同高度的門窗冷風滲透壓差綜合修正系數。

式中：C為熱壓系數；C為風壓差系數，當無實測數據時，可取0.7；為滲透冷空氣量的朝向修正系數；C為高度修正系數。

式中：為計算門窗的中心線標高；為作用于門窗上的有效熱壓差與有效風壓差之比，按下式計算：

式中：H為單純熱壓作用下，建筑物中和界標高，m，可取建筑物總高度的二分之一；t'為建筑物內形成熱壓作用的豎井計算溫度（樓梯間溫度），℃。

②忽略熱壓及室外風速沿房高的遞增，只計入風壓作用時的滲風量

式中：為房間某朝向上的可啟門、窗縫隙的長度，m；為每米門窗縫隙的滲風量，m3/(m·h)，見表5.1-7（詳見實用供熱空調設計手冊）；為滲風量的朝向修正系數，見表5.1-8（詳見實用供熱空調設計手冊）。

③換氣次數法

式中：為房間冷風滲透量，m3/h；為換氣次數，1/h，見表5.1-13（詳見實用供熱空調設計手冊）；V為房間凈體積，m3。

④百分比法計算冷風滲透耗熱量

式中：為通過外門窗冷風滲透耗熱量，W；0為圍護結構總耗熱量，W；為滲透耗熱量占圍護結構總耗熱量的百分率，%。

（4）外門開啟沖入冷風耗熱量計算公式：

式中：為通過外門冷風侵入耗熱量，W；Q為某圍護的基本耗熱量，W；β為外門開啟外門開啟沖入冷風耗熱量附加率；利用天正軟件計算出單位平米熱負荷指標為58W/m2。

1.3 設備選型

根據上述計算的單位平米熱荷指標為58W/m2，供暖面積為100m2，因此正常情況下可選擇功率6kW的電鍋爐。因該系統(tǒng)中采用谷電時段將白天所需的熱量提前存儲起來，因此也需要同樣功率的電鍋爐。故此本系統(tǒng)選擇電鍋爐功率為12kW；蓄熱箱定制委托加工尺寸1000mm×1000mm×1800mm，箱體凈重416kg；水泵選擇變頻水泵。補水箱尺寸500mm×500mm×500mm。散熱器選擇100片（銅鋁復合）。

蓄熱箱中水的填充量計算：

××Δ=3600××（13）

式中：為水的比熱容，kJ/kg·K；為蓄熱箱中水的質量，kg；Δ為蓄熱箱水溫溫差，℃，取值50；為電鍋爐的功率，kW；為電鍋爐谷電時段能運行的時長，h，取值范圍在8～14。

經計算，考慮到蓄熱箱的效率，因此填充量為900kg左右。

2 實驗結果與討論

2.1 室內外溫度分析

圖3 采用蓄熱系統(tǒng)供暖房間溫度

圖3為采用相變蓄熱水箱供暖系統(tǒng)房間與室外溫度對比分析。由圖3（a）可知，運行時間為2019-11-29 22:00～2019-11-30 22:00，室外溫度最高溫度5℃，最低溫度0℃，平均溫度為2.0℃，采用相變蓄熱水箱系統(tǒng)的供暖房間1的室內平均溫度為22.45℃，房間2的室內平均溫度為19.44℃。供暖房間1比供暖房間2室內平均平均溫度高3.01℃，是由于房間1中的供暖系統(tǒng)部分連接管道未做保溫，故此部分管道會向房間釋放一部分熱量，從而造成房間1比房間2溫度略高些。但是兩個房間的室內平均溫度滿足國家規(guī)定的供暖溫度18±2℃。同時由圖3（a）所示，夜間22:00～8:00，房間供暖熱量來自于電鍋爐系統(tǒng)，因此隨著時間的推移，房間的室內溫度逐漸升高；而8:00之后，電鍋爐系統(tǒng)停止，房間供暖熱量來自于水蓄熱箱，蓄熱箱中的水利用溫差，釋放出熱量，因此隨著時間的推移，蓄熱箱中水的溫度逐漸降低，換出的熱量能力逐漸減弱，因此室內溫度逐漸降低，在夜間22:00時，溫度最低。22:00點過后，房間的溫度再次逐漸升高，開啟下一個周期循環(huán)。圖3（b）有效展示了5天的室內運行狀況。兩個房間的室內平均溫度均能夠滿足18±2℃以上。

2.2 散熱器進回水溫度的變化分析

圖4 散熱器進回水溫度變化圖

圖4為散熱器進回水溫度以及溫差圖。由圖可知，當谷電時段22:00～8:00之間采用電鍋爐給房間供暖時，由于電鍋爐持續(xù)運行，因此水溫逐漸升高，進入散熱器的溫度也逐漸升高，此時散熱器內溫度與室內溫差較大，此時采用變頻泵采用小流量運行；而非谷電時段8:00～22:00，由于蓄熱箱中水與散熱器回水之間利用溫差來進行熱交換，蓄熱水箱中水溫下降釋放熱量，從而使得散熱器回水得熱，使其溫度升高。往復循環(huán)后，蓄熱水箱中的水溫逐漸降低，從而使得散熱器的進水溫度逐漸降低。此時在散熱器進回水溫差越來越小，此時變頻泵會增大轉速，提高水流量，從而使得系統(tǒng)在非谷電時段，散熱器表現(xiàn)出大流量小溫差運行。由此可以得到，在熱源為高溫時，采用小流量大溫差進行供熱，熱源較低時，系統(tǒng)采用大流量小溫差進行供熱，以滿足房間供暖所需的熱量。

2.3 為耗電量分析

圖5為系統(tǒng)運行時段2019/11/29 22:00—2019/12/5 22:00，谷電時段與其他時段電量對比。由圖5可知，系統(tǒng)運行期間每日總耗電量在137.3～140kWh。其中谷電時段與其他時段耗電量占比分配如表1所示。由表可以看出采用該系統(tǒng)92%的用電量來自谷電時段，而只有近8%的用電量在非谷電時段，通常谷電時段的電價是高峰時段的三分之一，因此可以大幅度地減少供暖的運行費用。

圖5 采暖季每日耗電量（谷電時間：22:00～8:00，非谷電時間：8:00～22:00）

表1 運行時段谷電與其他時段耗電量表

2.4 不同蓄熱時長對房間溫度的影響

為了能夠優(yōu)化蓄熱時間及放熱時間比例，同時由于各省市峰谷電價政策的不同，谷電時段可在8～14小時之間，其余時間為非谷段時段（一個周期24小時）。圖6給出了一個周期內，蓄熱時長分別為8小時、10小時以及12小時情況下，房間1室內溫度隨時間的變化圖。由圖6可以看出，隨著蓄熱時間的增大，房間1的室內的最低、最高溫度均逐漸升高。其中當蓄熱時長8小時，房間的最低溫度為16.42℃，最高溫度24.02℃，滿足國家規(guī)定的供暖室內溫度標準。因此對于本系統(tǒng)建議蓄熱時間為8小時。對于其他谷電時段高于8小時的的地區(qū)，對于該系統(tǒng)可以建議增加供熱面積。

圖6 蓄熱時長下房間溫度的變化曲線

3 結論

（1）本文搭建了電鍋爐水蓄熱的清潔供暖系統(tǒng)，主要利用谷電時段進行蓄熱，非谷電時段放熱滿足供暖需求。

（2）電鍋爐在谷電時段一邊給蓄熱箱蓄熱，一邊給房間進行供暖，此時散熱器的運行狀態(tài)為小流量大溫差；在非谷電時段，電鍋爐不運行，全部由蓄熱水箱利用溫降供給散熱器所需的熱量，此時散熱器運行狀態(tài)為大流量小溫差。

（3）針對本系統(tǒng)，建議谷電蓄熱8小時，可滿足白天16小時房間供暖。若對于谷電時段為10～12小時的，建議可適當增大供熱面積。

[1] 凌浩恕,何京東,徐玉杰,等.清潔供暖儲熱技術現(xiàn)狀與趨勢[J].儲能科學與技術,2020,9(3):861-868.

[2] 孫恩慧,王璐琪,賴小垚,等.北方冬季農村供暖對PM2.5的影響及解決方案研究[J].環(huán)境科學與管理,2013, 38(7):90-93.

[3] 關于促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的指導意見.中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會,http://www.ndrc.gov.cn/ gzdt/201710/t20171011_863348.html.

[4] 太陽能中溫供暖開啟億元級市場[J].中國能源報, http://paper.people.com.cn/zgnyb/html/2019-01/14/content_1904210.htm#.

[5] 朱義成,張璐,張延杰.鄒議清潔取暖現(xiàn)狀與發(fā)展-以山東省為例[J].制冷與空調,2019,33(1):80-81.

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[7] 于永生,井強山,孫雅倩.低溫相變儲能材料研究進展[J].化工進展,2010,29(5):896-913.

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[10] 王昆.水蓄熱電鍋爐作為中小建筑物冬季取暖熱源的應用[J].河北理工大學學報(自然科學版),2010,32(1): 30-33.

Experimental Study on Clean Heating System Based on Off-peak Electricity Using Water Storage of Electric Boiler

Wang Hui1,2,3Li Jianqiang1,2Du Pengcheng3Liang Zhilong3

( 1. CAS Key Lab. of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190;2. Innovation Academy for Green Manufacture, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190;3. Zhongke Yantai Industrial Technology Research Institute, Yantai, 265500 )

Clean heating is an important way to solve energy consumption and environmental pollution problems. In this paper, the thermal load is calculated, the equipment is selected, and a clean heating experimental system based on the off-peak power using water storage of electric boiler for heat storage is built.The heating system uses the off-peak electricity to heat the water storage bank at night and the water storage bank to heat the water separately during the day. At the same time, the indoor temperature, the temperature of radiator inlet and backwater and the power consumption are analyzed.

Cleaning heating; Water storage; Electric boiler; Off-peak electricity

TK02

A

1671-6612（2020）05-532-06

中國科學院潔凈能源先導科技專項資助（XDA21070302）

王 會（1987.3-），女，博士研究生，E-mail：wangh@ipe.ac.cn

李建強（1975.1-），男，博士研究生，研究員，E-mail：jqli@ipe.ac.cn

2020-01-13