固體蓄熱系統(tǒng)及其技術(shù)經(jīng)濟研究

范晉卿，田媛，李弘瑞

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467000）

固體蓄熱器輸入電力，輸出熱能，在電熱轉(zhuǎn)換過程中，建立起熱能儲存與釋放的循環(huán)體系。蓄熱體是固體蓄熱器中儲存能量的介質(zhì)，其材料與結(jié)構(gòu)對蓄熱終止時溫度的均勻分布情況以及蓄熱容量起到了決定性的因素?，F(xiàn)階段，在所有儲熱介質(zhì)中，MgO 粉末擠壓燒結(jié)的MgO 磚的明顯優(yōu)勢，具有較高的綜合熱物理性能，具體包括熱膨脹較佳、耐高溫性以及良好的熱導(dǎo)率等。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對單雙通道結(jié)構(gòu)以及蓄熱體整體孔隙率的參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整，能提高蓄熱體尺寸的綜合性能。針對蓄熱體結(jié)構(gòu)的研究方面，更傾向于蓄熱孔數(shù)量與形狀的改變方面，卻很少涉及優(yōu)化蓄熱體結(jié)構(gòu)方面。

1 新能源蓄熱技術(shù)介紹

蓄熱系統(tǒng)包括多種形式，現(xiàn)階段較為主流的包括：（1）風(fēng)力發(fā)電高溫蓄熱器系統(tǒng)：通過風(fēng)力發(fā)電機將電能轉(zhuǎn)換為熱能，并將其能量存儲在風(fēng)力發(fā)電固體的蓄熱器內(nèi)，經(jīng)常應(yīng)用到供熱水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)中。（2）太陽能光伏發(fā)電蓄熱系統(tǒng)：吸收太陽能中的熱量，實現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)化，而后再將電能轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行儲存，實現(xiàn)了光能到熱能轉(zhuǎn)化與存儲，滿足了客戶對熱水與采暖的供應(yīng)。（3）風(fēng)光互補電蓄熱器系統(tǒng)：將太陽能光伏發(fā)電與風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并將能量存儲到蓄熱體，不僅提升了太陽能與風(fēng)能的利用率，也保證了用戶穩(wěn)定的取暖與持續(xù)的供熱，使家庭取暖更具安全性與健康性。（4）新型樓宇冷熱源系統(tǒng)：該系統(tǒng)由電加熱蓄熱設(shè)備與水蓄冷技術(shù)共同組成，采取低谷電代替中央空調(diào)的方式，解決了城市辦公中諸多問題。（5）電加熱式固體蓄熱系統(tǒng)：有機融合了熱交換技術(shù)、電熱技術(shù)，以及絕熱技術(shù)等多項先進(jìn)的技術(shù)手段，將蒸汽、熱水，以及熱空氣等多種形態(tài)的能量進(jìn)行輸出，是一種可以調(diào)節(jié)參數(shù)的技術(shù)綜合體。

2 電加熱式固體蓄熱技術(shù)的原理及其系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 工作原理

低谷電固體蓄熱技術(shù)是一種先進(jìn)的熱工技術(shù)，利用夜間低谷電，實現(xiàn)電能與熱能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將能量儲存起來，并將其應(yīng)用到白天用電高峰期的熱水供應(yīng)與采暖等方面，不僅降低了用電費用，同時還具備節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟高效等優(yōu)勢。具體的工作原理：（1）在蓄熱體中，通過發(fā)熱介質(zhì)，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，利用熱交換的方式將熱能儲存到固體蓄熱體內(nèi)，溫度實現(xiàn)了常溫到800℃的過渡。（2）蓄熱池外的絕熱層采取極低導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱體材質(zhì)，保證外界環(huán)境與高溫蓄熱池之間的熱絕緣效應(yīng)。（3）在熱量供給過程中，設(shè)備需要根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)，如供熱量、溫度以及相關(guān)程序等，在自動變頻風(fēng)機產(chǎn)生的循環(huán)高溫氣流的作用，利用氣—水換熱器，實現(xiàn)熱交換過程，熱水通過循環(huán)水泵送到末端設(shè)備，如淋浴噴頭、風(fēng)機盤管，以及暖氣片等。（4）為了保證穩(wěn)定的傳輸溫度，就需要采取多種控制手段，比如，負(fù)載溫度波動平均值、回水溫差、輸出總熱量測定，以及出水恒定溫度等。上述數(shù)值檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過中央電腦的科學(xué)處理后，會傳輸指令到各個控制單元，保證設(shè)備的精準(zhǔn)運行，并將精度范圍縮小至2℃以內(nèi)。（5）在加熱溫度超過800℃或者較長的通電加熱時間時，用戶可以結(jié)合自身需求調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)備會根據(jù)參數(shù)設(shè)定內(nèi)容進(jìn)行自動化運行。

2.2 電蓄能備系統(tǒng)的構(gòu)成

電蓄熱暖風(fēng)機組與電蓄熱熱水機組是固體蓄熱系統(tǒng)的重要組成部分，而設(shè)備的實體組成為蓄熱池、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、絕熱保溫層以及換電熱器等方面共同構(gòu)成。

3 固體蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟研究

3.1 數(shù)值模擬與實驗驗證

（1）蓄熱體結(jié)構(gòu)及物理模型。在工程的具體應(yīng)用過程中，MgO 磚及蓄熱體通常采取夾層蓄熱式布置，蓄熱層和夾層之間的排列保持交錯狀態(tài)，提高蓄熱體在受熱過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，夾層內(nèi)部采取MgO 磚形式，將放置電加熱絲的蓄熱孔間隔出來。在物理模型邊界條件的處理過程中，通過蓄熱孔周圍壁面的熱傳導(dǎo)的作用，取代蓄熱加熱元件的熱輻射過程，同時，忽略蓄熱體中MgO 磚接觸面的熱阻，并使用絕熱材料處理蓄熱體外壁，熱物性處理上采取非定值參數(shù)。（2）數(shù)值模擬。對ANSYSWorkbench 中模塊開展熱力學(xué)研究，第一步，使用Solidworks 軟件工具建立模型，并將模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench 流程圖中，分析材料屬性，合理設(shè)置材料的熱物理參數(shù)，結(jié)合溫度、MgO 磚比熱容以及熱導(dǎo)率三者之間的關(guān)系，通過二次函數(shù)計算，進(jìn)而推導(dǎo)出三者關(guān)系公式：c（介質(zhì)比熱容）=-9.86×10-5t2＋0.32t ＋952.30，以及λ（介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)）=6.88×10-6-0.018t＋14.34。上述公式中，t 代表介質(zhì)溫度，單位為℃；λ 單位為W/（m·℃）；通過公式可以得出數(shù)值模擬參數(shù)，采取步長獨立性驗證或者網(wǎng)格無關(guān)，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)果。通常情況下，增加網(wǎng)格節(jié)點數(shù)不會造成終態(tài)溫度變化，且時間步長的等比例縮小幾乎不會或者小幅影響終態(tài)溫度。（3）實驗驗證。首先，建立蓄熱體實驗?zāi)Ｐ?，合理選擇加熱絲材料，通常選擇3.5mm 直徑，以及14mm螺距的鎳鉻加熱絲，連接上采取Y 型接法。利用纖維棉做保溫填充物對保溫層進(jìn)行保溫，通常纖維棉的厚度為150mm；在外部固定上，采取硅酸棉板，尺寸為50mm。在蓄熱體的對稱結(jié)構(gòu)中，科學(xué)的驗證不同部分的溫度，需要合理選擇溫度探測點。鎧裝型熱電偶作為溫度傳感器，量程的實際范圍：0 ～1300℃，并將其放至磚體內(nèi)，深度控制在50mm 左右，此外，還需要設(shè)置單相電阻值、電壓值、單相電流、加熱功率、電阻絲表面負(fù)荷、蓄熱的起始與終止溫度等，例如，蓄熱起始溫度通常設(shè)置為45℃，而終止溫度通常設(shè)置為600℃，其他參數(shù)設(shè)置上就不再一一贅述。

3.2 蓄熱體截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蓄熱體內(nèi)的磚型規(guī)格一樣，通用性較強，在磚型不變的前提下，在蓄熱體結(jié)構(gòu)中，將其中孔的橫向尺寸進(jìn)行改變，研究影響蓄熱性能的程度。因為蓄熱體是一種對稱結(jié)構(gòu)，所以，在參數(shù)化處理的過程中，可以選擇1/4 結(jié)構(gòu)的蓄熱孔橫向尺寸。根據(jù)研究結(jié)果顯示，在蓄熱過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在截面優(yōu)化后，相比等截面蓄熱孔，蓄熱容量高達(dá)105%，蓄熱體10h 蓄熱最大溫差也開始縮小，縮小幅度大約為20%左右，最高蓄熱溫度也出現(xiàn)了小幅降低。因此，對蓄熱孔的截面進(jìn)行合理的優(yōu)化，能明顯改善橫向分布的溫度，但幾乎不影響或者較小影響縱向溫度的分布。此外，對截面溫度的分布圖進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，無耀化的A-A 峰面溫度呈現(xiàn)出凸拋物的方式進(jìn)行分布，而峰面耀化后的A-A 峰面溫度呈現(xiàn)出波動性恒指分布，且后者的峰面溫度均值低于前者，說明耀化后，峰面溫度的分布情況更具均勻性。

3.3 蓄熱功率分布優(yōu)化

根據(jù)祖熱蒙率耀化模型進(jìn)行分析，觀察無耀化祖熱體縱向溫度分布情況，依據(jù)模型對商性對加熱蒙率變量進(jìn)行設(shè)置，3 個加熱蒙率變量，并采用梯度迭代法處理祖熱蒙率參數(shù)，計算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，在迭代到第8 次的時候，祖熱溫度出現(xiàn)了極限值。同時，在第8 次迭代次數(shù)下，對比無耀化結(jié)構(gòu)祖熱性能參數(shù)與祖熱性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在蒙率耀化后，祖熱體優(yōu)達(dá)到目標(biāo)溫度的時出現(xiàn)了小幅增加，最高祖熱溫度也出現(xiàn)了小幅降低。此外，在祖熱體蒙率耀化后，影響了縱向溫度的分布狀況，但對橫向溫度的分布產(chǎn)生較小的影響。分析B-B 截面的溫度分布的曲線變化情況可發(fā)現(xiàn)，在功率優(yōu)化后，縱向截面溫度效果更佳，優(yōu)化后與優(yōu)化前的溫度界面存在溫度差，存在較大的差異性。

3.4 蓄熱過程復(fù)合型優(yōu)化

復(fù)合型優(yōu)化指的是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提下，加強對功率的優(yōu)化。首先，合理選擇蓄熱體截面優(yōu)化模型，通過梯度迭代的方式，加強對功率的優(yōu)化。根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在10 小時的蓄熱過程中，變截面蓄熱體最高溫度的優(yōu)化率得到有效提升，且最高溫度的最低值也得到明顯改善。同時，在溫度分布圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，在終止時刻的溫度分布情況也得到了有效改善，無論在橫向，還是縱向的分布都比較均勻。

3.5 電蓄熱方案的經(jīng)濟分析

（1）供電各時間段價格為：基于調(diào)查區(qū)域內(nèi)的平價電價發(fā)現(xiàn)，23:00 ～07:00 為電價低谷期，持續(xù)時間為8 小時，此時基礎(chǔ)電價為0.31 元/（kW·h）；而08:30～10:30、18:00 ～19:00，以及21:00 ～23:00 則為用電高峰期，持續(xù)時間為5 小時，該時段的基礎(chǔ)電價為1.1 元/（kW·h）；尖峰段的具體時間范圍是10:30 ～11:30、19:00 ～21:00，此時的基礎(chǔ)電價為1.34 元/（kW·h）；而平段時間區(qū)間為07:00 ～08:30，以及11:30～18:00，持續(xù)時間為8 個小時，該時段的基礎(chǔ)電價為0.81 元/（kW·h）。（2）蓄熱分析：在電價低谷期蓄熱，即23:00 ～7:00 時段，時間為8h，白天供熱蓄熱（23:00～7:00 低谷電價時段），如果白天供熱的負(fù)荷降低的話，例如，由于氣溫升高，或者終端降載量下降，那么通電加熱會低于8 個h；如果天氣異常，溫度遠(yuǎn)低于日常，可以通過平電時間段定期加熱，加熱時長為1 ～2h 為宜?？傊?，采取科學(xué)方式計算熱量消耗，保持用補平衡。（3）設(shè)備選型與運行費用的計算：①依據(jù)游泳池的設(shè)計尺寸能計算出總水量；然后，計算水溫升高一定溫差變化過程所需要的熱能，并通過給排水的方式補充30%的熱能。②通常低谷電的時長為8 個h，每小時補充的熱量是補充總量÷8。最后結(jié)合管道耗損情況，合理地選擇固體蓄水設(shè)備。③計算每日所消耗的電能：公式為：實際消耗電能×8h。④運行費用：計算每日設(shè)備運行所產(chǎn)生的費用，即總補充熱能總量×基礎(chǔ)電價，以及設(shè)備的固定運行費用，實際所需費用×30，而后即可得知每月的平均消耗。（4）政府給予優(yōu)惠及補貼。根據(jù)國家發(fā)改委頒布的文件來看，具體的獎勵標(biāo)準(zhǔn)如下：①針對實施移峰填谷技術(shù)或者能效電廠等降低高峰期電力負(fù)荷或者永久性節(jié)能的企業(yè)，可以給予一定獎勵，例如，廣東地區(qū)440 元/kW；中西部區(qū)域550 元/kW。②在用電高峰期響應(yīng)需求號召的，給予100 元/kW 的獎勵。

4 實例分析

（1）本項目是商業(yè)綜合體建筑，建筑整體面積為20 多萬m2，在健身層開設(shè)市民游泳館，泳池參數(shù)為25×12×2（m），深水區(qū)為1.6m，淺水區(qū)為1.3m，游泳池水溫恒定在29℃。（2）熱源的選擇：本地區(qū)缺少一年四季的熱源，僅有天然氣，如采取天然氣鍋爐，那么鍋爐房位置會受到嚴(yán)重限制，且消防問題也值得進(jìn)一步考慮。經(jīng)過全方面衡量，本項目選取ZY-400 電加熱固體蓄熱爐，保證游泳池的持續(xù)蓄熱需求，按照30%蓄熱的給排水設(shè)計，也就是低谷電蓄熱時間8 個h，蓄熱爐單位小時內(nèi)電量為400kW，壓力為0.4MPa。（3）系統(tǒng)運行與工藝：在低谷電時間段進(jìn)行蓄熱，而在用電高峰期進(jìn)行供熱。在蓄熱體內(nèi)，通過發(fā)熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)換為熱能，再利用熱交換的方式，將轉(zhuǎn)化的熱能儲存在固體蓄熱體內(nèi)。在蓄熱池外層結(jié)構(gòu)中，使用高等絕熱體材料，保證外環(huán)境與高溫蓄熱池之間處于絕緣狀態(tài)。依據(jù)每日不同的供熱時段與時間，電腦會依據(jù)自身的參數(shù)設(shè)置控制出水溫度，最終實現(xiàn)智能恒溫控制的目的，降低對能源的消耗。（4）在本項目工程中，工況設(shè)計概況：一次水供水溫度控制在70℃，回水溫度控制在60℃；而二次水進(jìn)水溫度設(shè)計為5℃，出水溫度設(shè)計為29℃，由自動溫度控制器完成對溫度的設(shè)置。

5 結(jié)語

綜上所述，相比燃煤鍋爐、水箱式電鍋爐，電加熱式固體蓄熱設(shè)備的優(yōu)勢明顯，通過高溫固體蓄熱器，結(jié)合低谷電蓄熱與供水的方式，能有效地降低整體的運行成本，降低范圍高達(dá)50%，因此，電加熱式固體蓄熱設(shè)備也叫作綠色供熱設(shè)備，具有環(huán)保節(jié)能效果。同時，電加熱式固體蓄熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性較強、工作效率較高，儲熱能力較強，而且相比燃煤鍋爐、水箱式電鍋爐，還具備占地面積小、安全性高、污染小、安裝簡單便捷等優(yōu)勢，此外，在電加熱式固體蓄熱系統(tǒng)的運行過程中，避開了區(qū)域內(nèi)用電高峰期，不僅體現(xiàn)出了自身的社會價值與環(huán)保價值，同時，也與國家移峰填谷政策趨于一致。