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相變蓄熱技術分析


全球對相變材料的研究已經有幾十年的歷史,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


有機材料最大的優勢是穩定性好,但是儲能密度低,導熱性差,成本高;無機材料優勢是儲能密度大,導熱性好,成本低,但是循環穩定性差,有些甚至循環幾次就失效了,因此無法產品化。江蘇某新能源材料公司在無機相變材料的穩定性上取得了重大突破,材料循環5000次以上都未見衰減,因此可以很好地實現產品化。



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,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用于相變材料與傳熱介質之間的換熱。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構,外輪廓尺寸為942mm×942mm×1835mm,自重2.1t。其內部有一特殊鋼制內膽,內膽內部灌裝有相變材料,材料中均勻排布有銅質換熱器,內膽外部為聚氨酯保溫層,厚度為50mm。熱庫外觀圖及其結構原理如圖1所示。
圖1:熱庫外觀圖及結構原理

    對于蓄熱設備,其蓄熱能力、充放熱的性能表現、充放熱效率以及熱損性能等關鍵指標的優劣直接影響了該設備能否使用。該熱庫產品委托中國建筑科學研究院下屬國家空調質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果。從數據中可以看出,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%,電能轉化率為95%。

表1:恒定充熱功率及恒定進水溫度放熱測試結果

    表2為恒定進水溫度充熱及恒定功率放熱測試結果。從數據中可以看出,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果

    熱損性能測試實驗中,在室溫20°C環境條件下,熱庫24h的熱損為4.85%

    1.2 谷電蓄熱供暖系統
    圖2所示為典型的谷電蓄熱供暖系統原理圖。其工作原理是在谷電時段電鍋爐工作加熱循環水,通過循環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,所需熱量由電鍋爐直接提供。在非谷電時段,循環泵工作,帶出熱庫中的熱量,通過板換把熱量換到二次側,為末端供暖。

圖2:谷電蓄熱供暖系統原理圖

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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,市政供熱管網建設及供熱能力遠不能滿足實際供熱需要。
    同時受環境治理的壓力,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、氣源等因素發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村等對采暖要求較低的地區。
    采用谷電相變蓄熱供暖方案,利用谷期電價較低的優勢,為用戶在運行費用上節省開支。同時該系統對基礎設施的依賴度低,在商業和辦公建筑中基本無需對電力進行增容,整個系統安全可靠、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,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)系統設計
    根據天津水游城2012—2014年2個采暖季的每天實際用熱量記錄數據進行分析,得到該商業體平均每天白天、夜間的用熱需求量見表3所示。從數據中看出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年天津當地氣溫紀錄顯示,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年的用熱量數據進行參考。根據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需存儲的熱量為105863MJ。

表3:實測歷史數據統計
    根據所需儲存熱量105863MJ,可以計算出所需相變蓄熱熱庫的臺數為163臺(單臺儲熱量為650MJ),考慮5%的余量,因此設計數量為170臺。由于谷電蓄熱時間段內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量及技術參數詳見表5所示

表5:主要設備參數表
    
    (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:谷電蓄熱供暖系統現場

    (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穩定運行122天,系統運行費用190萬元,在谷電價格由方案中的0.4123元/kWh調整為0.4683元/kWh的基礎上,較原市政采暖系統節省331萬元,節省比例高達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%。后期控制系統優化后不用平電補充熱量,預期谷電費用占比遠大于90%。采暖季結束后,從計量電能表讀出系統各部分的電量見表6所示。計算得電鍋爐耗電轉化為供暖板換供熱量的效率高達97.5%。

表6:系統各部分電量統計
    使用熱庫采暖系統后,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2013—2014年冬季數據,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方式后,在峰電期間可以轉移約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,對于電網的電力調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勢。
    本文具體測試分析了650MJ相變蓄熱熱庫產品的熱性能參數,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,使用熱庫供暖系統后,在峰電期間可以節約136.4MW發電機組功率,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境與能源研究院楊強。