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相变蓄热技术分析


全球对相变材料的研究已经有几十年的历史,目前相变材料基本分为2类,一类是有机相变材料,另一类是无机相变材料


有机材料最大的优势是稳定性好,但是储能密度低,导热性差,成本高;无机材料优势是储能密度大,导热性好,成本低,但是循环稳定性差,有些甚至循环几次就失效了,因此无法产品化。江苏某新能源材料公司在无机相变材料的稳定性上取得了重大突破,材料循环5000次以上都未见衰减,因此可以很好地实现产品化。



1.1 相变储能热库


若将相变材料应用到蓄能领域,直接使用材料在工程项目中很难实现,往往需要某种特定容器装入相变材料,同时需要一套换热系统用于相变材料与传热介质之间的换热。另外在容器周围需要足够的保温层。相变蓄热设备称为热库。无机相变纳米复合材料,其相变温度在78°C左右,其额定蓄热量为650MJ。


热库外形为一立方体结构,外轮廓尺寸为942mm×942mm×1835mm,自重2.1t。其内部有一特殊钢制内胆,内胆内部灌装有相变材料,材料中均匀排布有铜质换热器,内胆外部为聚氨酯保温层,厚度为50mm。热库外观图及其结构原理如图1所示。
图1:热库外观图及结构原理

    对于蓄热设备,其蓄热能力、充放热的性能表现、充放热效率以及热损性能等关键指标的优劣直接影响了该设备能否使用。该热库产品委托中国建筑科学研究院下属国家空调质量检验中心对上述热性能进行了检测,分别进行了恒定充热功率及恒定进水温度放热测试,恒定进水温度充热及恒定功率放热测试,以及热损测试共3项检测,其实验结果分析如下。
    表1为恒定充热功率及恒定进水温度放热测试结果。从数据中可以看出,整个充热时间为377min,不到7h,平均充热功率为28.38kW,充热量为641.93MJ;放热时用20°C恒温水放热,放热的最大功率258kW,放热量为639.49MJ,与额定储热量650MJ只相差不到2%,充放热效率高达99.6%,电能转化率为95%。

表1:恒定充热功率及恒定进水温度放热测试结果

    表2为恒定进水温度充热及恒定功率放热测试结果。从数据中可以看出,在90°C恒温进水充热条件下,充热时间只需224min,不到4h即可充满。在恒定9.9kW的放热功率下,放热时间长达957min(约16h)。

表2:恒定进水温度充热及恒定功率放热测试结果

    热损性能测试实验中,在室温20°C环境条件下,热库24h的热损为4.85%

    1.2 谷电蓄热供暖系统
    图2所示为典型的谷电蓄热供暖系统原理图。其工作原理是在谷电时段电锅炉工作加热循环水,通过循环泵把热水中的热量带入热库,为热库充热。夜间末端如果需要供热,直接运行二次侧,所需热量由电锅炉直接提供。在非谷电时段,循环泵工作,带出热库中的热量,通过板换把热量换到二次侧,为末端供暖。

图2:谷电蓄热供暖系统原理图

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谷电相变蓄热供暖与其他供暖技术的对比
    
    目前在我国北方寒冷地区冬季采暖一般采用以下几种方式:市政供暖、燃气锅炉、直接电采暖、地源热泵、空气源热泵等。市政供暖大部分是集中的燃煤热水锅炉,或者是由城市周边的热电厂提供热量。市政供暖由于受到供热管道和热源供热能力的限制,近年来受到城市迅速扩张的压力,市政供热管网建设及供热能力远不能满足实际供热需要。
    同时受环境治理的压力,部分中小型燃煤锅炉正在被改成燃气锅炉,使得使用成本大幅上升。燃气供暖近几年发展迅速,但是与市政供暖一样,燃气供暖对城市的基础设施依赖度大,燃气管网、气源等因素发展的不平衡对燃气供暖制约很大,同时燃气的成本很高,而且有很大的安全隐患。
    直接用电采暖有很多种类,如:发热电缆、炭晶采暖、电暖器等,其缺点是运行成本很高,地源热泵的优势是势是运行成本较低,但是其初期投资成本非常高,而且建设工程量大,并且无法对既有建筑进行改造,因此这种供暖方式一般使用较少。空气源热泵是最近几年兴起的方式,但受其机组功率和使用效果的影响,目前只能适用于北方农村等对采暖要求较低的地区。
    采用谷电相变蓄热供暖方案,利用谷期电价较低的优势,为用户在运行费用上节省开支。同时该系统对基础设施的依赖度低,在商业和办公建筑中基本无需对电力进行增容,整个系统安全可靠、自动运行、无需维护。

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谷电相变蓄热供暖的应用
    
   (1)项目概述
    天津水游城商业中心之前采用市政热水供暖,考虑层高因素按照建筑面积13万m²收费,采暖费为40元/m²,整个采暖季总费用521万元。目前该项目实施了电锅炉+热库采暖系统,在夜间谷电(23:00~次日7:00)时段,维持空间防冻保温采暖的同时对热库充热,并在其他时段利用热库供暖,个别极端天气采用平电补充。
    
    (2)系统设计
    根据天津水游城2012—2014年2个采暖季的每天实际用热量记录数据进行分析,得到该商业体平均每天白天、夜间的用热需求量见表3所示。从数据中看出2012—2013年的用热量大于2013—2014年的用热量,这是由于该年度的冬季气温较低导致。查询了近10年天津当地气温纪录显示,2013—2014年的冬季气温处于历史平均水平,因此该项目的设计选用了2013—2014年的用热量数据进行参考。根据天津水游城谷电时间为23:00至次日7:00,因此确定谷电时间段内需存储的热量为105863MJ。

表3:实测历史数据统计
    根据所需储存热量105863MJ,可以计算出所需相变蓄热热库的台数为163台(单台储热量为650MJ),考虑5%的余量,因此设计数量为170台。由于谷电蓄热时间段内该建筑同时需要少量的夜间防冻供热,因此计算得到谷电时间段内所需要的理论供热量为132365MJ。计算得到所需的电加热功率为4936.6kW,计算见表4。该计算中考虑了系统管路热损5%,电锅炉的效率为98%。

表4:所需电功率计算表

    (3)设备选型主要设备数量及技术参数详见表5所示

表5:主要设备参数表
    
    (4)项目施工
    该项目在2014年9月下旬正式进场施工,至2014年11月初调试完成。实际有效的项目施工时间为1个月左右。图3为项目施工完毕后的现场实景,(a)为电锅炉及中控房,(b)为热库整列。

图3:谷电蓄热供暖系统现场

    (5)项目运行效果
    在2014年11月14日至2015年3月15日的采暖季中,天津水游城谷电热库系统稳定运行122天,系统运行费用190万元,在谷电价格由方案中的0.4123元/kWh调整为0.4683元/kWh的基础上,较原市政采暖系统节省331万元,节省比例高达64%,单位能耗合14.6元/m²/采暖季,实际日均每平方米采暖费用仅0.12元。
    在2014年11月14日至2015年3月15日的采暖季中,天津水游城谷电热库系统总共使用低谷电费158万元,占全部费用83%,使用平电费用25万元,占全部费用13%,使用峰电费用7万元,占全部费用4%。后期控制系统优化后不用平电补充热量,预期谷电费用占比远大于90%。采暖季结束后,从计量电能表读出系统各部分的电量见表6所示。计算得电锅炉耗电转化为供暖板换供热量的效率高达97.5%。

表6:系统各部分电量统计
    使用热库采暖系统后,天津水游城每天平均用于供暖的电量为30639kWh,其中谷电27882.4kWh,平电2322.5kWh,峰电434.1kWh,可计算出峰电时间段的用电功率为54.3kW。根据2013—2014年冬季数据,如采用电力直供采暖的方式在峰电时段的用电功率约为1418.4kW。因此,使用谷电热库采暖方式后,水游城项目每天可转移1364.1kW峰电时段用电负荷。若有100个类似的供暖项目,使用谷电热库供暖系统方式后,在峰电期间可以转移约136.41MW峰值负荷,可以相应减少等值的电厂装机负荷。

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结束语
    
    相变储能是一种先进的储热技术,利用相变技术在谷电时间进行电热蓄热用于建筑供暖,对于电网的电力调峰以及用户供暖运行成本都具有很好的价值。本文将相变蓄热供暖技术与目前常见的几种供热方式进行了对比,无论从初期投资还是运行成本的角度,相变蓄热技术都具有优势。
    本文具体测试分析了650MJ相变蓄热热库产品的热性能参数,充热时间不到7h,充热量为641.93MJ,放热量为639.49MJ,充放热效率高达99.6%,电能转化率为95%,24h热损为4.85%。
    利用相变技术的谷电蓄热供暖方案为用户降低运行成本,为燃煤锅炉替代提供了很好的解决方案,同时还能为电力调峰做出贡献,若有100个类似天津水游城的供暖项目,使用热库供暖系统后,在峰电期间可以节约136.4MW发电机组功率,大大降低峰时用电负荷。

注:文章作者系江苏启能新能源材料有限公司张继皇、孙 利、李 文;中国建筑科学研究院环境与能源研究院杨强。