低谷电储能冷热双供系统分析

白 芳，陈旭东，尹少武，刘传平，童莉葛，王 立



低谷电储能冷热双供系统分析

白 芳1,3，陈旭东1，尹少武1,2，刘传平1,2，童莉葛1,2，王 立1,2

（1北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083；2北京科技大学北京市高效节能与环保工程研究中心，北京 100083；3河北石油职业技术学院，河北廊坊 065000）

为有效缓解中国电力峰谷差逐年拉大的趋势，提出低谷电蓄能冷热双供系统进行居民冬季供热和夏季制冷。从夏季与冬季的电网平均用电负荷率分析，当北京市集中供热面积的10%采用冷热双供系统后，夏季电网平均用电负荷率可由80.56%提高至100%，冬季电网平均用电负荷率可由83.10%提高至90%。

电网；储能；低谷电；制冷；供暖

近年来，随着中国经济的快速发展，能源消耗也随之提高，但与此同时也带来了严重的环境问题——雾霾，北方冬季居民燃煤供暖造成的环境污染是冬季北方雾霾的重要来源之一。

中国目前的发电仍以煤电为主，约占总发电总量的70%左右，电网的季节性峰谷差仍有逐年加大的趋势。为了增大低谷电的需求、降低燃煤供暖的比例，行之有效地方法是通过储能供暖增加低谷时的用户用电量，一方面实现电网的削峰填谷，另一方面有效降低居民独立燃煤供暖的比例。

北京积极倡导分时电价，居民晚上22点至第二天6点属于用电低谷范围，电价为0.3元/(kW·h)，其它时间电价为0.4883元/(kW·h)。对于冬季使用电供暖的用户，低谷时电价为0.1元/(kW·h)。显热蓄热材料是利用物质自身温度的变化来进行热量储存和释放[1]，目前英国、西班牙、爱尔兰、德国、芬兰、丹麦等国家己经生产出大量以Fe3O4为蓄热介质的显热蓄热式电暖器[2]；中国科学院工程热物理研究所[3]以水做为蓄热介质，研发了电锅炉蓄热箱；哈尔滨工业大学的赵广播等[4]以固体做为蓄热介质搭建了电蓄热装置，并对蓄放热过程进行了研究；侯 德席等[5]以高密度Fe2O3为蓄热介质开发了一款电蓄热采暖器。基于此，本文提出了以合金做为蓄热材料的低谷电储能冷热双供系统（heating and refrigeration system，HRS），该系统一方面可以取代中小型燃煤锅炉供暖以减少无序排放，另一方面还能平衡电网负荷。

1 HRS原理及流程

本文提出的低谷电储能HRS系统，采用合金显热蓄热方式，将低谷电以热能的形式储存在电蓄能装置中，并在需要时将所储存的热量转化为蒸汽，在冬季实现供暖，在夏季驱动氨水吸收式制冷系统实现制冷。

夏季系统流程如图1(a)所示，系统分为两股流：一股为制冷剂循环，另一股为蒸汽循环。HRS系统在夜间将电以热能的形式储存在蓄能装置中，并在需要时将所贮存的能量转化为高温蒸汽驱动氨水吸收式制冷系统的发生器，氨水浓溶液分离为氨水稀溶液和含水分的氨气。含水的氨气经精馏塔后可得到纯度99.5%以上的氨气，氨气从塔顶出来后进入冷凝器内被冷却为氨液，经溶液换热器换热后经节流降压成为低温汽液混合物，进入蒸发器内吸热蒸发，产生制冷效应，制冷剂由液态变为气态，返回到吸收器被稀溶液吸收。精馏塔分离后底部含氨较低的贫液经换热器降温节流阀降压后进入吸收器。吸收器塔底的浓溶液经循环泵加压后，在溶液换热器被加热后回到精馏塔。高温蒸汽流从精馏塔流出进入冷水塔过冷后依次进入冷凝器、吸收器和回流冷凝器（精馏塔顶部）进行吸热，然后回到储能装置吸热。氨水吸收系统能够充分利用低品位能源的特性已经在太阳能[6-7]、地热能[8]的利用上得到证实，从而为两者相结合实现冷热双供提供了保障。

冬季系统流程图如图1(b)所示，HRS系统在夜间将电以热能的形式储存在储能装置中，在需要时利用高温蒸汽驱动换热器散热，将流经水冷塔的冷却水切换至用户端，为用户供热。蒸发器转换为空冷蒸发，从环境吸收热量。

北京科技大学研发的低谷电储能供暖系统在北京昌平区完成了两年的供热运行测试，该系统能够提供140～200 ℃的高温蒸汽，测试结果显示：集中供暖初投资为160元/m2，低谷电蓄能供暖为196元/m2；在每个供暖季，集中供暖系统的运行费用为30元/m2，低谷电储能供暖系统的运行费用为23.3元/m2。

2 HRS系统主要参数

HRS系统将低谷电以热能的形式进行储存，高峰时段使用高温蒸汽或热水驱动氨水吸收式系统用于制热或制冷。冬季HRS代替燃煤锅炉集中供热，只填谷不削峰；夏季HRS代替空调制冷，既填谷又削峰。

根据2011年中国统计年鉴，由于居民用电量远低于工业用电，为简便计算，忽略HRS的削峰量只计算填谷量。

2.1 HRS的性能系数

HRS由储热系统和氨吸收式系统两部分组成，其中实验测得蓄热体的电热转换效率conv为0.975。

以北京地区作为研究对象，根据民用供暖通风与空气调节设计规范[9]对居民室内温度要求，设定HRS冬季蒸发温度为-10℃、用户供暖温度为60℃，HRS夏季蒸发温度为7℃。本文用Aspen Plus软件对上述供暖和制冷工况进行模拟计算，在热源温度140～200℃变化范围内，HRS的供热系数为1.37～1.4，HRS的制冷系数为0.59～0.627。本文取HRS系统性能系数冬季为1.37、夏季为0.6。

2.2 HRS应用面积比例的确定

根据2011年北京统计年鉴，2010年北京供热总面积为4.67亿平方米，s为HRS应用面积占供热总面积的面积比例。居民所需热量为

式中，为建筑所需制冷/供热负荷，北京居民冬季制热负荷为38 W/m2，夏季制冷负荷为 100 W/m2；sup为居民供热/制冷负荷率，中国供热系统平均负荷率约为0.5～0.7，空调系统平均负荷率为0.3～0.4左右，本文冬季取0.6，夏季取0.35；为时间，单位h。北京市一个制冷季为两个月（62 d，24 h/d），一个供暖季为四个月（120 d，24 h/d）。

居民供热和制冷所需电量全部由谷电提供，采用HRS后的填谷电量f如式(2)所示

式中，conv为蓄热体的电热转换效率；为HRS系统性能系数，冬季取1.37，夏季取0.6。

电网用电负荷率是电力企业的一项重要经济指标考核，它是电网的平均用电负荷与最高用电负荷的比率，是衡量用电均衡程度和负荷管理水平的一项重要指标；从经济运行角度考虑，负荷率愈高，则表明电气设备的利用率愈高，愈有利于降损 节能。

应用HRS可以提高平均用电负荷率，本文将从用电负荷率的角度确定HRS系统的应用面积 比例。电网平均用电负荷率的计算如式(3) 所示

未应用HRS时，2010年北京市用电（bef）[10]情况为：供暖季期间用电288.26亿千瓦时，每日平均用电负荷为10.01GW，平均供电负荷率g为83.1%，则由式(3)得供暖季日最大用电负荷为12.045GW；制冷季期间用电155.8亿千瓦时，每日平均用电负荷为10.47GW，平均供电负荷率为80.56%，则由式(3)得制冷季每日最大用电负荷为12.997GW。

将式(2)带入式(4)得到填谷后的平均用电负荷率，将代入(3)式得到了填谷后的用电负荷率。图2为HRS在不同应用面积比例下填谷后的北京市平均用电负荷率。由于冬季氨吸收式热泵的制热系数较高，每平方米所需HRS提供的供热负荷少，当HRS应用面积比例为15%时，平均用电负荷率为93%；夏季氨吸收系统制冷系数低，每平米HRS所需提供的冷负荷多，但是HRS系统每平米所需谷电量也比冬季多。因此当HRS应用面积为10%时，夏季电网平均用电负荷率已达到100%。

当HRS应用面积比超过10%时，夏季的用电负荷率超过100%，这是因为当HRS应用面积比大于10%时，夜间谷电用电负荷已经超过了电网的最大负荷，即式(3)中的需重新设定成新的最大负荷。但是本文的目的是削峰填谷，避免增大最大负荷以增加电网负担，由此设定HRS应用面积比例最大为10%。

3 结 论

（1）为了缓解中国北方地区的冬季雾霾，本文提出了低谷电储能冷热双供系统，该系统利用低谷电储能实现了冬季供暖、夏季制冷的功能。

（2）低谷电储能冷热双供系统可以提高电网平均用电负荷率，当北京城镇集中供热面积10%应用冷热双供系统后，夏季电网平均用电负荷率可由80.56%提高至100%，冬季电网平均用电负荷率由83.10%提高至90%。

因此，中国北方的冬季供暖可以将集中供暖与低谷电储能供暖的组合方式取代居民燃煤供暖、燃煤供暖、燃天然气供暖或直接电加热供热的模式，从而加快国家节能减排的步伐。

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Electricity load analysis on a dual heating and cooling system with off-peak thermal energy storage

1,3,1,1,2,1,2,1,2,1,2

(1School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Energy Conservation and Environmental Protection, Beijing 100083, China;3Heibei Petroleum Vocational and Technical College, Langfang 065000, Hebei, China)

A combined heating and refrigeration system (HRS) with off-peak thermal energy storage is proposed for load shift of electrical grids and efficiency enhancement of power generation. We show that the average electricity load rate (AELR) of power grid in Beijing area could be increased from 80.56% to 100% in summer, and from 83.10% up to 90% in winter, if 10% the residential central heating / cooling systems uses the HRS technology.

power grid; energy storage; off-peak electricity; refrigeration; heating

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0058

TK 02

A

2095-4239（2017）04-726-04

2017-05-16；

2017-06-09。

国家自然科学基金（51206010）项目，国家重点基础研究发展计划（2012CB720406）项目。

白芳（1985—），女，讲师，研究方向为能源材料设计及应用，E-mail：bf851218@163.com；

童莉葛，副教授，研究方向为能源转换与高效利用，E-mail：tonglige@me.ustb.edu.cn。