固体蓄热技术及应用

朱卫东，任志远，向成兵，钟卫华，徐卿涛

（烟台东方能源科技有限公司，山东 烟台 264003）

近年来，我国“煤改电”行业大力发展，许多新型电力采暖设备应运而生，谷电蓄热采暖成为其中的主流形式。而固体电蓄热技术更是谷电蓄热形式的佼佼者，普遍应用于区域采暖改造、电厂深度调峰和工业生产用热等领域。

1 固体电蓄热原理

1.1 固体电蓄热原理

固体蓄热是一种利用低价电时间段将电能转化为热能存储于固体蓄热材料中，在需要提供热量时通过必要的取热手段进行热量释放的蓄热方式。其工艺流程为：加热→固体蓄热存储→取热→热交换→供热末端。固体蓄热利用了物质固体形态的熔点高、密度大、导热快的特点。

图1 常见的固体电蓄热结构

1.2 固体电蓄热的特点

1.2.1 优点

固体电蓄热的优点有：蓄热温度高、占用空间小、蓄放热效率快、控制工艺简单安全、蓄热性能稳定、无腐蚀无污染、设备运行安全系数高、可应用范围广、结构简单以及维护可操作性强等。

1.2.2 缺点

固体电蓄热的缺点有：蓄热体笨重、取热代价高、高低温放热稳定性差、加热丝（或带、或管）选型难度大以及换热器磨损严重等。

2 蓄热体物理结构

2.1 蓄热体形式

按照取热方式，蓄热体分为内置式与外置式。

图2 蓄热体形式

2.2 固体电蓄热的结构组成

蓄热砖以95#镁、92#镁、镁铁砖、镁碳砖、红砖、高铝砖和石墨等为主。

配电柜包含高低压配电柜、智能电控柜，部分特殊应用现场也会包含高压电源变压器柜、高压开关柜等。风道提供循环风回路，包括进出风室、换热器室、换热器回风室和风机风筒等。

电热丝以铁铬铝、镍铬合金为主。保温层包含内胆、防火层、保温层、密封层及外壳。风机采用高温离心风机，常见的有皮带传动式离心风机和直联离心风机两种。换热器包括空气-热水、空气-空气、空气-蒸汽、空气-导热油等类型；根据结构，换热器又分为管壳式、高效翅片管式和高频焊螺旋翅片式等。

2.3 固体电蓄热结构性能的决定因素

蓄热池的质量与蓄热设备的总蓄热量成正比；高温风机的风量与蓄热设备的最低有效蓄热温差成反比，与放热速度成正比，与循环风阻成反比；换热器的大小决定了最大放热能力；加热丝（或带、或管）的电阻值决定了蓄热设备的最大加热能力；保温层的厚度与保温效率成正比，与热损失成反比；高温风机、换热器、加热丝均为易损件。

3 蓄热体的热学计算

蓄热能力，是指单位质量（或体积）下，介质的热存储能力。介质蓄热能力的计算方法为：

式中，Q为介质吸收（或放出）的热量，J；m为介质的质量，kg；C为介质的比热，J/（kg·℃）；Δt为介质的变化温度，℃。

表1 几种常见物质蓄热能力的对比

根据表1数据计算可知，单位容积内，MgO的储热能力大约是水的4.9倍，是导热油的5.5倍。与水和导热油相比，95#MgO砖的工程经验储热能力较强。

4 工程应用组成形态

固体蓄热设备是一种热源设备，可用以直接替代传统的燃煤、燃油、燃气等热源形式，其配套附属系统与传统热源一样，所以需要对热源本体进行替代，方便工程安装应用[1]。常见固体蓄热设备用于供热的组成形态如图3所示。

5 常见应用结构

基于电加热式固体蓄热设备的运行需求和经验，东方电子在此基础上研发推出了以下几种综合利用系统：新型楼宇冷热源系统、蓄热式热风烘干系统、蓄热式导热油锅炉系统、蓄热式蒸汽锅炉系统和风光互补式电蓄热系统[2]。

5.1 新型楼宇冷热源系统

新型楼宇冷热源系统，利用电加热蓄热设备与水蓄冷或冷水机组组合成一整套空调系统，取代传统的中央空调，充分利用低谷电，解决现代城市空调耗电量高、运营费用高等问题。利用新型楼宇冷热源系统，设备投资少，运行费用低，无污染。

新型楼宇冷热源系统作为一种新型的空调系统，在不增加用户初期投资的基础上，可满足用户冬季供热和夏季制冷的需求，设备主要使用夜间低谷电时段用电，整个空调系统的运营费用较常规中央空调系统可降低65%。

新型楼宇冷热源系统的应用场合有：可为酒店、宾馆、会所和度假村等提供中央空调冷热源配套及生活热水；可为办公楼、写字楼等提供中央空调冷热源配套；可为医院、学校等公共建筑或公建单位提供中央空调冷热源配套；可为剧场、体育馆和游泳馆等类似场合提供中央空调冷热源配套及生活热水

图3 常见固体蓄热设备用于供热组成形态

5.2 蓄热式热风烘干系统

蓄热式热风烘干系统在低谷电期间将电能转化成热能并存储，在电价价高的用电时段将热能以热风的形式送入烤箱（烘干室）内，实现烤箱（烘干室）快速升温，提高烘烤效率，降低企业运营成本[3]。

5.3 蓄热式导热油锅炉系统

蓄热式导热油锅炉利用夜间低谷电存储热量，最高储存800℃的炉温，然后24 h（夜间可以边蓄热边放热）提供恒温导热油，温度控制精度±1℃，最高油温可达250℃，广泛用于工业领域，具有环保节能、无污染的优点。

5.4 蓄热式蒸汽锅炉系统

蓄热式蒸汽锅炉系统在低谷电期间将电能转化成热能并存储，最高储存800℃的炉温，高温热风吹入蒸汽发生器内，可产生100～200℃的饱和蒸汽。

5.5 风光互补电蓄热系统

可将风能和太阳能发的电直接转化成热能并储存在蓄热体中，为用户提供持续、稳定的热源，提高风能和太阳能的利用率，提高风电、光伏系统发电小时数。风光互补蓄热系统不仅能满足正常取暖、热水的需求，还能降低运营成本，实现经济效益和环境效益的双赢，对推动风能和太阳能产业发展有积极作用。

6 结论

近几年，雾霾天气在我国时常出现，已经成为人们生活关注的焦点，频繁的雾霾天气严重危害人类身体健康和社会经济发展。为此，各城市相继出台环境治理、燃煤污染的解决方案和奖惩政策。未来将逐步淘汰污染大、环保不达标、能耗指标高的燃煤锅炉和燃煤工业炉窑，根据政策导向和市场经济导向，提倡以新能源替换，其中低谷电蓄热供热技术是主要的能源替代技术之一。当前有必要大力推广应用固体蓄热技术，对于能源使用者来说，能源消耗总量不减反增，能源费用成倍减少；对于能源供给者来说，其可以实现电能的“移动填谷”，提高利用率，实现节约能源。这样最终有利于能源使用者和能源供给者实现双赢。