光热与电极锅炉联合供暖方式的研究

北京瑞特爱能源科技股份有限公司 ■ 韩围棋

0 引言

目前，我国的能源结构主要为煤炭、石油等化石能源。但由于化石能源燃烧会产生二氧化碳、二氧化硫等有害物质，加快了温室效应，破坏生态环境，因此，我国政府出台了一系列支持清洁能源发展的政策。

太阳能作为重要的清洁能源，目前其利用方式主要有光伏发电和光热转换两大类。其中，太阳能光热转换是指利用特定装置及工质，通过反射、吸收或其他方式将太阳辐射能集中起来转换为温度足够高的热能，以满足不同的需求[1]。

由于太阳能受天气因素的影响较大，因此可在日照充足时采用储热装置，将富裕的太阳能储存起来；但若出现连续阴雨天气，所储存的能量用尽时，就需要一种可靠稳定的供热类型来起辅助作用。

国外关于光热与其他辅助能源联合供暖的案例已有很多。如奥地利Graz体育中心的太阳能供热采暖工程就是在体育馆屋面安装1470 m2的太阳能集热器，将其产生的热量输入集中供热网，该工程中，太阳能供热量占冬季总供热量的10%。德国汉堡Bramfeld区域供热工程共安装了3000 m2的太阳能集热器，同时与燃气锅炉相结合供热[2]。通过以上案例可以看出，国外的光热供热是与供热管网连接，或与其他加热方式相结合。而我国的光热与其他能源相结合的供暖方式尚处于初步发展阶段，仍需更多实际案例进行验证。本文介绍了一种光热与电极锅炉相结合的供暖方式。

1 关于电极锅炉的介绍

1.1 电极锅炉的工作原理

电极加热是指对电极之间的电解质溶液施加电压，可使电解质溶液产生焦耳热。电极锅炉的电极将含有一定量电解质的水当作加热电阻，进行加热，其结构如图1所示。在电极盘和内筒之间施加10 kV的电源，电极盘上有一定数量并以一定形状分布的曲棍电极，当曲棍电极和内筒之间加入含有一定量电解质的水后，二者之间就产生了一定的均匀分布的电流，保证了三相平衡，此时水会作为电阻而被加热。通过实验发现，水非但不会被电解，且稳定性好，其比常规电阻丝的寿命更长。

图1 电极结构图

电极锅炉是将10 kV的高压电直接通到电极锅炉的电极上，使加入电解质的水产生电流发热。由于电极锅炉利用的是水的自身发热，因此温升速度非常快。在相同电解质浓度下，电极锅炉的加热功率不仅会随着电极间的电压升高而加大，还会随着含有电解质的水与电极和内筒接触面积的增加而加大。电极锅炉结构图如图2所示。可通过控制电极与内筒之间的含有电解质的水的接触面积(也可通过改变绝缘控盾的位置或控制水位高低的方式来改变此接触面积)来改变锅炉加热功率的大小，这种调节接触面积的方式属于无极调节，并且启动迅速，比使用电阻丝阶段式功率调节的电阻锅炉更加稳定。

图2 电极锅炉结构图

电极锅炉的功率在4～50 MW之间，最高水温可达190 ℃，电流一般在400～5000 A之间；电极锅炉中的水是阻性负载，相同功率的电极锅炉的电导率在水温25℃下为固定值，功率越大，电导率越高，一般在40～60 µs/cm之间。

电极锅炉可直接由高压电加热，无需变压器，大幅增加了加热效率，减少了能源损失，加热效率可达99.5%以上；其采用密闭系统，所用电解质为常用药品，浓度低、污染小；由于其可以直接进行电加热，且可通过调节电极和水接触面积来控制锅炉功率，所以可做到随时启停，启动速度快，可以利用清洁电能进行无污染的区域供暖。

1.2 电极锅炉的优势

对于其他供暖方式而言，在寒冷地区，空气源热泵的加热温度无法满足供热需求，因此，其不适用于寒冷地区大规模供暖；地源热泵的初投资太高，而且在太阳能资源较好的地区，水资源并不丰富，因此该方式也不太适合。燃气锅炉虽然使用了天然气，但仍然会增加碳排放，并且在一些缺乏天然气的地区会大幅增加成本，因此也不是最优选择 。

相对于电阻锅炉，电极锅炉可靠耐用、寿命长、可长时间待机、启动速度快且可在2 min之内达到满功率运行。更重要的是，电极锅炉的快速启停可降低其对电网造成的冲击。在费用方面，由于电阻锅炉需要增加变压器，使初投资增加，且其效率稍低，导致其运行费用略高于电极锅炉。在技术方面，由于电阻锅炉采用加热管加热，寿命没有电极寿命长，加热速度比电极加热慢，且不能无极调节。综上所述，电阻锅炉不适用于大型区域供暖。

相对于电极锅炉，燃气锅炉的初投资较小，但是二者的运行费用需要根据当地的电价和气价进行对比。以20万m2的供暖面积、120天的供暖时间为例，根据供暖行业的经验数据，采暖热指标为40 W/m2，所需锅炉功率为8 MW。对比电极锅炉和燃气锅炉1年的运行费用。

电极锅炉运行费用的公式为：

式中，供暖电价为恒定电价，取0.3元/kWh；电极锅炉功率为8 MW；电极锅炉效率取99.5%。

燃气锅炉运行费用的公式为：

式中，燃气锅炉容量为12 t/h，相当于功率为8 MW；燃气锅炉热效率取90%；天然气热值为37 MJ/Nm3；气价为2.77元/m3。

根据相关数据计算可以得到，电极锅炉1年的运行费用约为695万元，燃气锅炉1年的运行费用约为690万元。可以看出，当供暖电价为0.3元/kWh、气价为2.77元/m3时，电极锅炉和燃气锅炉1年的运行费用相差不大。但是上述气价是以较低价格进行计算的，还会有波动，而供暖电价在许多地区已低于0.3元/kWh。因此在一些电价政策较好的地区，采用电极锅炉供暖的经济收益优于燃气锅炉。同时，燃气锅炉还具有一定的危险性，并会有一定的碳排放，且在天然气缺乏地区会大幅增加安装成本。

2 光热与电极锅炉联合供暖方式

光热与电极锅炉联合供暖方式的关系图如图3所示。

图3 光热与电极锅炉联合供暖方式的关系图

将电极锅炉与利用光热转化的热能相结合进行供暖的方式，是在日照充足时，利用太阳能进行蓄热；当太阳能无法满足供热和蓄热需求时，启动电极锅炉给储热罐蓄热。电极锅炉可使用光伏发电、风电等清洁能源电力作为工作力。

3 实际案例

本文以内蒙古旭宸能源有限公司的某光热与电极锅炉联合供暖的项目为例进行分析，并对供暖期光热的供热量进行了计算。

内蒙古旭宸能源有限公司在包头市宏庆德村建成了10万m2的光热镜场，利用反射镜收集太阳能热量，以满足居民的用热需要。自2016年10月开始，包头奥特莱斯、中城•国际城就使用上了光热供暖。该光热镜场可满足50万m2的供暖面积，其与设备间的9个5700 m3的储热罐组成了庞大的储热系统，该系统能够在连续7天阴天的情况下，保证50万m2采暖区的供暖[3]。

图4为2017～2018年供暖期包头市的日均温度和天气情况。该市供暖期共162天，其中，晴天105天，多云天气31天，雨雪等天气共26天。可以看到，不利于光热供暖的天数多达57天，占供暖期天数的35%。

图4 2017～2018年供暖期包头市的日均温度与天气情况

该项目储热罐储存的热量G储为：

式中，c为水的比热容，J/(kg•℃)，此处取4187；m为9个储热罐中水的重量，t，此处取51300；η为储热效率，取0.85；Δt为储热罐的冷热温差，℃，此处取40。

代入相关数值可得，G储约为7300 GJ。

若连续7天阴天，假设这段时间光热产生的热量为零，则50万m2供暖面积所需的热量为：

其中，包头地区节能50%建筑耗热量指标取21.3 W/m2，则可得到G需为6440 GJ。

此处包头地区供暖期平均气温取-6.2 ℃，进一步计算连续7天阴天出现严寒天气时所需热量G寒为：

式中，Δt寒为室温与7天阴天出现严寒天气的平均气温的温差，℃，此处取38；Δt平均为室温与包头地区供暖期平均气温的温差，℃，此处取24.2。

根据式(5)可知，G寒为10112 GJ。

因此可以发现，当连续7天阴天出现严寒天气时，仅依靠光热的储热罐的储热量无法满足实际供暖需求，需要与其他能源结合。

图5 包头市2017～2018年供暖期日均气温与日需热量的关系

由图5可以看出，在2017年11月22日～2018年1月22日期间，日均温度逐渐下降到最低，但日需热量逐渐增加。若此段时间内遇到连续日照不好的天气，光热供热量无法满足供热和蓄热需求时，需要使用可快速启动的设备作为能源补充。一般可选用热泵或电极锅炉作为辅助热源，但由于热泵在北方寒冷地区效率低下，甚至无法启动，因此，电极锅炉成为了保障供暖需求的最优选择。

该供暖系统采用了北京瑞特爱能源科技股份有限公司生产的1台10 MW和1台6 MW的电极锅炉作为辅助热源进行补充供热。电极锅炉的电压为10 kV，一次侧设计温度为95/65 ℃，二次侧温度为90/50 ℃。电极锅炉作为光热供暖的辅助热源，在阴雨天气时将储热罐的温度加热至90 ℃，在日照充足时不开启。电极锅炉可以使用弃风电量或低谷电，既利用了清洁能源，又平衡了电网压力，并且降低了成本。

图6 包头旭宸项目中的电极锅炉

1 MW电极锅炉运行1 h产生的热量G小时为3.6 GJ。当连续出现7天严寒天气时，16 MW电极锅炉产生的热量G锅炉为9676.8 GJ。通过上述计算发现，G锅炉+G储＞G寒。由此可知，电极锅炉配合蓄热罐的热量可以满足连续出现7天严寒天气所需的热量。

图7为电极锅炉系统图。可以看出，电极锅炉可以直接供暖，也可以给储热罐蓄热，可以很好的与光热供暖互补。

图8、图9分别为该项目中电极锅炉在2018年1月15-18日之间的运行状态图和出水、回水温度曲线图。

图7 电极锅炉系统图

图8 2018年1月15-18日电极锅炉运行状态图

由图8可以看出，电极锅炉具有启动迅速，可以快速达到设定功率的特点。该特点非常适合满足光热供暖不足，需要快速补充热量的需求，同时其也可以利用便宜的低谷电和清洁电力。

由图8还可以看出，电压是决定电极锅炉功率上限的因素，在电压固定时，电极锅炉功率变化非常迅速。

图9 2018年1月15-18日电极锅炉出水、回水温度曲线图

由图9可以看出，电极锅炉的出水温度随着锅炉的运行和停止而变化，且变化非常迅速，可在很短时间内达到设定温度值。这是因为电极锅炉是以加入电解质的水作为发热电阻，电压达到10 kV时，通过电极锅炉中加入电解质的水的电流巨大，可超过1000 A，使含有电解质的水迅速发热。电极锅炉回水温度变化则没有那么迅速，因为二次侧和储热罐的热量远大于电极锅炉一次侧系统内温度，导致一次侧系统回水温度不会变化太快。

在实际使用过程中发现，尽管该项目中的光热镜场足够大，但在恶劣天气时，仍需要电极锅炉作为该地区供暖的主要热源。在2017～2018年供暖期，共开启10 MW电极锅炉87天，6 MW电极锅炉58天。实际开启天数比上文中计算天数多出很多，这可能也与储热罐使用的不锈钢强度不够，导致高径较小、散热面积过大、储热效率降低有关。

4 结论

通过对包头市某光热与电极锅炉联合供暖的项目进行分析可以发现，目前电极锅炉可以在电价合适的寒冷地区作为辅助与光热供暖结合的辅助热源，其优势是其他类型热源无法代替的。尤其是其具有耐用、寿命长、启动快、发热量大、发热效率高、安全环保等优势，可作为北方地区与光热供暖互补的主力技术。并且在此项目实际案例中，电极锅炉确实起到了保障供暖需求的重要作用，同时也验证了光热与电极锅炉结合的可行性。