固体蓄热式电加热机组性能测试及优化

曲家豪 王媛哲 马 原

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 前 言

随着社会进步、经济发展以及环境污染的加剧，人们对供暖的要求逐渐提高，国家出台一系列政策来支持发展清洁能源供暖.传统的燃煤锅炉由于其能源利用率低、污染严重等问题，已不能满足人们对供暖热源的要求，由此各种新兴热源开始发展起来，其中电加热机组发展前景优良.电加热机组利用夜间低谷电产生热量，并将热量储存在蓄热材料中，在白天非谷电时段为热用户供暖.由于蓄热材料的不同，电加热机组分为固体蓄热和水蓄热，其中固体蓄热由于其占地面积小、蓄热温度高等特点得到了迅速发展.

1 工程概况

本文实测锅炉房位于张家口市，该锅炉房配备一台额定功率1.6 MPa的固体蓄热式电加热机组，利用夜间低谷电蓄热，为20000 m2的某商业楼供暖.该供暖系统主要包括：固体蓄热装置、风机、真空相变式换热器、循环水泵、补水泵、软水箱、软水器.系统运行方式为：22点～8点固体蓄热装置蓄热，同时通过真空相变换热器为热用户供暖；8点～22点固体蓄热式电供暖机组停止加热，利用储存在蓄热砖内的热量为热用户供暖，当热量不足时，短暂运行固体蓄热式电供暖机组，为系统补充所需热量.

该固体蓄热式电加热机组所采用换热器为真空相变式换热器，该换热器构造为：主体采用上下两个圆筒，下圆筒内穿过一只风管，管内为风管管束，风管与圆筒之间采用纯净水，上圆筒内穿过供暖水管，上下圆筒之间贯通.当暖风从固体蓄热砖中吹出，穿过换热器内风管管束，将圆筒内纯净水加热至沸腾，沸腾状态的纯净水上升至上圆筒，将筒内供暖水管中的水加热，沸腾状态下的纯净水放热凝结为液体水，下落至下圆筒内，重复此循环，由此完成热量的传递.

锅炉房具体机组设备铭牌参数见表1，机组工艺流程简图见图1.

表1 锅炉房机组设备铭牌参数表

图1 工艺流程简图

2 性能指标

衡量一个供热系统优劣的重要标准，一方面要看其能否按需供暖，另一方面要看其能否将热量有效的利用起来.因此对固体蓄热式电加热机组性能评价的研究应该全面地关注机组运行过程中热量的传递状况.通过对机组供热过程的分析，本文发现机组主要经历蓄热和放热两个热量传递过程，并且热量在传递的同时产生了耗散损失.因此本文从蓄热能力、放热能力、机组效率三个方面来对指标进行分类.

2.1 蓄热能力

(1)蓄热温度均匀度Sx，衡量蓄热周期结束时，蓄热体内部各点温度的趋近程度：

式中：

Sx——蓄热温度均匀度，%；

N——蓄热体内部布置的温度测点个数；

txi——蓄热结束时i测点的温度，℃.

式中：

tx——实际最高蓄热温度，℃；

tmax——额定最高蓄热温度，℃；

tmin——额定最低放热温度，℃.

式中：

Q′——理论蓄热量，kJ；

Q——实际蓄热量，kJ.

2.2 放热能力

(1)放热温度均匀度Sf，放热周期结束时，蓄热体内各点温度趋于一致的程度：

式中：

Sf——放热温度均匀度，%；

tfi——放热结束时i测点的温度，℃.

式中：

式中：

Pout——额定输出功率，kw；

Pin——额定输入电功率，kw；

2.3 机组效率

(1)换热器效率ηh：二次侧循环水吸收的热量与一次侧空气提供的热量之比.能够反映换热器对热量的传输能力，以及热量损失程度.

ηh=ρsCsGΔt/ρfCfWΔT

(2-7)

式中：

ηh——换热器效率，%；

ρs——水的密度，kg/m3；

Cs——水的比热，kJ/(kg·k)；

G——循环水流量，m3/s；

Δt——循环水供回水温差，℃；

ρf——空气的密度，kg/m3；

Cf——空气的比热，kJ/(kg·k)；

W——风量，m3/s；

ΔT——供回风温差，℃.

(2)热效率η：在一个蓄放热周期内，机组向热用户侧输出的热量占输入电量的百分比.

式中：

η——热效率，%；

tg——供水温度，℃；

th——回水温度，℃；

τx——蓄热小时数，h；

N——风机功率，kw；

τ——一个蓄放热周期小时数，h.

3 性能测试

本文于1月3号晚22点进行数据采集，至1月4号晚22点结束，采集时间共计24小时，每隔10分钟记录一组数据，记录数据参数为：日期、时间、蓄热体耗热量、设备耗热量、室外温度、蓄热体温度、供风温度、回风温度、换热器温度、供水温度、回水温度、循环水泵频率、风机频率.

(1)蓄热过程分析.

蓄热过程为晚22点至次日早6点，其中，晚22点蓄热体内最低温度为80 ℃，平均温度为105 ℃；次日早6点蓄热体内最高温度为600 ℃，平均温度为405 ℃.蓄热体耗电量为10400 kwh，风机耗电量为53 kwh，蓄热砖质量为56600 kg.蓄热期间一次侧循环风放出的总热量为11.388 GJ，二次侧循环水换取的总热量为10.399 GJ.

(2)放热过程分析.

放热过程为早6点至晚22点，其中早6点蓄热体内最高温度为600 ℃，平均温度为405 ℃，经过白天的放热，至晚22点蓄热体内温度降低至最低温度为82 ℃，平均温度为118 ℃.风机耗电量为158 kwh，期间最低放热功率为280 kw，时间为晚上6点，一次侧循环风放出的总热量为24.572 GJ，二次侧循环水带走的热量为21.256 GJ.

(3)效率分析.

在整个蓄放热周期内，循环水带走的总热量为31.654 GJ，一次侧供回风输送的总热量为35.96 GJ，蓄热体及风机总耗电量为10611 kwh，折合为38.2 GJ.

利用所得数据对上述性能指标进行计算，结果见表2.

表2 机组性能指标

由蓄热温度均匀度、蓄热完成度分别为0.5921、0.62可知，此电加热机组蓄热时蓄热体内部各点温度上升的快慢程度差别较大，蓄热体内部温度分布较为不均，蓄热结束时蓄热体平均温度距设计蓄热温度上限相差较多，导致蓄热周期结束时蓄热体的蓄热量与设计蓄热量具有一定的差距，蓄热量比仅为0.59.

由放热温度均匀度、放热完成度分别为0.8286、0.93可知，其放热能力较为优良，蓄热体内部孔道气流组织分布较为均匀，热量释放状况良好.但由其输出热功率比仅为0.7可以看出，在整个放热周期内，机组放热功率波动较大.

由换热器效率及机组整体的热效率分别为0.8803、0.8287可知，一次侧循环风与二次侧循环水之间热量交换效果良好，热效率较高.但由于放热周期结束后，蓄热体内部仍储存了一部分热量，尚未释放，因此，机组热效率还有一定的上升空间.

4 优化建议

由上述指标可知，该固体蓄热式电加热机组的放热能力及机组效率较为良好，而蓄热能力相比之下较差，因此应该着重对机组蓄热能力进行优化.

(1)存在问题.

蓄热能力包括蓄热温度均匀度、蓄热完成度、蓄热量比，由上述实测锅炉房设备蓄热能力下各指标偏低可知，该机组蓄热过程中蓄热体内部升温速率不一致程度较为严重，蓄热结束后蓄热体各部分温度分布不均匀，蓄热量比之理想蓄热量相差较多.

(2)原因分析.

分析造成这种现象出现的原因为：夜间蓄热过程中，由于建筑物仍然需要少许热量以维持室内最低温度，所以供热系统会采取低频运行方式，降低一次侧循环风量，确保建筑用热需求.对于采用多台风机并联的供热系统中，循环风量的降低可以通过减少风机开启台数、降低风机运行频率实现.在对上文所提张家口市某锅炉房设备进行实测时发现，电加热机组夜间低温供暖运行时，通常习惯只开启一台风机以满足风量要求，只有在二次侧供水温度过低时，才开启多台风机，并且在整个边蓄边供过程中，都以其中一台为主要运行风机，其频率和风量高于其余两台风机.这种运行方式容易使蓄热体内部孔道风量分布不均匀，导致蓄热结束后蓄热体温度高低不一，造成蓄热能力的降低.

(3)解决方案.

综上所述，本文建议张家口市实测锅炉房在夜间蓄热时，运行方式改变为多台风机同频运行，以提高机组蓄热能力.

5 结 论

通过对张家口市某商业楼锅炉房进行实测，得到电加热机组一个完整蓄放热周期的运行数据，并利用数据计算出各项机组性能指标.对指标进行分析发现，该机组在蓄热过程中状态不理想，蓄热温度均匀度、蓄热完成度及蓄热量比分别仅为0.59、0.62、0.59.为此，本文提出具有针对性的优化建议，用于提高该电加热机组的蓄热能力.