相变储能技术在清洁供暖中的应用研究

2020-12-11王长君刘硕丁薛峰

综合智慧能源 2020年11期

王长君，刘硕，丁薛峰

（江苏启能新能源材料有限公司，上海201100）

0 引言

经济的发展需要依靠能源技术的进步。非可再生能源的不断消耗和全球环境的不断恶化，促使可再生能源技术的应用逐步成为趋势。在供暖行业，一直以来主要依靠燃煤为主要能源，其不可再生性和带来的环境问题促使我们转变采供暖所用的能源。2016 年年底，我国北方城乡建筑取暖总面积约206 亿m2，使用的能源以燃煤为主，占总取暖面积的83%。为降低污染，打赢蓝天保卫战，我国积极推进发展清洁供暖技术［1-3］。

目前主要的清洁供暖方式有：燃气供暖、直接电供暖、地源热泵、空气源热泵等。其中，燃气供暖对城市基础设施依赖度大，受到燃气管网和气源供给的制约，且成本高；直接电供暖有很多种类，如发热电缆、碳晶供暖、电暖器等，其运行成本很高；地源热泵运行成本低，但其初始投资成本高，建设工程量大，且无法对既有建筑进行改造，因此应用较少；地源热泵可能带来地表水温变化，地面沉降等问题［4］；空气源热泵受机组功率和使用效果的影响，在寒冷的地区供暖效率较低［5］。电储存供暖主要利用谷电供暖，具有价格优势，且对基础设施依赖度低，是最具经济性的供暖方式之一，具有占地面积小、运行成本低、自动化程度高、安全可靠等显著特点［6-7］。

本文通过对相变储能供暖项目的实际案例分析，为清洁能源利用，特别是为北方清洁供暖应用提出具有参考价值的解决方案。

1 相变储能供暖的应用

1.1 相变储能材料

相变储能材料（Phase Change Materials，PCMs）是一类利用在某一特定温度下发生物理相态变化以实现能量的存储和释放的储能材料，其储能特性是在相变过程中吸收热能，并可以在恒定均匀的温度下提取。给定质量的相变材料吸收热量的多少由其相变潜热决定［2］。相变材料的巨大潜热值使其在储热行业具有广泛的应用前景［8］。

相变储热材料主要分为2 类：有机相变材料和无机相变材料。常用的有机相变材料主要分为2类：石蜡类和脂酸类。其优点是成形性好，不易发生相分离及过冷，腐蚀性小，但其缺陷明显：导热系数低、成本高，基本不适合清洁供暖应用。无机相变储能材料分为高温材料和低中温材料，高温材料大部分为熔融盐，中低温材料主要为水合盐。相比有机相变材料，无机相变材料具有导热系数高、储能密度高、成本低等特点。其中70～90 ℃温度区间的水合盐材料适合清洁供暖应用。但无机相变材料大多存在易分层、易过冷、循环寿命低等缺陷。

近几年在清洁供暖领域，相变储能技术逐渐获得应用。目前主要采用无机相变材料作为储能载体，但无机相变材料的循环寿命及储能产品的寿命一直是相变材料大规模应用的主要制约因素。

1.2 相变储能设备

要将相变材料应用到清洁供暖领域，就需要设计并制造相应的设备。

热库是相变储热设备中的一种，如图1 所示热库，尺寸为942 mm×942 mm×1 835 mm（长×宽×高），质量2.2 t，储热量为650 MJ。其内部不锈钢内胆中添加无机相变纳米复合材料，同时材料中均匀排布铜材质或304 不锈钢材质的换热器，外部加装保温层［6-7］。为测试无机相变纳米复合材料的使用寿命，专门制备了1台热库样机，尺寸为500 mm×500 mm×1 500 mm（长×宽×高）、储热量为80 MJ，并进行了近5 000 次充放热循环，如图2 所示，热量基本无衰减。热库的主要应用范围是大型清洁供暖项目，用于储存热能进行跨时段供暖，也可回收工业余热等能源进行跨区域供暖。

相变储能箱是另一种采用相变材料的储能设备，其结构与热库类似，但主要与太阳能、空气源热泵等热源结合使用，辅助提升系统供暖效率。

图2 80 MJ热库样机循环寿命测试Fig.2 Cycle life test for the prototype of 80 MJ Heatrix

相变储能板，是相变材料与建筑结合应用的一种储能形式。将相变材料与建筑材料结合制备成相变储能板材，利用相变材料板的储能效果吸收太阳能或者其他热能，保持建筑温度，提升建筑保温效果，降低建筑供暖能耗。

2 相变储能在清洁供暖中的应用

2.1 项目概述

相变储能热库产品具有高效率、低热损、高储能密度、模块化设计、安全无压运行等显著特点。在城市楼宇供暖方面，其不易燃、安全无压运行的特性，保证其可以安装在楼宇地下空间，无安全隐患，无需审批；可自由调节、模块化设计、高储能密度意味着相变储能热库设备的空间利用率高。

天津大悦城写字楼采用热库+电锅炉的相变储能系统作为供暖热源，实现按需供暖。项目安装105 台热库，总储热量68.25 GJ，体积约190 m3，以高度2 m 计算，占地面积约95 m2；相同储热量的水箱体积约为816 m3，以设备高度2 m 计算，占地面积408 m2，是相变储能设备占地面积的4.3 倍。相变储能技术可以极大地降低使用成本，节约空间。

2.2 热库储能供暖系统

相变储能供暖系统的工作原理是：在谷电时段电锅炉开始加热，通过充热循环系统给相变储能热库充热；供暖时段，电锅炉停止加热，通过放热循环释放热库储存的热量为末端供暖。在极端天气时的平电时段，电锅炉开启补充部分热量供暖；若夜间末端需要供暖，由电锅炉直接供暖。相变储能供暖系统原理图如图3所示。

图3 相变储能供暖系统原理Fig.3 Phase change heat storage heating system

2.3 项目运行费用分析

天津大悦城写字楼相变储能供暖系统项目总投资约750 万元，投资回收期约3.4 年。截至2020年5 月，项目运行5 个供暖季，供暖效果完全达到预期，系统运行基本平稳，运行费用平均降低70%，详细系统运行费用见表1。

如图4—5 所示，统计5 个供暖季的运行数据，平均谷电运行费用84 万元，平均费用占比约81%；平均平电费用12 万元，平均费用占比约12%；平均峰电费用7 万元，平均费用占比约7%。如图6—7所示，每个采暖季平均运行费用为15 元/m2，日均供暖费用为0.13 元/m2。

2.4 项目节能调峰效果分析

图4 不同年度谷电、平电、峰电运行费用Fig.4 Operation cost with valley，flat and peak loads in different years

图5 不同年度谷电、平电、峰电运行费用占比Fig.5 Proportion of valley，flat and peak load operation costs in different years

由表2可知，在2018年1月和2020年1月，天津大悦城写字楼供暖项目如果采用点直供，每天平均消耗峰电功率分别为1 733.3 kW 和1 381.2 kW。采用相变储能技术供暖，峰电功率分别降至91.0 kW 和72.0 kW。因此，采用相变储能技术供暖，每天可分别转移峰电功率1 642.3 kW 和1 309.2 kW。若有n个类似供暖项目，采用相变储能的方式供暖，在峰电期间最少可以转移电功率n×1 309.2 kW，有效减少了冬季供暖峰电负荷，缓解电网压力［9］。

表1 相变储能供暖系统项目运行费用Tab.1 Operation cost of phase change energy heating system project

图6 单位运行费用Fig.6 Operation cost per heating area per heating season

图7 不同年度日均供暖费用Fig.7 Daily heating cost in different years

表2 2018年1月和2020年1月项目调峰数据Tab.2 Peak shaving data of the project in January 2018 and January 2020 kW

2.5 极端天气对相变储能系统的影响

选取2018 年和2020 年1 月23 日进行数据分析，如图8 所示。2018 年1 月23 日天津市温度最高气温-6 ℃，最低气温-12 ℃；2020 年1 月23 日天津市温度最高气温9 ℃，最低气温-2 ℃，温度差异明显。可以发现，热库温度基本都在75 ℃，不同在于14：00时，2020年热库温度开始降低，2018年热库温度持续在75 ℃（平电补充，维持热量供应）。分析08：00—16：00 用户端温度，2018年板式换热器二次侧进出水平均温度分别40 ℃和48 ℃，2020 年板式换热器二次侧进出水平均温度分别45 ℃和50 ℃。供暖温度受极端天气影响，但在供暖时间内，2018年1 月23 日板式换热器二次侧进水温度持续升高，说明供暖系统完全满足楼宇供暖需求，楼内温度保持平衡。说明相变储能供暖系统在极端天气下也能满足用户采暖需求。

图8 2018年和2020年1月23日热库及二次侧板式换热器进出水运行温度曲线Fig.8 Inlet and outlet water temperature on Heatrix and secondary side on January 23rd，2018 and 2020

如图9—10 所示，在2018 年1 月和2020 年1 月供暖期间，平均每天总耗电量分别为20 799 kW·h和16 574 kW·h，平均峰平电耗电量分别占总耗电量的11%和3%，谷电耗电量分别占总耗电量的89%和97%左右，说明即使受天气影响，相变储热技术在清洁供暖方面，完全达到了移峰填谷、消纳谷电能源、节约峰电能源、缓解峰电负荷的作用。

图9 2018和2020年1月供暖每天耗电量与谷电耗电占比Fig.9 Daily electricity consumptions and valley electricity consumptions ratios in January 2018 and 2020

对比2018 年和2020 年1 月的供暖耗电占比数据和温度变化数据，如图10 所示。整体来看，2018年1 月天津的最高温度范围为-5～5 ℃，与2020 年1月的最高温度范围基本相同。受天气影响，2018 年1 月每天谷电耗电量占总耗电量的比例波动较大，且在2018 年1 月22—28 日，天津天气最高温度从4 ℃骤降至-5 ℃，此时为极端天气，谷电耗电占比连续处于80%左右，峰电和平电占比连续处于20%左右。说明在极端天气情况下，利用部分峰电、平电补充可以完全满足用户采暖需求，且峰电、平电耗电比率仅占总耗电比例的20%。相变储能系统在清洁供暖方面完全起到了移峰填谷的作用。

图10 2018和2020年1月供暖峰平电耗电占比与环境温度的变化Fig.10 Flat and peak electricity consumption ratios varying with temperature in January 2018 and 2020

3 相变储热在清洁供暖中的其他应用

3.1 相变储能与空气源热泵系统结合

相变储热技术在清洁供暖领域的应用形式多种多样，并且可以与空气源热泵有效结合，提升热泵的制热性能系数（COP），即热泵系统所能实现的制冷量或制热量与输入功率的比值。例如Youssef等人［10］设计了一套相变储热辅助热交换系统，与空气源热泵系统结合，证明相变储能系统能有效提升热泵的COP。Qu 等人［11］研究了一种相变材料与太阳能热泵联动供暖系统，如图11所示。该系统在北京进行了详细测试，结果表明采用双水箱相变潜热储热器可提高太阳能热泵集热效率大约50%，有效提升系统COP。相变储能技术的应用提升了太阳能热泵系统的能源效率，使得热泵在寒冷的北方地区也能有较高的供暖效率。

3.2 相变储能在建筑保温中的应用

相变储能技术除了与热泵等系统结合使用之外，也可以与建筑保温材料结合，减少室内温度波动，降低建筑能耗。Kong 等人［12］设计了一种新型的相变复合材料墙板，并利用毛细管与太阳能热系统集合，如图12 所示。测试结果表明，结合相变复合材料墙体的系统，日能耗降低44.16%，此系统在清洁供暖方面具有很大的应用潜力。

图11 双相变储热水箱与太阳能热泵联用系统Fig.11 Integrated system with dual phase change energy storagetanks and solar source heat pump

图12 相变储能保温墙的设计Fig.12 Design of the PCM wall

Biswas等人［13］采用纳米相变材料制备相变储能保温墙板应用在建筑中，全年能耗降低20%以上。Lu 等人［14］开发了一种新型的相变储能地板和相变储能墙板结合，如图13 所示，平均节能率为54.27%。这些研究表明，相变储能在冬季供暖中能起到很好的节能效应，为清洁供暖和能源优化利用提供了新的思路。