固体电制热储热装置性能测试与评定

陈 雷， 赵旭章， 闫水海， 金永强， 邢作霞

（1.沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870；2.新疆互力佳源环保科技有限公司，乌鲁木齐 830022）

0 引言

固体电制热储热装置作为储能的一种方式，通过将低谷电转化为热能储存在储热材料中，在用电高峰时段提供热能供用户使用。为了最大程度发挥固体电制热储热装置的优势，进行储热装置的性能测试与评定是必不可少的一个环节［1-3］。

目前国内外针对固体电制热储热装置性能测试与评定的相关方法较少。2016年美国提出过相变储热装置和显热储热装置的热工性能试验方法［4］。德国对装置的电气安全提出了测试方法。国内的测试主要集中在供暖效果实际应用的测试和水蓄热装置的性能指标测试［5-6］。目前储热装置产品有固蓄和水蓄等多种形式，但测试人员对储热装置性能指标评定缺乏统一的步骤方法，不同方法所测的结果差异较大，难以真实反映产品的运行效果［7-8］。

以实际应用平台和设备运行数据为依托，本文通过设计测试平台和测试指标，应用提出的测试方法验证了实际产品的适配性，提出了部分性能参数的测试内容和方法，在已有标准的基础上补充了测试步骤和方法［9］。

1 测试平台构成及设计

1.1 测试平台构成

整个储热测试平台包括储热部分、热转换供暖输出设备、外部控制部分和测量附属设备。外部控制部分有人机交互界面、外部PLC控制设备和低压开关柜，储热部分包括储热砖和加热丝，热转换供暖输出设备有气水换热器和变频风机。其中测量附属设备包括：温度检测系统、循环补水系统、热量计量系统及运程监控系统。图1所示为测试平台示意图［10-12］。

图1 储热装置测试平台示意图

1.2 测试系统设计指标

本装置GDRX-3480-07/17现安装在辽宁省某办公大楼，设计参数如下：储热体体积175 m3，额定电压380 V，额定电流1.322 kA，额定储热量6.09 MW·h，储热体功率800 kW，储热时间8 h，释热时间16 h，储热体最高温度850℃，储热体最低温度270℃，额定出水温度50℃，额定回水温度40℃，换热器额定功率1.60 MW，储热介质镁砖，换热介质空气。

1.3 数据采集内容及工具

测试内容包括储热阶段、静置阶段和释热阶段3个阶段的性能指标测试。其中储热阶段测试内容主要有：储热体加热丝电压、供电电流、储热体温度以及装置外壳环境温度等。测量储热装置温度需要多个测点检测装置的均温性。静置阶段需要测试的内容有：储热体表面温度和外壳环境温度。释热阶段需要测试的内容有：储热装置的进水温度、出水温度、进风温度、出风温度和储热体温度。

装置的三相供电电压、电流和有功功率利用型号ZR2080W3的多功能表测量，测量点主要是高、低压开关柜中的断路器；进、出水温及水流量利用型号TDS-100Y的一体式超声波热量表测量［13］，铂电阻型号为Pt100，测量周期10 s，每个测量周期采样次数64次。为了使得到的数据更精确，传感器放置在流场分布均匀的地方，且充分远离阀门和泵等干扰源［14］；储热体温度利用型号WRN-310的K型热电偶放置于储热体内，为了判断储热装置的均温性，如图2所示在储热装置内部设置10个测温点，且测温热电偶在储热主体中分布尽可能均匀；进、出风温度由Pt100铂电阻放置于风道口处进行测量。

图2 各测温点分布示意图

2 测试方法

2.1 储热装置储热阶段性能测试

储热时，储热装置通电后，经电阻丝加热储热介质将电能转化为热能保存起来，通过循环风机吹出的冷风将热量带到换热器用于加热供暖出水。测试步骤如下：

第1步测试开始前，进行储热装置试运行，运行时间一般为24 h或24 h的整数倍，确保储热装置和测试设备处在平衡运行状态。

第2步 在试运行测试周期完成后，加热储热装置，当温度达到目标温度时停止加热。在测试过程中上位机每隔10 min记录一次储热体温度和消耗的电能，观察储热装置在一个测试周期各项指标的变化，同时持续记录环境温度。

第3步 绘制储热曲线图。计算储热单元储热量、储热速率、储热装置效率。

储热单元储热量

式中：Q1为储热装置储热量，kW·h；c为比热容，J/（kg·℃）；ρ为储热体密度，g/cm3；V为储热体体积，m3；T1为储热装置加热开始时储热体温度，℃；T2为装置稳定在设定温度时储热体温度为，℃。

储热速率

式中：v1为储热速率，J/s；Δt1为储热装置蓄热时间，s。

储热装置效率

式中：η为储热装置效率，%；P1为储热装置储热阶段消耗电能，kW·h。

2.2 储热装置静置阶段性能测试

储热装置储热过程完成后，在峰谷电价相隔时间段使储热装置处于静置状态，用热成像仪测量储热单元表面温度分布，通过上位机记录储热装置温度变化，同时测量储热装置外壳处的环境温度，评估其保温特性［15］。测试步骤如下：

第1步测试应在储热装置储热阶段结束后开始进行；

第2步在释热阶段开始前记录静置阶段时间，记录储热装置温度和环境温度的变化，测试过程结束后，计算储热装置最大静置热损失率和平均储热电功率。具体计算如下：

最大静置热损失率

式中：e为最大静置热损失率，%；Em为最大静置漏热测试的总耗电量，kW·h；τs为最大静置漏热测试的时长，s；Pave为储热装置的平均储热电功率，kW，

式中：E1为通电储热过程的总耗电量，kW·h；τ1为通电储热过程的时长，s。

2.3 储热装置释热阶段性能测试

第1步 开启变频风机进行热量传递，根据供暖要求调整变频风机风速，使试验机组中的热量持续输出，经过换热器提供供用户使用。从储热装置加热供暖回水开始记录，直到储热装置完成加热后试验结束。释热过程中通过上位机每隔10 min记录一次进水温度、出水温度、储热体温度和水流量，观察在一个供暖周期内装置各指标的变化是否满足供暖需求［16］。

第2步 绘制释热曲线图。计算储热装置释热量、释热速率、释储热量比和系统效率。具体计算如下：

储热装置释热量

式中：Q2为储热装置释热量，kW·h；T3为释热开始时储热体温度为，℃；T4为释热结束时储热体温度，℃。

释储热量比

式中，K为释储热量比，%。

释热速率

式中：v2为释热速率，J/s；Δt2为释热时间，s。

系统效率

式中：ηgl为系统效率，%；P2为储热装置消耗电能的总和，kW·h。

3 实验验证

实例来源辽宁省某办公大楼，年供暖时间为180 d，每天供暖时间主要集中在6：00～22：00。对储热装置温度、供暖出水温度、变频风机频率等数据进行采集，取一个储热周期（24 h）的数据进行如下分析。储热装置测试实物平台如图3所示。为了确定固体电制热储热装置性能的优劣，实验需要进行装置温度、进出风温度、出回水温度、风机频率、储热速率、释热速率和均温性等各种指标的验证。

图3 储热装置性能测试实物平台

（1）储热装置温度功率数值分析。储热装置的储热时间为8 h左右，储热装置的温度从约300℃上升到850℃左右，如图4所示。储热装置温度在有限时间内增加明显，说明该装置加热丝和储热砖设计合理具有良好的适配性，保证了储热装置温度达到设计要求；储热装置放热时间为16 h左右，储热装置温度从850℃左右变化到300℃左右，储热体温度呈线性降低，释热效果明显，供暖热水时间满足日供热需求，说明装置外部换热器和变频风机选型合理，设备参数要求满足供暖需求，保证储热装置能够在预设的时间内有足够的热量来满足办公楼需求。

图4 储热体温度和功率变化曲线

（2）进出风温度与风机频率数值分析。验证结果如图5所示，从晚上22：00到次日6：00出风道温度处于上升阶段，出风温度最高为500℃左右，此时办公楼需要热负荷较小，风机频率较低，出、回风温差大但风量较小；从6：00～22：00办公楼对热量需求较大，由于出风道温度随储热体温度逐渐下降，出、回风温差也逐渐降低，通过提高风机频率使换热风量增大，保证出风温度能持续加热供暖出水用于办公楼供暖。

图5 进出风温度和频率变化曲线

（3）出回水温度和温差数值分析。在图6中，供暖出水温度维持在45℃左右，储热装置出水温度和回水温度在1个周期内变化幅度较小，温度变化趋势一致且在合理范围内；同时，储热装置出、回水温差在2℃以内且保持恒定，换热性能满足办公楼需求，表明换热器和循环风机可以在不同时间段满足出回水温度要求。

图6 出回水温度和温差变化曲线

（4）出水温度，储热装置温度和风机频率数值分析。当储热装置在夜间加热时，储热装置温度逐渐升高，变频风机频率较低，供暖出水温度保持在50℃左右，符合测试设定范围。在纯放热情况下，储热装置温度逐渐下降，变频风机的频率上升到45 Hz左右进行热量传递，供暖出水温度一直保持在50℃左右，达到预设的温度范围，验证结果如图7所示，由图可知，通过自动控制系统调节变频风机频率保持出水温度稳定满足供暖需求。

图7 出水温度、储热装置温度和风机频率变化曲线

（5）1个周期内储热装置热量和速率数值分析。如图8所示，在图8（a）中，储热装置储热量峰值在凌晨6：00可到达5694 kW·h，该储热装置额定储热量理论值为6090 kW·h，储热时间7 h以上，储热速率变化不大，变化情况符合理论要求，说明储热装置储热效果较好；由图8（b）可知，释热量约为5044.3 kW·h，纯释热时间17 h，释储热量比为82.8%，剩余热量较少，释热速率变化波动不大，释热效果好，供暖满足办公楼日常的要。

图8 1个周期内储热装置热量和速率变化曲线

（6）储热装置多个测点温度数值分析。通过选取5个测温点的数据绘图进行装置均温性验证，结果如图9所示。一个时间周期（24 h）内储热装置各测温点温度变化趋势皆一致，各测温点之间温差皆小于20℃，且随着装置的运行各测温点之间温差逐渐变小，且变化幅度趋于平稳，通过多个测点数据表明固体电制热储热装置均温性较好。

图9 1个周期内储热装置温度变化曲线

4 实验结果与分析

根据测试方法对储热装置的各项关键内容进行测试和计算，结果如表1所示。通过表1的测试内容可以看出储热装置部分性能测试结果与装置的设计参数存在一定的误差，但在储热装置的实际使用方面不会产生较大影响，其中系统效率达到了93.6%，与燃煤锅炉供暖相比起到了节能减排的作用。

表1 储热装置性能测试结果

5 结语

本文设计的储热装置测试平台和评定指标，通过制定储热装置在不同运行阶段的测试步骤及关键参数，经实物平台实验、验证和测试结果表明：储热装置在不同阶段下的温度、热损失率和系统效率满足用户的实际使用要求；提出的储热装置测试和评定方法有效且合理。该测试方法操作简单，具有强的实用性，可满足不同材料的储热设备进行性能测试。固体电制热储热装置作为一个新型清洁供暖产品，随着蓄热产品的不断更新，储热型电加热装置测试和评定标准的建立还需要进一步完善。