固体蓄热系统及其技术经济研究

范晋卿，田媛，李弘瑞

（平高集团有限公司，河南 平顶山 467000）

固体蓄热器输入电力，输出热能，在电热转换过程中，建立起热能储存与释放的循环体系。蓄热体是固体蓄热器中储存能量的介质，其材料与结构对蓄热终止时温度的均匀分布情况以及蓄热容量起到了决定性的因素。现阶段，在所有储热介质中，MgO 粉末挤压烧结的MgO 砖的明显优势，具有较高的综合热物理性能，具体包括热膨胀较佳、耐高温性以及良好的热导率等。根据相关研究发现，对单双通道结构以及蓄热体整体孔隙率的参数进行科学的调整，能提高蓄热体尺寸的综合性能。针对蓄热体结构的研究方面，更倾向于蓄热孔数量与形状的改变方面，却很少涉及优化蓄热体结构方面。

1 新能源蓄热技术介绍

蓄热系统包括多种形式，现阶段较为主流的包括：（1）风力发电高温蓄热器系统：通过风力发电机将电能转换为热能，并将其能量存储在风力发电固体的蓄热器内，经常应用到供热水系统与采暖系统中。（2）太阳能光伏发电蓄热系统：吸收太阳能中的热量，实现了光能到电能的转化，而后再将电能转换为热能进行储存，实现了光能到热能转化与存储，满足了客户对热水与采暖的供应。（3）风光互补电蓄热器系统：将太阳能光伏发电与风能转化为热能，并将能量存储到蓄热体，不仅提升了太阳能与风能的利用率，也保证了用户稳定的取暖与持续的供热，使家庭取暖更具安全性与健康性。（4）新型楼宇冷热源系统：该系统由电加热蓄热设备与水蓄冷技术共同组成，采取低谷电代替中央空调的方式，解决了城市办公中诸多问题。（5）电加热式固体蓄热系统：有机融合了热交换技术、电热技术，以及绝热技术等多项先进的技术手段，将蒸汽、热水，以及热空气等多种形态的能量进行输出，是一种可以调节参数的技术综合体。

2 电加热式固体蓄热技术的原理及其系统构成

2.1 工作原理

低谷电固体蓄热技术是一种先进的热工技术，利用夜间低谷电，实现电能与热能的转换，进而将能量储存起来，并将其应用到白天用电高峰期的热水供应与采暖等方面，不仅降低了用电费用，同时还具备节能环保、经济高效等优势。具体的工作原理：（1）在蓄热体中，通过发热介质，将电能转换为热能，利用热交换的方式将热能储存到固体蓄热体内，温度实现了常温到800℃的过渡。（2）蓄热池外的绝热层采取极低导热系数的绝热体材质，保证外界环境与高温蓄热池之间的热绝缘效应。（3）在热量供给过程中，设备需要根据事先设定的参数，如供热量、温度以及相关程序等，在自动变频风机产生的循环高温气流的作用，利用气—水换热器，实现热交换过程，热水通过循环水泵送到末端设备，如淋浴喷头、风机盘管，以及暖气片等。（4）为了保证稳定的传输温度，就需要采取多种控制手段，比如，负载温度波动平均值、回水温差、输出总热量测定，以及出水恒定温度等。上述数值检测数据经过中央电脑的科学处理后，会传输指令到各个控制单元，保证设备的精准运行，并将精度范围缩小至2℃以内。（5）在加热温度超过800℃或者较长的通电加热时间时，用户可以结合自身需求调节参数，设备会根据参数设定内容进行自动化运行。

2.2 电蓄能备系统的构成

电蓄热暖风机组与电蓄热热水机组是固体蓄热系统的重要组成部分，而设备的实体组成为蓄热池、内循环系统、绝热保温层以及换电热器等方面共同构成。

3 固体蓄热系统经济研究

3.1 数值模拟与实验验证

（1）蓄热体结构及物理模型。在工程的具体应用过程中，MgO 砖及蓄热体通常采取夹层蓄热式布置，蓄热层和夹层之间的排列保持交错状态，提高蓄热体在受热过程中结构的稳定性，夹层内部采取MgO 砖形式，将放置电加热丝的蓄热孔间隔出来。在物理模型边界条件的处理过程中，通过蓄热孔周围壁面的热传导的作用，取代蓄热加热元件的热辐射过程，同时，忽略蓄热体中MgO 砖接触面的热阻，并使用绝热材料处理蓄热体外壁，热物性处理上采取非定值参数。（2）数值模拟。对ANSYSWorkbench 中模块开展热力学研究，第一步，使用Solidworks 软件工具建立模型，并将模型导入ANSYSWorkbench 流程图中，分析材料属性，合理设置材料的热物理参数，结合温度、MgO 砖比热容以及热导率三者之间的关系，通过二次函数计算，进而推导出三者关系公式：c（介质比热容）=-9.86×10-5t2＋0.32t ＋952.30，以及λ（介质导热系数）=6.88×10-6-0.018t＋14.34。上述公式中，t 代表介质温度，单位为℃；λ 单位为W/（m·℃）；通过公式可以得出数值模拟参数，采取步长独立性验证或者网格无关，进而得出相应的结果。通常情况下，增加网格节点数不会造成终态温度变化，且时间步长的等比例缩小几乎不会或者小幅影响终态温度。（3）实验验证。首先，建立蓄热体实验模型，合理选择加热丝材料，通常选择3.5mm 直径，以及14mm螺距的镍铬加热丝，连接上采取Y 型接法。利用纤维棉做保温填充物对保温层进行保温，通常纤维棉的厚度为150mm；在外部固定上，采取硅酸棉板，尺寸为50mm。在蓄热体的对称结构中，科学的验证不同部分的温度，需要合理选择温度探测点。铠装型热电偶作为温度传感器，量程的实际范围：0 ～1300℃，并将其放至砖体内，深度控制在50mm 左右，此外，还需要设置单相电阻值、电压值、单相电流、加热功率、电阻丝表面负荷、蓄热的起始与终止温度等，例如，蓄热起始温度通常设置为45℃，而终止温度通常设置为600℃，其他参数设置上就不再一一赘述。

3.2 蓄热体截面结构优化

蓄热体内的砖型规格一样，通用性较强，在砖型不变的前提下，在蓄热体结构中，将其中孔的横向尺寸进行改变，研究影响蓄热性能的程度。因为蓄热体是一种对称结构，所以，在参数化处理的过程中，可以选择1/4 结构的蓄热孔横向尺寸。根据研究结果显示，在蓄热过程进行分析，发现在截面优化后，相比等截面蓄热孔，蓄热容量高达105%，蓄热体10h 蓄热最大温差也开始缩小，缩小幅度大约为20%左右，最高蓄热温度也出现了小幅降低。因此，对蓄热孔的截面进行合理的优化，能明显改善横向分布的温度，但几乎不影响或者较小影响纵向温度的分布。此外，对截面温度的分布图进行对比后发现，无耀化的A-A 峰面温度呈现出凸抛物的方式进行分布，而峰面耀化后的A-A 峰面温度呈现出波动性恒指分布，且后者的峰面温度均值低于前者，说明耀化后，峰面温度的分布情况更具均匀性。

3.3 蓄热功率分布优化

根据祖热蒙率耀化模型进行分析，观察无耀化祖热体纵向温度分布情况，依据模型对商性对加热蒙率变量进行设置，3 个加热蒙率变量，并采用梯度迭代法处理祖热蒙率参数，计算结果后发现，在迭代到第8 次的时候，祖热温度出现了极限值。同时，在第8 次迭代次数下，对比无耀化结构祖热性能参数与祖热性能参数，发现在蒙率耀化后，祖热体优达到目标温度的时出现了小幅增加，最高祖热温度也出现了小幅降低。此外，在祖热体蒙率耀化后，影响了纵向温度的分布状况，但对横向温度的分布产生较小的影响。分析B-B 截面的温度分布的曲线变化情况可发现，在功率优化后，纵向截面温度效果更佳，优化后与优化前的温度界面存在温度差，存在较大的差异性。

3.4 蓄热过程复合型优化

复合型优化指的是在结构优化的前提下，加强对功率的优化。首先，合理选择蓄热体截面优化模型，通过梯度迭代的方式，加强对功率的优化。根据研究结果发现，在10 小时的蓄热过程中，变截面蓄热体最高温度的优化率得到有效提升，且最高温度的最低值也得到明显改善。同时，在温度分布图中我们可以发现，在终止时刻的温度分布情况也得到了有效改善，无论在横向，还是纵向的分布都比较均匀。

3.5 电蓄热方案的经济分析

（1）供电各时间段价格为：基于调查区域内的平价电价发现，23:00 ～07:00 为电价低谷期，持续时间为8 小时，此时基础电价为0.31 元/（kW·h）；而08:30～10:30、18:00 ～19:00，以及21:00 ～23:00 则为用电高峰期，持续时间为5 小时，该时段的基础电价为1.1 元/（kW·h）；尖峰段的具体时间范围是10:30 ～11:30、19:00 ～21:00，此时的基础电价为1.34 元/（kW·h）；而平段时间区间为07:00 ～08:30，以及11:30～18:00，持续时间为8 个小时，该时段的基础电价为0.81 元/（kW·h）。（2）蓄热分析：在电价低谷期蓄热，即23:00 ～7:00 时段，时间为8h，白天供热蓄热（23:00～7:00 低谷电价时段），如果白天供热的负荷降低的话，例如，由于气温升高，或者终端降载量下降，那么通电加热会低于8 个h；如果天气异常，温度远低于日常，可以通过平电时间段定期加热，加热时长为1 ～2h 为宜。总之，采取科学方式计算热量消耗，保持用补平衡。（3）设备选型与运行费用的计算：①依据游泳池的设计尺寸能计算出总水量；然后，计算水温升高一定温差变化过程所需要的热能，并通过给排水的方式补充30%的热能。②通常低谷电的时长为8 个h，每小时补充的热量是补充总量÷8。最后结合管道耗损情况，合理地选择固体蓄水设备。③计算每日所消耗的电能：公式为：实际消耗电能×8h。④运行费用：计算每日设备运行所产生的费用，即总补充热能总量×基础电价，以及设备的固定运行费用，实际所需费用×30，而后即可得知每月的平均消耗。（4）政府给予优惠及补贴。根据国家发改委颁布的文件来看，具体的奖励标准如下：①针对实施移峰填谷技术或者能效电厂等降低高峰期电力负荷或者永久性节能的企业，可以给予一定奖励，例如，广东地区440 元/kW；中西部区域550 元/kW。②在用电高峰期响应需求号召的，给予100 元/kW 的奖励。

4 实例分析

（1）本项目是商业综合体建筑，建筑整体面积为20 多万m2，在健身层开设市民游泳馆，泳池参数为25×12×2（m），深水区为1.6m，浅水区为1.3m，游泳池水温恒定在29℃。（2）热源的选择：本地区缺少一年四季的热源，仅有天然气，如采取天然气锅炉，那么锅炉房位置会受到严重限制，且消防问题也值得进一步考虑。经过全方面衡量，本项目选取ZY-400 电加热固体蓄热炉，保证游泳池的持续蓄热需求，按照30%蓄热的给排水设计，也就是低谷电蓄热时间8 个h，蓄热炉单位小时内电量为400kW，压力为0.4MPa。（3）系统运行与工艺：在低谷电时间段进行蓄热，而在用电高峰期进行供热。在蓄热体内，通过发热介质将电能转换为热能，再利用热交换的方式，将转化的热能储存在固体蓄热体内。在蓄热池外层结构中，使用高等绝热体材料，保证外环境与高温蓄热池之间处于绝缘状态。依据每日不同的供热时段与时间，电脑会依据自身的参数设置控制出水温度，最终实现智能恒温控制的目的，降低对能源的消耗。（4）在本项目工程中，工况设计概况：一次水供水温度控制在70℃，回水温度控制在60℃；而二次水进水温度设计为5℃，出水温度设计为29℃，由自动温度控制器完成对温度的设置。

5 结语

综上所述，相比燃煤锅炉、水箱式电锅炉，电加热式固体蓄热设备的优势明显，通过高温固体蓄热器，结合低谷电蓄热与供水的方式，能有效地降低整体的运行成本，降低范围高达50%，因此，电加热式固体蓄热设备也叫作绿色供热设备，具有环保节能效果。同时，电加热式固体蓄热系统的稳定性较强、工作效率较高，储热能力较强，而且相比燃煤锅炉、水箱式电锅炉，还具备占地面积小、安全性高、污染小、安装简单便捷等优势，此外，在电加热式固体蓄热系统的运行过程中，避开了区域内用电高峰期，不仅体现出了自身的社会价值与环保价值，同时，也与国家移峰填谷政策趋于一致。