固體蓄熱技術(shù)及應(yīng)用

朱衛(wèi)東，任志遠(yuǎn)，向成兵，鐘衛(wèi)華，徐卿濤

（煙臺(tái)東方能源科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

近年來(lái)，我國(guó)“煤改電”行業(yè)大力發(fā)展，許多新型電力采暖設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，谷電蓄熱采暖成為其中的主流形式。而固體電蓄熱技術(shù)更是谷電蓄熱形式的佼佼者，普遍應(yīng)用于區(qū)域采暖改造、電廠深度調(diào)峰和工業(yè)生產(chǎn)用熱等領(lǐng)域。

1 固體電蓄熱原理

1.1 固體電蓄熱原理

固體蓄熱是一種利用低價(jià)電時(shí)間段將電能轉(zhuǎn)化為熱能存儲(chǔ)于固體蓄熱材料中，在需要提供熱量時(shí)通過(guò)必要的取熱手段進(jìn)行熱量釋放的蓄熱方式。其工藝流程為：加熱→固體蓄熱存儲(chǔ)→取熱→熱交換→供熱末端。固體蓄熱利用了物質(zhì)固體形態(tài)的熔點(diǎn)高、密度大、導(dǎo)熱快的特點(diǎn)。

圖1 常見(jiàn)的固體電蓄熱結(jié)構(gòu)

1.2 固體電蓄熱的特點(diǎn)

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

固體電蓄熱的優(yōu)點(diǎn)有：蓄熱溫度高、占用空間小、蓄放熱效率快、控制工藝簡(jiǎn)單安全、蓄熱性能穩(wěn)定、無(wú)腐蝕無(wú)污染、設(shè)備運(yùn)行安全系數(shù)高、可應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及維護(hù)可操作性強(qiáng)等。

1.2.2 缺點(diǎn)

固體電蓄熱的缺點(diǎn)有：蓄熱體笨重、取熱代價(jià)高、高低溫放熱穩(wěn)定性差、加熱絲（或帶、或管）選型難度大以及換熱器磨損嚴(yán)重等。

2 蓄熱體物理結(jié)構(gòu)

2.1 蓄熱體形式

按照取熱方式，蓄熱體分為內(nèi)置式與外置式。

圖2 蓄熱體形式

2.2 固體電蓄熱的結(jié)構(gòu)組成

蓄熱磚以95#鎂、92#鎂、鎂鐵磚、鎂碳磚、紅磚、高鋁磚和石墨等為主。

配電柜包含高低壓配電柜、智能電控柜，部分特殊應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)也會(huì)包含高壓電源變壓器柜、高壓開(kāi)關(guān)柜等。風(fēng)道提供循環(huán)風(fēng)回路，包括進(jìn)出風(fēng)室、換熱器室、換熱器回風(fēng)室和風(fēng)機(jī)風(fēng)筒等。

電熱絲以鐵鉻鋁、鎳鉻合金為主。保溫層包含內(nèi)膽、防火層、保溫層、密封層及外殼。風(fēng)機(jī)采用高溫離心風(fēng)機(jī)，常見(jiàn)的有皮帶傳動(dòng)式離心風(fēng)機(jī)和直聯(lián)離心風(fēng)機(jī)兩種。換熱器包括空氣-熱水、空氣-空氣、空氣-蒸汽、空氣-導(dǎo)熱油等類(lèi)型；根據(jù)結(jié)構(gòu)，換熱器又分為管殼式、高效翅片管式和高頻焊螺旋翅片式等。

2.3 固體電蓄熱結(jié)構(gòu)性能的決定因素

蓄熱池的質(zhì)量與蓄熱設(shè)備的總蓄熱量成正比；高溫風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與蓄熱設(shè)備的最低有效蓄熱溫差成反比，與放熱速度成正比，與循環(huán)風(fēng)阻成反比；換熱器的大小決定了最大放熱能力；加熱絲（或帶、或管）的電阻值決定了蓄熱設(shè)備的最大加熱能力；保溫層的厚度與保溫效率成正比，與熱損失成反比；高溫風(fēng)機(jī)、換熱器、加熱絲均為易損件。

3 蓄熱體的熱學(xué)計(jì)算

蓄熱能力，是指單位質(zhì)量（或體積）下，介質(zhì)的熱存儲(chǔ)能力。介質(zhì)蓄熱能力的計(jì)算方法為：

式中，Q為介質(zhì)吸收（或放出）的熱量，J；m為介質(zhì)的質(zhì)量，kg；C為介質(zhì)的比熱，J/（kg·℃）；Δt為介質(zhì)的變化溫度，℃。

表1 幾種常見(jiàn)物質(zhì)蓄熱能力的對(duì)比

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算可知，單位容積內(nèi)，MgO的儲(chǔ)熱能力大約是水的4.9倍，是導(dǎo)熱油的5.5倍。與水和導(dǎo)熱油相比，95#MgO磚的工程經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)熱能力較強(qiáng)。

4 工程應(yīng)用組成形態(tài)

固體蓄熱設(shè)備是一種熱源設(shè)備，可用以直接替代傳統(tǒng)的燃煤、燃油、燃?xì)獾葻嵩葱问剑渑涮赘綄傧到y(tǒng)與傳統(tǒng)熱源一樣，所以需要對(duì)熱源本體進(jìn)行替代，方便工程安裝應(yīng)用[1]。常見(jiàn)固體蓄熱設(shè)備用于供熱的組成形態(tài)如圖3所示。

5 常見(jiàn)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

基于電加熱式固體蓄熱設(shè)備的運(yùn)行需求和經(jīng)驗(yàn)，東方電子在此基礎(chǔ)上研發(fā)推出了以下幾種綜合利用系統(tǒng)：新型樓宇冷熱源系統(tǒng)、蓄熱式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)、蓄熱式導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)、蓄熱式蒸汽鍋爐系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)式電蓄熱系統(tǒng)[2]。

5.1 新型樓宇冷熱源系統(tǒng)

新型樓宇冷熱源系統(tǒng)，利用電加熱蓄熱設(shè)備與水蓄冷或冷水機(jī)組組合成一整套空調(diào)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的中央空調(diào)，充分利用低谷電，解決現(xiàn)代城市空調(diào)耗電量高、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高等問(wèn)題。利用新型樓宇冷熱源系統(tǒng)，設(shè)備投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，無(wú)污染。

新型樓宇冷熱源系統(tǒng)作為一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，在不增加用戶(hù)初期投資的基礎(chǔ)上，可滿足用戶(hù)冬季供熱和夏季制冷的需求，設(shè)備主要使用夜間低谷電時(shí)段用電，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)可降低65%。

新型樓宇冷熱源系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合有：可為酒店、賓館、會(huì)所和度假村等提供中央空調(diào)冷熱源配套及生活熱水；可為辦公樓、寫(xiě)字樓等提供中央空調(diào)冷熱源配套；可為醫(yī)院、學(xué)校等公共建筑或公建單位提供中央空調(diào)冷熱源配套；可為劇場(chǎng)、體育館和游泳館等類(lèi)似場(chǎng)合提供中央空調(diào)冷熱源配套及生活熱水

圖3 常見(jiàn)固體蓄熱設(shè)備用于供熱組成形態(tài)

5.2 蓄熱式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)

蓄熱式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)在低谷電期間將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲(chǔ)，在電價(jià)價(jià)高的用電時(shí)段將熱能以熱風(fēng)的形式送入烤箱（烘干室）內(nèi)，實(shí)現(xiàn)烤箱（烘干室）快速升溫，提高烘烤效率，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本[3]。

5.3 蓄熱式導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)

蓄熱式導(dǎo)熱油鍋爐利用夜間低谷電存儲(chǔ)熱量，最高儲(chǔ)存800℃的爐溫，然后24 h（夜間可以邊蓄熱邊放熱）提供恒溫導(dǎo)熱油，溫度控制精度±1℃，最高油溫可達(dá)250℃，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，具有環(huán)保節(jié)能、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。

5.4 蓄熱式蒸汽鍋爐系統(tǒng)

蓄熱式蒸汽鍋爐系統(tǒng)在低谷電期間將電能轉(zhuǎn)化成熱能并存儲(chǔ)，最高儲(chǔ)存800℃的爐溫，高溫?zé)犸L(fēng)吹入蒸汽發(fā)生器內(nèi)，可產(chǎn)生100～200℃的飽和蒸汽。

5.5 風(fēng)光互補(bǔ)電蓄熱系統(tǒng)

可將風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)的電直接轉(zhuǎn)化成熱能并儲(chǔ)存在蓄熱體中，為用戶(hù)提供持續(xù)、穩(wěn)定的熱源，提高風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用率，提高風(fēng)電、光伏系統(tǒng)發(fā)電小時(shí)數(shù)。風(fēng)光互補(bǔ)蓄熱系統(tǒng)不僅能滿足正常取暖、熱水的需求，還能降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏，對(duì)推動(dòng)風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有積極作用。

6 結(jié)論

近幾年，霧霾天氣在我國(guó)時(shí)常出現(xiàn)，已經(jīng)成為人們生活關(guān)注的焦點(diǎn)，頻繁的霧霾天氣嚴(yán)重危害人類(lèi)身體健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為此，各城市相繼出臺(tái)環(huán)境治理、燃煤污染的解決方案和獎(jiǎng)懲政策。未來(lái)將逐步淘汰污染大、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、能耗指標(biāo)高的燃煤鍋爐和燃煤工業(yè)爐窯，根據(jù)政策導(dǎo)向和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向，提倡以新能源替換，其中低谷電蓄熱供熱技術(shù)是主要的能源替代技術(shù)之一。當(dāng)前有必要大力推廣應(yīng)用固體蓄熱技術(shù)，對(duì)于能源使用者來(lái)說(shuō)，能源消耗總量不減反增，能源費(fèi)用成倍減少；對(duì)于能源供給者來(lái)說(shuō)，其可以實(shí)現(xiàn)電能的“移動(dòng)填谷”，提高利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源。這樣最終有利于能源使用者和能源供給者實(shí)現(xiàn)雙贏。