電能代替及蓄熱裝置在供暖改造中的應用研究

趙維娜 葉雨澄 丁艷 馬雪超

摘? 要：隨著經濟和社會的發展，能源和環境兩大難題日益凸顯。石油和天然氣為非清潔能源且不可再生，存儲量告急。用電峰谷差距較大造成電能浪費嚴重，相變蓄熱技術是解決用電峰谷差及時間零排放、零污染的有效手段。相變蓄熱供暖系統能夠解決熱量供應的時間與空間矛盾的問題，是提高能源利用率的重要途徑之一。該文針對蓄熱電鍋爐的蓄熱原理進行簡要介紹，并對市場上成熟的蓄熱鍋爐進行比較，為電能代替及蓄熱裝置在鍋爐改造中的工程應用指明方向。

關鍵詞：電能代替? 蓄熱材料? 供暖改造? 應用

中圖分類號：TU995 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0052-02

能源是經濟與社會發展的命脈，然而人類對傳統化石燃料的過度依賴嚴重影響和制約著自然環境的良好維護及其可持續發展。伴隨著當今社會與經濟逐步向現代化推進，我國的能源生產總量與消費額已躍居世界前列，但諸如能源結構不完善、利用效率普遍不高、開發水平低等一系列問題依然亟待解決。

當前，城市區域對電力資源的科學合理使用的重要舉措是轉移電力高峰用電量，平衡電網峰谷差，提高現有發電設備和輸變電設備的使用率，這樣可以減少傳統能源使用引起的環境污染，充分利用有限的不可再生資源，平衡生態環境。

與傳統的燃油燃氣鍋爐相比，電鍋爐具有明顯的零排放、零污染優勢。電鍋爐儲能蓄熱采暖是以電鍋爐為熱源利用城市電網供電峰、谷時段電價差在谷電時段開啟電鍋爐將熱能存儲到蓄熱裝置中，在電力高峰時段關閉電鍋爐，將儲存在蓄熱裝置中的熱能通過循環泵輸送到供暖末端進行供暖。供暖系統設備滿負荷運行比例增大，提高設備利用率。同時，充分利用變壓器和高低壓配電柜用電低谷時段利用率提高。

1? 蓄熱材料

蓄熱材料是蓄熱式電供熱設備的技術核心。蓄熱材料的物理屬性決定了蓄熱式電鍋爐的供暖系統布置方式和適用范圍。只有單位質量（體積）蓄熱量大、溫度波動小（儲、放熱過程近似等溫）、化學穩定性高和安全性強的材料才能夠更好地滿足我國北方冬季供暖需求。目前，蓄熱方式主要有4種：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、熱化學反應蓄熱、吸附蓄熱。

1.1 顯熱蓄熱

將物質發生溫度變化時所吸收或釋放的熱能存儲起來，如較高溫度的水降低溫度，需要向外界釋放熱能，從而達到升高外界溫度的效果。常見的顯熱蓄熱材料有水、巖石和陶瓦粒等，由于水和巖石等熔、沸點較低，所以，這類蓄熱材料一般用于中低溫環境。

1.2 潛熱蓄熱

即相變蓄熱，就是利用熱能使物質發生相變（如固態與液態之間的轉換），將相變過程吸收或釋放的熱能存儲起來，在需要時釋放出去，達到制冷或制熱的效果。潛熱蓄熱主要利用物質相變過程，所以又稱相變蓄熱，分為低溫蓄熱和高溫蓄熱;常見的相變材料主要有石蠟類、融化鹽類和金屬等。

1.3 熱化學反應蓄熱

其是指利用可逆化學反應的結合熱儲存熱能。常見的化學反應蓄熱材料有無機鹽和無機氫化物等。

1.4 吸附蓄熱

吸附是指流體相（含有一種或多種組分的氣體或液體）與具有多孔的固體顆粒相接觸時，固體顆粒（即吸附劑）對吸附質的吸著或持留過程。吸附蓄熱材料的蓄熱密度可高達800～1000kJ/kg，具有蓄熱密度高、蓄熱過程無熱量損失等優點。

其中，熱化學反應蓄熱和吸附蓄熱，市場化程度小和推廣度不高。目前，市場主流的蓄熱鍋爐按照蓄熱材料分為水蓄熱電鍋爐、蓄熱磚電鍋爐和低溫相變蓄熱電鍋爐。

2? 主流蓄熱電鍋爐比較分析

2.1 水蓄熱電鍋爐

水蓄能電鍋爐將熱能存儲在水中。采暖時，以水為介質，將熱能通過循環泵送入室內散熱器。水蓄熱設備物理、化學和熱水學性質穩定，技術成熟，而且水可以兼做蓄熱介質和傳熱介質，在蓄熱系統內可以免除熱水交換器。水是常用溶液中，比熱容最大，熱膨脹系數最小，粘滯性小的液體，適合于自然循環和強制循環的供熱系統。而且水的來源豐富，價格低廉。但是水作為一種電解腐蝕性物質，所產生的氧氣易于銹蝕金屬，且對大部分氣體來說都是溶劑，因而對容器和管道容易產生腐蝕。水凝固時體積膨脹大10%左右，易對容器和管道造成破壞。

2.2 蓄熱磚電鍋爐

電鍋爐通過對蓄熱磚進行加熱，將熱量儲存在蓄能磚中。采暖時，蓄能磚放熱，以空氣為介質，用空氣的熱量對流將供暖系統中的水進行加熱。主要的儲能材料為二氧化硅、三氧化二鐵等。蓄熱磚屬于無機蓄熱材料，無毒無污染，儲熱效率高，占地面積小。但是由于蓄熱磚在蓄熱過程中通過熱空氣傳導，傳熱效率低、動力消耗大、噪音大、熱損失較大，更適用于工業高溫供暖。

2.3 相變蓄熱電鍋爐

電鍋爐通過對相變材料進行加熱，將熱量存儲在相變材料中。采暖時相變材料放熱，將熱量通過換熱器將熱量傳送到室內散熱器。不同種類的相變材料能夠適應于不同的應用環境中。市場上常見的無機相變材料屬于不可燃環保材質。蓄熱能力是正常水蓄熱的5倍以上。相同蓄熱容量條件下，相變蓄熱設備比水蓄熱要小很多。

主要參數對比見表1。

3? 結語

綜上所述，在解決能源和環境兩大難題方面：

（1）電能相比其他能源方式具有零排放、零污染、純電熱管加熱優勢，不受氣候影響。

（2）蓄熱裝置能夠充分利用峰谷電價優勢，有比較好的運行成本優勢。

（3）相變蓄熱模塊與傳統水蓄熱比較，占地面積小，布置方便。

蓄熱電鍋爐結合物聯網技術能夠實現供暖系統高度自動化，理論上實現無人化操作。隨著材料科學的進一步發展，更加優質的相變蓄熱材料將會進一步促進蓄熱裝置的推廣和普及。

參考文獻

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