光熱與電極鍋爐聯合供暖方式的研究

北京瑞特愛能源科技股份有限公司 ■ 韓圍棋

0 引言

目前，我國的能源結構主要為煤炭、石油等化石能源。但由于化石能源燃燒會產生二氧化碳、二氧化硫等有害物質，加快了溫室效應，破壞生態環境，因此，我國政府出臺了一系列支持清潔能源發展的政策。

太陽能作為重要的清潔能源，目前其利用方式主要有光伏發電和光熱轉換兩大類。其中，太陽能光熱轉換是指利用特定裝置及工質，通過反射、吸收或其他方式將太陽輻射能集中起來轉換為溫度足夠高的熱能，以滿足不同的需求[1]。

由于太陽能受天氣因素的影響較大，因此可在日照充足時采用儲熱裝置，將富裕的太陽能儲存起來；但若出現連續陰雨天氣，所儲存的能量用盡時，就需要一種可靠穩定的供熱類型來起輔助作用。

國外關于光熱與其他輔助能源聯合供暖的案例已有很多。如奧地利Graz體育中心的太陽能供熱采暖工程就是在體育館屋面安裝1470 m2的太陽能集熱器，將其產生的熱量輸入集中供熱網，該工程中，太陽能供熱量占冬季總供熱量的10%。德國漢堡Bramfeld區域供熱工程共安裝了3000 m2的太陽能集熱器，同時與燃氣鍋爐相結合供熱[2]。通過以上案例可以看出，國外的光熱供熱是與供熱管網連接，或與其他加熱方式相結合。而我國的光熱與其他能源相結合的供暖方式尚處于初步發展階段，仍需更多實際案例進行驗證。本文介紹了一種光熱與電極鍋爐相結合的供暖方式。

1 關于電極鍋爐的介紹

1.1 電極鍋爐的工作原理

電極加熱是指對電極之間的電解質溶液施加電壓，可使電解質溶液產生焦耳熱。電極鍋爐的電極將含有一定量電解質的水當作加熱電阻，進行加熱，其結構如圖1所示。在電極盤和內筒之間施加10 kV的電源，電極盤上有一定數量并以一定形狀分布的曲棍電極，當曲棍電極和內筒之間加入含有一定量電解質的水后，二者之間就產生了一定的均勻分布的電流，保證了三相平衡，此時水會作為電阻而被加熱。通過實驗發現，水非但不會被電解，且穩定性好，其比常規電阻絲的壽命更長。

圖1 電極結構圖

電極鍋爐是將10 kV的高壓電直接通到電極鍋爐的電極上，使加入電解質的水產生電流發熱。由于電極鍋爐利用的是水的自身發熱，因此溫升速度非常快。在相同電解質濃度下，電極鍋爐的加熱功率不僅會隨著電極間的電壓升高而加大，還會隨著含有電解質的水與電極和內筒接觸面積的增加而加大。電極鍋爐結構圖如圖2所示。可通過控制電極與內筒之間的含有電解質的水的接觸面積(也可通過改變絕緣控盾的位置或控制水位高低的方式來改變此接觸面積)來改變鍋爐加熱功率的大小，這種調節接觸面積的方式屬于無極調節，并且啟動迅速，比使用電阻絲階段式功率調節的電阻鍋爐更加穩定。

圖2 電極鍋爐結構圖

電極鍋爐的功率在4～50 MW之間，最高水溫可達190 ℃，電流一般在400～5000 A之間；電極鍋爐中的水是阻性負載，相同功率的電極鍋爐的電導率在水溫25℃下為固定值，功率越大，電導率越高，一般在40～60 μs/cm之間。

電極鍋爐可直接由高壓電加熱，無需變壓器，大幅增加了加熱效率，減少了能源損失，加熱效率可達99.5%以上；其采用密閉系統，所用電解質為常用藥品，濃度低、污染小；由于其可以直接進行電加熱，且可通過調節電極和水接觸面積來控制鍋爐功率，所以可做到隨時啟停，啟動速度快，可以利用清潔電能進行無污染的區域供暖。

1.2 電極鍋爐的優勢

對于其他供暖方式而言，在寒冷地區，空氣源熱泵的加熱溫度無法滿足供熱需求，因此，其不適用于寒冷地區大規模供暖；地源熱泵的初投資太高，而且在太陽能資源較好的地區，水資源并不豐富，因此該方式也不太適合。燃氣鍋爐雖然使用了天然氣，但仍然會增加碳排放，并且在一些缺乏天然氣的地區會大幅增加成本，因此也不是最優選擇 。

相對于電阻鍋爐，電極鍋爐可靠耐用、壽命長、可長時間待機、啟動速度快且可在2 min之內達到滿功率運行。更重要的是，電極鍋爐的快速啟停可降低其對電網造成的沖擊。在費用方面，由于電阻鍋爐需要增加變壓器，使初投資增加，且其效率稍低，導致其運行費用略高于電極鍋爐。在技術方面，由于電阻鍋爐采用加熱管加熱，壽命沒有電極壽命長，加熱速度比電極加熱慢，且不能無極調節。綜上所述，電阻鍋爐不適用于大型區域供暖。

相對于電極鍋爐，燃氣鍋爐的初投資較小，但是二者的運行費用需要根據當地的電價和氣價進行對比。以20萬m2的供暖面積、120天的供暖時間為例，根據供暖行業的經驗數據，采暖熱指標為40 W/m2，所需鍋爐功率為8 MW。對比電極鍋爐和燃氣鍋爐1年的運行費用。

電極鍋爐運行費用的公式為：

式中，供暖電價為恒定電價，取0.3元/kWh；電極鍋爐功率為8 MW；電極鍋爐效率取99.5%。

燃氣鍋爐運行費用的公式為：

式中，燃氣鍋爐容量為12 t/h，相當于功率為8 MW；燃氣鍋爐熱效率取90%；天然氣熱值為37 MJ/Nm3；氣價為2.77元/m3。

根據相關數據計算可以得到，電極鍋爐1年的運行費用約為695萬元，燃氣鍋爐1年的運行費用約為690萬元。可以看出，當供暖電價為0.3元/kWh、氣價為2.77元/m3時，電極鍋爐和燃氣鍋爐1年的運行費用相差不大。但是上述氣價是以較低價格進行計算的，還會有波動，而供暖電價在許多地區已低于0.3元/kWh。因此在一些電價政策較好的地區，采用電極鍋爐供暖的經濟收益優于燃氣鍋爐。同時，燃氣鍋爐還具有一定的危險性，并會有一定的碳排放，且在天然氣缺乏地區會大幅增加安裝成本。

2 光熱與電極鍋爐聯合供暖方式

光熱與電極鍋爐聯合供暖方式的關系圖如圖3所示。

圖3 光熱與電極鍋爐聯合供暖方式的關系圖

將電極鍋爐與利用光熱轉化的熱能相結合進行供暖的方式，是在日照充足時，利用太陽能進行蓄熱；當太陽能無法滿足供熱和蓄熱需求時，啟動電極鍋爐給儲熱罐蓄熱。電極鍋爐可使用光伏發電、風電等清潔能源電力作為工作力。

3 實際案例

本文以內蒙古旭宸能源有限公司的某光熱與電極鍋爐聯合供暖的項目為例進行分析，并對供暖期光熱的供熱量進行了計算。

內蒙古旭宸能源有限公司在包頭市宏慶德村建成了10萬m2的光熱鏡場，利用反射鏡收集太陽能熱量，以滿足居民的用熱需要。自2016年10月開始，包頭奧特萊斯、中城?國際城就使用上了光熱供暖。該光熱鏡場可滿足50萬m2的供暖面積，其與設備間的9個5700 m3的儲熱罐組成了龐大的儲熱系統，該系統能夠在連續7天陰天的情況下，保證50萬m2采暖區的供暖[3]。

圖4為2017～2018年供暖期包頭市的日均溫度和天氣情況。該市供暖期共162天，其中，晴天105天，多云天氣31天，雨雪等天氣共26天。可以看到，不利于光熱供暖的天數多達57天，占供暖期天數的35%。

圖4 2017～2018年供暖期包頭市的日均溫度與天氣情況

該項目儲熱罐儲存的熱量G儲為：

式中，c為水的比熱容，J/(kg?℃)，此處取4187；m為9個儲熱罐中水的重量，t，此處取51300；η為儲熱效率，取0.85；Δt為儲熱罐的冷熱溫差，℃，此處取40。

代入相關數值可得，G儲約為7300 GJ。

若連續7天陰天，假設這段時間光熱產生的熱量為零，則50萬m2供暖面積所需的熱量為：

其中，包頭地區節能50%建筑耗熱量指標取21.3 W/m2，則可得到G需為6440 GJ。

此處包頭地區供暖期平均氣溫取-6.2 ℃，進一步計算連續7天陰天出現嚴寒天氣時所需熱量G寒為：

式中，Δt寒為室溫與7天陰天出現嚴寒天氣的平均氣溫的溫差，℃，此處取38；Δt平均為室溫與包頭地區供暖期平均氣溫的溫差，℃，此處取24.2。

根據式(5)可知，G寒為10112 GJ。

因此可以發現，當連續7天陰天出現嚴寒天氣時，僅依靠光熱的儲熱罐的儲熱量無法滿足實際供暖需求，需要與其他能源結合。

圖5 包頭市2017～2018年供暖期日均氣溫與日需熱量的關系

由圖5可以看出，在2017年11月22日～2018年1月22日期間，日均溫度逐漸下降到最低，但日需熱量逐漸增加。若此段時間內遇到連續日照不好的天氣，光熱供熱量無法滿足供熱和蓄熱需求時，需要使用可快速啟動的設備作為能源補充。一般可選用熱泵或電極鍋爐作為輔助熱源，但由于熱泵在北方寒冷地區效率低下，甚至無法啟動，因此，電極鍋爐成為了保障供暖需求的最優選擇。

該供暖系統采用了北京瑞特愛能源科技股份有限公司生產的1臺10 MW和1臺6 MW的電極鍋爐作為輔助熱源進行補充供熱。電極鍋爐的電壓為10 kV，一次側設計溫度為95/65 ℃，二次側溫度為90/50 ℃。電極鍋爐作為光熱供暖的輔助熱源，在陰雨天氣時將儲熱罐的溫度加熱至90 ℃，在日照充足時不開啟。電極鍋爐可以使用棄風電量或低谷電，既利用了清潔能源，又平衡了電網壓力，并且降低了成本。

圖6 包頭旭宸項目中的電極鍋爐

1 MW電極鍋爐運行1 h產生的熱量G小時為3.6 GJ。當連續出現7天嚴寒天氣時，16 MW電極鍋爐產生的熱量G鍋爐為9676.8 GJ。通過上述計算發現，G鍋爐+G儲＞G寒。由此可知，電極鍋爐配合蓄熱罐的熱量可以滿足連續出現7天嚴寒天氣所需的熱量。

圖7為電極鍋爐系統圖。可以看出，電極鍋爐可以直接供暖，也可以給儲熱罐蓄熱，可以很好的與光熱供暖互補。

圖8、圖9分別為該項目中電極鍋爐在2018年1月15-18日之間的運行狀態圖和出水、回水溫度曲線圖。

圖7 電極鍋爐系統圖

圖8 2018年1月15-18日電極鍋爐運行狀態圖

由圖8可以看出，電極鍋爐具有啟動迅速，可以快速達到設定功率的特點。該特點非常適合滿足光熱供暖不足，需要快速補充熱量的需求，同時其也可以利用便宜的低谷電和清潔電力。

由圖8還可以看出，電壓是決定電極鍋爐功率上限的因素，在電壓固定時，電極鍋爐功率變化非常迅速。

圖9 2018年1月15-18日電極鍋爐出水、回水溫度曲線圖

由圖9可以看出，電極鍋爐的出水溫度隨著鍋爐的運行和停止而變化，且變化非常迅速，可在很短時間內達到設定溫度值。這是因為電極鍋爐是以加入電解質的水作為發熱電阻，電壓達到10 kV時，通過電極鍋爐中加入電解質的水的電流巨大，可超過1000 A，使含有電解質的水迅速發熱。電極鍋爐回水溫度變化則沒有那么迅速，因為二次側和儲熱罐的熱量遠大于電極鍋爐一次側系統內溫度，導致一次側系統回水溫度不會變化太快。

在實際使用過程中發現，盡管該項目中的光熱鏡場足夠大，但在惡劣天氣時，仍需要電極鍋爐作為該地區供暖的主要熱源。在2017～2018年供暖期，共開啟10 MW電極鍋爐87天，6 MW電極鍋爐58天。實際開啟天數比上文中計算天數多出很多，這可能也與儲熱罐使用的不銹鋼強度不夠，導致高徑較小、散熱面積過大、儲熱效率降低有關。

4 結論

通過對包頭市某光熱與電極鍋爐聯合供暖的項目進行分析可以發現，目前電極鍋爐可以在電價合適的寒冷地區作為輔助與光熱供暖結合的輔助熱源，其優勢是其他類型熱源無法代替的。尤其是其具有耐用、壽命長、啟動快、發熱量大、發熱效率高、安全環保等優勢，可作為北方地區與光熱供暖互補的主力技術。并且在此項目實際案例中，電極鍋爐確實起到了保障供暖需求的重要作用，同時也驗證了光熱與電極鍋爐結合的可行性。