居民區相變蓄熱供暖的可行性研究

祝藝丹

(吉林建筑科技學院，長春130114)

隨著人們對居住環境舒適性要求的不斷提升令冬季采暖的傳統分界線被弱化，在積極貫徹和落實綠色發展理念和可持續發展理念的前提下，我國部分地區在冬季采暖過程中已經徹底取消了燃煤方式，轉向運用電能進行采暖，此過程中要維持電力系統的功率平衡與穩定，使填谷消峰措施得到有效落實，對現有電力能源進行充分利用。相變蓄熱供暖措施主要是在夜晚對谷電蓄熱進行充分利用白天進行集中供暖，有效避開白天的用電高峰，這是對深夜用電潛力的深入挖掘和充分利用，是一項有效的節能措施。通過對相變蓄熱供暖措施進行有效應用使傳統供電和用電存在的問題得到有效解決，形成低谷不低高峰不高的良好用電局面。

1 相變蓄熱供暖技術的方式類型

目前，廣泛運用在居民區供暖系統中的相變蓄熱主要分為化學反應蓄熱、顯熱蓄熱、潛熱蓄熱三種方式：(1)化學反應蓄熱方式主要是對可逆化學反應具有的熱效應進行充分利用，實現續熱的目的。化學反應蓄熱方式可以不必采取任何保溫措施，對熱量的消耗較小，具有較大的蓄熱容量，工作環境實際溫度較高，能夠將熱量傳送到較遠距離；(2)顯熱蓄熱方式主要分為巖石床蓄熱方式和水蓄熱方式兩種。顯熱蓄熱方式在產生熱量的過程中，熱量的耗散速度較快，蓄熱容量較小，實際工作環境的溫度較低，無法遠距離傳送熱能，需要采取必要的保溫手段；(3)潛熱蓄熱方式主要是通過對潛熱的吸收或釋放來實現蓄熱目標。在長時間儲存熱能的過程中，會有較大的熱量耗散，而儲熱容量適中，工作環境的實際溫度較低，無法對熱能進行遠距離傳輸，需要采取必要的保溫手段。

在相變蓄熱過程中，由于所使用的物質不同，又可以分為固態—固態相變、固態—液態相變。與顯熱蓄熱方式相比，相變蓄熱能夠使蓄熱量得到大幅度增加；與化學反應蓄熱方式相比，相變蓄熱只需花費較少成本即可得到相同熱量。由此看出，相變蓄熱方式的發展前景較為可觀。

2 相變蓄熱供暖技術的優勢和缺陷

相變蓄熱供暖是一種對熱能進行儲存和運輸的先進技術，主要是對相變材料在相變過程中能夠吸收或釋放大量熱能且這些熱能能夠在較長時間內溫降較小這一特點進行充分利用。通過電鍋爐的轉換，能夠使夜間電力供應低谷階段具有的電能轉化成為熱能，并在相變材料的作用下將這部分熱能進行儲存，將所儲存的熱能在電力供應高峰階段提供給用戶。對相變蓄熱供暖技術展開了大量調查研究，發現相變蓄熱供暖技術具有較高的環保性和安全性，在良好的環境中能夠長時間使用，組成結構簡單，維護和保養極為便利，重點是具有較大的熱量，對熱能的損失較小，對熱能的傳遞和控制極為方便。通過有效落實相變蓄熱供暖技術，能夠在很大程度上使電力供需不平衡的現狀得到有效緩解。為了能夠使儲存的熱量更多，供暖人員經常會對熱池箱體的體積進行擴大，這對相變蓄熱供熱技術市場的進一步拓展造成了一定影響[1]。

3 相變蓄熱供暖技術的可行性

3.1 中低溫相變蓄熱技術

中低溫相變蓄熱技術在實際供暖領域中，通常會將溫度控制在150℃以下。在對中低溫相變蓄熱系統進行設計的過程中，蓄熱材料的選擇應具有較高的科學性和可行性。通常情況下，要確保選擇的材料在相變發生過程中具有的相變溫度保持在150℃之下，還要對相變材料是否具有穩定的化學特征及蓄熱材料的蓄放熱時間進行重點考量。在此基礎上，要盡可能選擇價格合理、市場流通量較大的相變材料。在供暖系統中，供水溫度和回水溫度一般保持在70℃～95℃，對應的相變材料溫度變化范圍應保持在60℃～100℃，其中的無機水合鹽類材料因化學特征穩定、單位體積儲熱值較高、相變潛熱量較大等眾多優勢而得到了廣泛應用。然而，無機水合鹽類材料在使用過程中也存在一定問題，如腐蝕性較強、難以對溫度進行有效控制、熱循環穩定性較低等問題，在使用過程中需要慎重選擇和嚴格監管[2]。

3.2 梯級相變蓄熱技術

梯級相變蓄熱技術主要遵循的原則是溫度對口和梯級利用原理，要利用相變蓄熱材料與放熱流體材料之間傳熱溫差盡可能保持不變這一原理和吸熱流體材料與相變蓄熱材料之間傳導溫差盡可能保持不變這一原理。吸熱流體材料、放熱流體材料與蓄熱材料之間的溫差始終保持在恒定狀態，相變蓄熱材料能夠在恒定的熱流環境下有效實現吸熱熔化或放熱凝固的目標，使相變熱材料的吸熱速率和放熱速率全面提高。在采暖系統中運用梯級相變蓄熱技術，能夠使蓄熱過程中所消耗的能量最大程度降低，使系統的運行效率有效提高。梯級相變蓄熱技術能夠使傳熱過程得到有效強化，進一步拓展相變蓄熱技術的應用范圍。通過不斷減小蓄熱設備體積，能夠使蓄熱模塊的蓄熱效率有效提高，突出蓄熱系統的經濟性。梯級相變蓄熱技術從理論向實踐轉變的過程中還有很長的路要走，在實際供熱系統中的使用頻率相對較低[3]。

3.3 相變蓄熱地板輻射供暖技術

相變蓄熱地板輻射供暖技術主要分為電采暖和水暖兩種方式。在實際使用過程中，電鍋爐具有較高的運行費用，鍋爐水暖地熱會對水資源造成浪費。在電力資源供給不平衡的環境下，用電低谷和用電高峰之間的電量差距較大，雖然使用直接加熱式電纜能夠在環保和工作效率方面占據較高優勢，但因運行費用較高很少被使用。在蓄熱系統與電鍋爐加熱采暖系統進行有效結合之后，可以選擇在夜間利用廉價的電能進行蓄熱，停止在白天電費價格較高時使用電鍋爐，改用夜晚儲存裝置所儲存的熱量對用戶進行供暖，這樣能夠使高額的運行費用得到有效降低。通過對相變蓄熱地板輻射供暖技術的有效應用，能夠使房間內的溫度分布具有較高均勻性，提高居住環境的熱舒適性，在用電低谷時段儲存熱能，在用電高峰時段釋放熱能，將電量填谷移峰，使用電的峰谷曲線更加平滑[4]。

4 結語

在中低溫相變蓄熱領域，相變蓄熱供暖系統的多元化優勢明顯。相變蓄熱供暖技術對電網削峰填谷目標的有效實現具有積極促進作用，使居民的采暖運行費用大幅度降低，使熱能得到充分利用，對環境保護具有重要意義，是目前部分地區小區節能供暖的可用措施之一。在對相變蓄熱供暖技術的實際功能進行充分研究的同時，還要對其中存在的問題進行深入探索，采取有效措施妥善解決。隨著人們高效利用能源的意識和環境保護意識的不斷提升，對相變蓄熱技術提出了更高更嚴格的要求，使該技術具有的作用和價值在供暖領域得到了充分發揮。