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摘 要 高溫復合相變儲熱材料電熱裝置利用低谷電、棄風電、棄光電等電能，通過電熱轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量存儲應用，主要用于北方地區(qū)清潔供熱以及火電機組靈活性改造和深度調(diào)峰，由于高溫復合相變儲熱材料電熱裝置利用低谷電進行供暖，使得供暖成本大幅降低。本文針對北京城區(qū)一個鍋爐房“油改電”供熱工程，綜述了高溫復合相變儲熱裝置，著重介紹了該裝置的儲熱材料及運行原理，并根據(jù)供熱工程目標用戶的熱負荷，進行了高溫復合相變儲熱系統(tǒng)的設計。對于改造的可行性，本團隊在負荷計算的基礎上重點分析了整個采暖季能源消耗和運行費用，并與改造前做了詳細對比。研究結(jié)果表明基于高溫復合相變儲熱裝置的供暖系統(tǒng)，不僅可以滿足用戶的熱需求，還減少了碳排放，經(jīng)計算改造后一個供暖季可減少591.85噸碳排放。同時由于該系統(tǒng)充分利用了低谷電，降低了供暖成本，與直熱式供暖系統(tǒng)相比運行費用降低了57.76%，與燃油鍋爐相比，運行費用降低了84.23%，實現(xiàn)了清潔能源的高效利用，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，也證明了改造的可行性。
關鍵詞 電網(wǎng)低谷電；高溫復合相變儲熱；供暖；運行費用
高溫復合相變儲熱材料電熱裝置是一種利用低谷電、棄風電、棄光電等電能，通過電熱轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量存儲并供熱給熱用戶的裝置，該裝置在谷電階段，啟動電熱管與變頻風機，熱空氣利用對流換熱和輻射換熱，加熱儲熱材料，儲熱材料被加熱到650 ℃，完成加熱-儲熱功能。在非谷電階段，不啟動電熱管，啟動變頻循環(huán)風機，循環(huán)空氣通過儲熱材料被加熱成熱空氣，熱空氣經(jīng)過翅片管換熱器，加熱供熱熱水，送給熱用戶。其原理如圖1所示。
圖1 高溫復合相變儲熱裝置原理圖
目前基于高溫復合相變儲熱材料電熱裝置的復合相變儲熱系統(tǒng)主要應用于余熱回收、太陽能轉(zhuǎn)化與存儲、電池儲能及建筑儲能。Magro等將復合相變儲熱裝置與蒸汽發(fā)生器相結(jié)合，減小了蒸汽發(fā)生器入口氣體的參數(shù)波動，提升了發(fā)電量；郭璞維等設計了一種復合相變儲熱裝置與煙氣余熱回收并聯(lián)驅(qū)動發(fā)電裝置的供電系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)效率并降低了運行成本；Mahfuz等對應用復合相變儲熱裝置的太陽能發(fā)電廠進行了效率分析，研究表明，應用復合相變儲熱裝置可大大提升發(fā)電效率。Wu等提出將復合相變儲熱技術與熱管散熱系統(tǒng)相結(jié)合，設計了一種用于熱管理的復合儲熱板。胡先鋒研究了復合相變儲能材料在光熱系統(tǒng)中的應用，并通過將商用乙炔黑納米顆粒摻雜到純D-甘露醇中提高了儲熱材料性能。而復合相變儲熱系統(tǒng)性能主要取決于儲熱材料，其中在500～1000 ℃范圍內(nèi)可使用的高溫相變儲熱材料主要有堿金屬鹵代物、堿土金屬鹵代物以及碳酸鹽。但在實際應用中，熔鹽儲熱材料的腐蝕性嚴重影響了其可應用的范圍，而碳酸鹽高溫相變儲熱材料的腐蝕性遠低于一般的熔鹽高溫儲熱材料，同時具有很高的相變潛熱。另外碳酸鹽高溫相變儲熱材料還具有材料價格低廉，安全系數(shù)高等優(yōu)勢。但碳酸鹽高溫相變儲熱材料在儲熱時會由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，這使得高溫相變儲熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得十分復雜，并增加了存儲難度，故需要將碳酸鹽高溫相變儲熱材料進行封裝處理，制成定型復合相變儲熱材料來解決這一問題。
針對上述常規(guī)相變儲熱材料存在的問題，本工作選取了將碳酸鹽、氧化鎂、陶瓷按比例燒制而成的氧化鎂瓷基復合式潛熱儲熱材料。由于該材料添加了陶瓷，所以在燒制時會出現(xiàn)特殊的多孔結(jié)構(gòu)，而多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細作用力可以使儲熱材料保持穩(wěn)定形狀，從而解決在儲熱過程中儲熱材料形狀不穩(wěn)定的問題。另外該材料具有巨大的相變潛熱，這使得其儲能密度遠高于常規(guī)儲熱材料。經(jīng)第三方機構(gòu)檢測，該材料具體性能參數(shù)如下：體積密度1.87 g/cm3，相變起點溫度618 ℃，相變峰值溫度627 ℃，相變終點溫度635 ℃，相變焓126.01 J/g，室溫至600 ℃的比熱值1.187～1.390 J/(g·K)，由此得到平均比熱值1.289 J/(g·K)。高密度復合材料加熱溫度達到650 ℃，由此可以得出：質(zhì)量儲熱密度963.86 J/g、體積儲熱密度1802.4 MJ/m3，質(zhì)量儲熱密度與體積儲熱密度的計算如式(1)與式(2)所示，體積儲熱密度大于目標值1500 MJ/m3。
同時經(jīng)權(quán)威機構(gòu)檢測，經(jīng)過6000次冷熱循環(huán)實驗，該材料儲熱密度衰減小于5%，儲熱性能十分穩(wěn)定。高溫相變儲熱材料物性參數(shù)如表1所示。
表1 儲熱材料物性參數(shù)
基于上述高溫復合相變儲熱材料電熱裝置及儲熱材料，本團隊針對北京城區(qū)某總面積9800 m2的鍋爐房進行了供熱方式改造。目標建筑共分兩部分，其中辦公樓4800 m2，住宅樓5000 m2，改造前采用2臺1噸的燃油鍋爐供熱，運行方式為1用1備，單臺燃油鍋爐供熱功率為720 kW。由于燃油鍋爐設備老舊，熱效率僅為75%，采暖季平均利用率為0.8。燃油鍋爐不僅運行費用高，碳排放量大，同時存在極大的安全隱患。經(jīng)計算，改造前一個供暖季供熱量為5872 GJ，需消耗190噸柴油。同時燃油鍋爐的碳排放量也十分大，如按16烷值計算1噸柴油產(chǎn)生二氧化碳，1噸柴油燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放物為3.115噸，則一個供暖季共產(chǎn)生二氧化碳排放物為591.85噸。而改造后采用高溫復合相變儲熱材料電熱裝置并使用電力來進行供暖，不排放任何燃燒物，極大地減少了碳排放，達到了減排目的。同時，高溫復合相變儲熱材料電熱裝置可利用谷電完成加熱、儲熱、放熱等功能，從而降低采暖季運行費用。
1 供熱設計
該供熱系統(tǒng)設計基于高溫復合相變儲熱材料電熱裝置，并添加直熱式電鍋爐作為輔助熱源，其供熱流程圖如圖2所示，實際設備如圖3所示。其中高溫復合相變儲熱材料電熱裝置配備高密度復合材料30000 kg，該設備加熱功率為800 kW，最大儲熱量為6400 kWh，直熱式電鍋爐加熱功率為600 kW。在建筑日熱負荷小于6400 kWh時，僅用復合相變儲熱電熱裝置供暖便可滿足熱用戶需求，而在建筑日熱負荷大于6400 kWh時便需要開啟直熱式電鍋爐來輔助供暖。系統(tǒng)主要裝置性能參數(shù)如表2所示。
圖2 供熱系統(tǒng)流程圖
圖3 實際設備圖
表2 設備性能參數(shù)
2 供熱負荷計算和運行策略
2.1 用戶側(cè)供熱負荷計算和運行策略
本工作根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準(JGJ 26—2010)》《實用供熱空調(diào)設計手冊(第二版)》《公共建筑節(jié)能設計標準(GB 50189—2005)》確定此供暖區(qū)域的建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)。使用Transient System Simulation Program(TRNSYS)軟件中的Transient System Simulation Build(TRNBuild)軟件包對此供暖區(qū)域的建筑的供暖季逐時熱負荷進行計算。該軟件可以實現(xiàn)對建筑的負荷計算，通過對建筑模型進行參數(shù)設計，根據(jù)用戶的需求可以進行個性化設置。其中包括豐富的墻體類型，還可以自定義墻體類型；對窗戶可進行對流換熱系數(shù)的設定，選擇玻璃類型等；空調(diào)系統(tǒng)的換風次數(shù)；室內(nèi)設計溫度及濕度；內(nèi)熱源的設置以及系統(tǒng)間歇式對負荷不同需求量進行設置等。
本工作首先使用TRNBuild軟件包對此供熱區(qū)域的住宅樓進行供暖季逐時負荷模擬。該住宅樓共5層，層高2.8米，長為50米，寬為20米，建筑面積為5000 m2，南向窗墻比為0.5，其他方向窗墻比為0.3。設定此建筑每層為單獨熱區(qū)，各熱區(qū)在供暖季的供暖設計溫度為20 ℃，供暖濕度為30%。房間新風量設置為0.3 h-1，門窗滲透風量共取0.8 h-1，不考慮內(nèi)熱源項對建筑負荷的影響。根據(jù)以上條件進行設置，得出的建筑逐日熱負荷如圖4所示。
圖4 住宅樓供暖季逐日熱負荷及熱指標變化圖
其次對此供熱區(qū)域的辦公樓進行供暖季逐時負荷模擬，此辦公樓共4層，層高3.3米，長為60米，寬為20米，建筑面積為4800 m2，各朝向窗墻比均為0.6，每層可容納300人進行辦公。設定辦公樓每層為單獨熱區(qū)，各熱區(qū)在供暖季辦公時間內(nèi)供暖設計溫度與供暖設計濕度分別為20 ℃、30%，在非辦公時間內(nèi)供暖設計溫度與供暖設計濕度分別為15 ℃、30%。辦公樓門窗滲透風量取0.6 h-1，新風換氣量為40 m3/(h·p)，電氣設備及燈光功率為15 W/m2，人體散熱的顯熱量為90 W，潛熱量為46 W，潛濕量為49 g/h。得出此辦公樓在供暖季逐日熱負荷如圖5所示。
圖5 辦公樓供暖季逐日熱負荷及熱指標變化圖
由TRNBuild軟件模擬可知，住宅樓在供暖季的尖峰熱負荷為284.09 kW，供暖季累計供熱負荷為480.37 MWh；辦公樓在供暖季的尖峰熱負荷為327.61 kW，供暖季累計供熱負荷為241.77 MWh。住宅樓及辦公樓供暖區(qū)域的熱指標如圖6、圖7所示。
圖6 住宅樓供暖區(qū)域供暖季逐日熱指標
圖7 辦公樓供暖區(qū)域供暖季逐日熱指標
根據(jù)計算結(jié)果可知，此供熱區(qū)域在供暖季尖峰熱負荷為576.02 kW，供暖熱指標為58.78 W/m2，供暖季累計供熱負荷為722.14 MW·h。此計算結(jié)果在工程經(jīng)驗的取值范圍內(nèi)，并且能夠反映出建筑外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能較好。為方便討論，此供暖區(qū)域在供暖季11月15日至次年3月15日按上半月與下半月分為8個時間段，并對各時間段內(nèi)的供熱區(qū)域供暖所需熱量進行分析，計算結(jié)果如圖8所示。
圖8 供暖季各時間段內(nèi)供暖所需熱量圖
由圖8可知，在整個供暖期內(nèi)，⑤號時間段(1月15日至1月30日)內(nèi)的供暖區(qū)域供暖所需熱量最大，累計需要供暖熱量為128.1 MWh，⑧號時間段(3月1日至3月15日)內(nèi)的供暖區(qū)域供暖所需熱量最小，累計需要供暖熱量為50.1 MWh。
2.2 高溫復合相變儲熱材料電熱裝置運行策略
本工作中谷電時段為23:00～7:00，平電時段為7:00～9:00、15:00～18:00、20:00～23:00，其余時間為高峰時段。該系統(tǒng)加熱儲熱熱量、時間分配如表3所示。
表3 系統(tǒng)加熱儲熱熱量、時間分配
對于9800 m2的供熱面積，考慮16 h放熱，平均供熱負荷為40.95 W/m2，符合供熱設計要求，即使出現(xiàn)極寒天氣，也可以在平電時段啟動蓄熱式電鍋爐進行補熱，以滿足供熱需求。裝置儲熱放熱時段及溫度變化如圖9所示。
圖9 儲熱裝置加熱儲熱放熱圖
本團隊選取的高溫復合相變儲熱材料其相變起點溫度618 ℃，相變峰值溫度627 ℃，相變終點溫度635 ℃。在加熱儲能階段，儲熱材料先升溫至相變起點溫度618 ℃，此時材料開始發(fā)生相變，由于相變潛熱的存在，其儲熱性能大幅提升，之后材料被加熱至相變終點溫度635 ℃，并結(jié)束加熱儲能過程。在供熱階段，材料在650～618 ℃，溫度下降較為緩慢，這是由于材料發(fā)生相變的緣故，而在溫度下降至618 ℃之后，材料不再發(fā)生相變，其降溫速度也大幅提升。
3 運行費用分析
高溫復合相變儲熱材料電熱裝置和直熱式電鍋爐均通過消耗電能來進行供暖，而燃油鍋爐則是通過消耗柴油供暖，本團隊將通過比較三者的供暖費用來分析采用高溫復合相變儲熱材料電熱裝置的可行性。供暖季該建筑用于供暖的耗電量如圖10所示。
圖10 建筑供暖耗電量
該文選取1～10千伏電價來進行運行費用分析，具體電價如表4所示。針對高溫復合相變儲熱材料電熱裝置系統(tǒng)，在日供暖熱負荷小于6400 kWh時，僅憑借高溫復合相變儲熱材料在夜間低谷電期間儲存的能量便足以為建筑供能，其運行成本=6400×谷電價格。而在日供暖熱負荷大于6400 kWh時，需要開啟直熱式電鍋爐進行補熱，此時運行成本=6400×谷電價格+(熱負荷-6400)×平均電價。而針對直熱式電鍋爐系統(tǒng)，其運行費用為熱負荷×平均電價。根據(jù)上述條件，可計算得出高溫復合相變儲熱材料電熱裝置及直熱式電鍋爐的日運行費用。而針對改造前的燃油鍋爐其運行費用為消耗柴油量×柴油價格，經(jīng)查閱資料，2021年北京市柴油價格為7890元/噸。高溫復合相變儲熱材料電熱裝置及直熱式電鍋爐的日運行費用對比如圖11所示。
表4 2021年北京市豐臺區(qū)電價
圖11 供暖日費用
高溫復合相變儲熱材料電熱裝置在夜間電價較低時(低谷電)進行儲能，并在白天釋放儲存的能量來用于供熱，這體現(xiàn)了其調(diào)峰作用，同時相較于直熱式電鍋爐，由于使用了價格更低的低谷電，大大降低了采暖成本。三者在供暖季的總運行費用如圖12所示。
圖12 供暖季供暖設備運行總費用
統(tǒng)計供熱季節(jié)的全部運行費用，使用高溫復合相變儲熱材料電熱裝置運行費用為28.23萬元，使用傳統(tǒng)的直熱式供熱系統(tǒng)運行費用為66.83萬元，使用燃油鍋爐運行費用為179.075萬元。與直熱式供暖系統(tǒng)相比運行費用降低了57.76%。與燃油鍋爐相比，運行費用降低了84.23%。通過改造，使得運行費用大幅降低，證實了改造的可行性。
4 結(jié)論
（1）在未經(jīng)改造前目標建筑采用2臺1噸的燃油鍋爐供熱。燃油鍋爐設備老舊，熱效率僅為75%，采暖季平均利用率為0.8。燃油鍋爐運行費用高，碳排放量大，同時存在極大的安全隱患。經(jīng)計算其一個采暖季共消耗190噸柴油，產(chǎn)生591.85噸二氧化碳排放物。而在改造后采用高溫復合相變儲熱材料電熱裝置來進行供熱，無碳排放，達到了節(jié)能減排的目的。
（2）本工作高溫復合相變儲熱材料電熱裝置選取的儲熱材料為碳酸鹽、氧化鎂、陶瓷按比例燒制而成的氧化鎂瓷基復合式材料來進行儲熱，相較于傳統(tǒng)的鎂磚儲熱材料及熱水儲熱，其儲熱密度遠大于上述兩種材料，最高可達1802.4 MJ/m3。相較于傳統(tǒng)的儲熱材料，氧化鎂瓷基復合式材料不僅有更高的儲熱密度，同時其儲熱性能的衰減速度也慢于傳統(tǒng)材料。另外氧化鎂瓷基復合式材料采用陶瓷來進行封裝，解決了儲熱過程中儲熱材料形狀不穩(wěn)定的問題。
（3）高溫復合相變儲熱材料電熱裝置利用夜間低谷電或其他可再生能源來進行儲熱。其具體過程：通過加熱裝置將高溫相變儲熱裝置加熱到一定溫度，以完成儲熱過程。在供暖時，換熱介質(zhì)流過儲熱裝置換熱升溫，然后流經(jīng)換熱器使其與用戶側(cè)供暖介質(zhì)來進行換熱，達到最終的供熱目的。由于其利用了低谷電或其他可再生能源，使得其經(jīng)濟性、環(huán)保性大大提升，同時還可以將不穩(wěn)定能源(例如風能、太陽能)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定能源。
（4）本工作通過比較高溫復合相變儲熱材料電熱裝置、直熱式電鍋爐及燃油鍋爐供暖季的運行費用來分析改造的可行性。經(jīng)計算使用高溫復合相變儲熱材料電熱裝置供暖費用為28.23萬元，使用傳統(tǒng)的直熱式供熱系統(tǒng)供暖費用為66.83萬元，使用燃油鍋爐供暖費用為179.075萬元。高溫復合相變儲熱材料電熱裝置供暖費用與直熱式供暖系統(tǒng)相比降低了57.76%，與燃油鍋爐相比，降低了84.23%，由此可得改造是可行的。
（5）在采用高溫復合相變儲熱材料電熱裝置供暖后，運行費用大大降低，同時碳排放量大大降低，其主要原因有以下幾點：①高溫復合相變儲熱材料電熱裝置采用了氧化鎂瓷基復合式儲熱材料，該材料儲熱密度巨大，這使得該裝置在用戶熱負荷較小時，僅通過夜間低谷電時段儲熱便可滿足用戶熱需求，不需要開啟輔助裝置補熱。②高溫復合相變儲熱材料電熱裝置僅在夜間低谷電期間進行儲熱，而低谷電價遠低于其他時段電價，故用該裝置供暖可大大降低供暖成本。③與改造前相比，高溫復合相變儲熱材料電熱裝置通過消耗電能來進行供熱，不需消耗柴油，這使得該裝置碳排放量大大降低，同時高溫復合相變儲熱材料電熱裝置還可通過與太陽能、風能、地熱能等其他可再生能源耦合來進行儲能供熱，從而進一步降低供暖成本與碳排放量。
