相变蓄热技术在商业建筑供暖中的应用

相变蓄热技术在商业建筑供暖中的应用

2017-07-14 | 中国暖通空调网|【大中小】

张继皇1，杨强2，李效禹2，薛祝亮1

1. 江苏启能新能源材料有限公司；

2. 中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院

［摘要］相变储能是一种先进的储热技术，在谷电时间采用相变储能技术进行电热蓄热，并将电热蓄热应用于建筑供暖，对电网的电力调峰以及用户供暖运行成本都具有很好的价值。本文对相变蓄热技术及产品进行具体分析，同时对采用谷电蓄热供暖的北方典型的商业建筑进行详细监测并分析。

［关键词］相变蓄热；谷电蓄热；蓄热供暖

目前我国建筑能耗已经占到整个社会能源消耗的40%，而制冷和供暖又在建筑能耗中占了40% 以上。在所有建筑类型中，商业建筑由于其建筑使用特性决定了具有较大的单位能耗。商业建筑一般都有集中的制冷和供暖系统，在我国北方冬季供暖区域，商业建筑的供暖一般采用市政集中供热方式。由于近年来城市建设扩张迅速，市政热力供热能力以及管网建设速度都无法满足日益增长的建筑需求。与此同时，随着我国对大气环境污染治理的加大，城市中大量中小煤锅炉在被取缔，这些锅炉往往都是用于市政供暖。因此很多新建建筑和既有建筑无法接入市政热力管网，需要采用其他方式解决冬季供暖问题。

目前在商业建筑供暖中除了采用市政热力以外，一般可采用燃气锅炉、地源热泵、空气源热泵、谷电蓄热、电锅炉直供等技术。燃气供暖受限于燃气管网的覆盖区域，另外燃气普遍成本较高，而且还是具有排放。热泵技术近年来在我国北方开始被大量使用，热泵具有能效高、运行成本低等特点，但是地源热泵只能适合新建建筑，空气源热泵机组功率小，极端气温时制热效果不佳等问题，性能还有待提高。谷电蓄热供暖技术比较成熟，主要有水蓄、固体蓄热、相变蓄热三种形式，利用谷电价格低的特点，降低建筑供暖成本。另外谷电蓄热对电网进行了移峰填谷，对平衡整个电网的电力负荷有重大的意义[1]。

1 相变蓄热技术分析

相变蓄热技术是一种热储能技术，储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，因此是提高能源利用率的有效手段。相变储能是利用相变材料相变时吸收或者释放大量潜热并保持温度恒定的特性，并且相变潜热所蕴藏的能量比固体或者液体的显热大得多[2]。相变储热具有储能密度大、系统体积小的优点，按相变转变的形式可分为固–气、液–气、固–固和固–液四类，固–气、液–气两类材料相变过程体积变化大，固–固相变材料潜热小并存在严重塑晶现象。固–液材料转变热量大、体积变化小，过程可控是主要应用形式。按工作温度可分为低温和中高温相变材料，低温包括无机水合盐及石蜡、脂肪酸等有机物，中高温包括无机盐、金属和合金等[3]。江苏启能新能源材料有限公司开发出了高密度高稳定性的无机相变材料，并以相变材料技术为核心成功研发了系列相变蓄热

产品。下面将对相变蓄热产品进行具体的性能测试和分析，同时对采用谷电蓄热供暖的典型商业建筑应用案例进行分析。

2 相变储能热库

若使用相变材料应用到蓄能领域，直接使用材料在工程项目中很难实现。往往需要某种特定容器装入相变材料，同时需要一套换热系统用于相变材料与传热介质之间的换热。另外在容器周围需要足够的保温层。热库是一款内部填充相变储能材料并可与外界进行热交换的相变蓄热设备，其额定蓄热量为650MJ，采用无机相变纳米复合材料，其相变温度在78℃左右。

热库外形为一立方体结构，外轮廓尺寸如下。

942mm×942mm×1835mm，自重2.1T。其内部有一特殊钢制内胆，内胆内部灌装有相变材料，材料中均匀排布有铜质换热器，内胆外部为聚氨酯保温层，厚度为50mm。热库外观图及其结构原理如图1 所示。

图1 热库外观图及结构原理

对于蓄热设备，其蓄热能力、充放热的性能表现、充放热效率以及热损性能等关键指标的优劣直接影响了该设备能否使用。启能公司的热库产品委托中国建筑科学研究院下属国家空调设备质量监督检验中心对上述热性能进行了检测，分别为恒定充热功率及恒定进水温度放热测试，恒定进水温度充热及恒定功率放热测试，以及热损测试三项检测，其实验结果分析如下。

表1 中数据是恒定充热功率及恒定进水温度放热测试结果。从数据中可以看出，整个充热时间为377min，不到7 个小时，平均充热功率为28.38kW，充热量为

641.93MJ；放热时用20℃恒温水放热，放热的最大功率到258kW，放热量为

639.49MJ，与额定储热量650MJ只相差不到2%，充放热效率高达99.6%，电能转化率为95%。

表1 恒定充热功率及恒定进水温度放热测试结果

表2 中数据是恒定进水温度充热及恒定功率放热测试结果。从数据中可以看出，在90℃恒温进水充热条件下，充热时间只需228min，不到4h 即可充满。在恒定9.9kW 的放热功率下，放热时间长达957min(16h)。

表2 恒定进水温度充热及恒定功率放热测试结果

在热损性能测试实验中，在室温20℃环境条件下，热库24h 的热损为4.85%。

3 商业储能供暖分析

3.1 天津水游城谷电蓄热项目概述[4]

天津水游城建筑面积8 万m2，该商业中心于2012年开始营业，2014 年采暖季之前采用市政热水供暖，考虑层高因素按照建筑面积13 万m2 收费，采暖费为40 元/m2，整个采暖季总费用521 万元。目前该项目实施了电锅炉+ 热库采暖系统，在夜间谷电

（23:00~7:00）时段采用电锅炉维持空间防冻保温采暖的同时对热库充热，并在其他时段利用热库供暖，个别极端天气采用电锅炉在平电时段补充供暖。图2 为水游城谷电蓄热项目现场照片。

图2 谷电蓄热供暖系统现场

3.2 系统设计

典型的谷电蓄热供暖系统原理图如图3 所示。

图3 谷电蓄热供暖系统原理示意

其工作原理是在谷电时段，电锅炉工作加热循环水，通过循环泵把热水中的热量带入热库，为热库充热。如果夜间末端需要供热的话，直接运行二次侧，所需热量由电锅炉直接提供。在非谷电时段，循环泵工作，带出热库中的热量，通过板换把热量换到二次侧，为末端供暖。

2013—2014 年度的天津冬季气温处于历史平均水平，因此该项目的设计选用了该年度的水游城实际每天用热量数据进行参考。计算出所需的电加热功率为4936.6kW，所需相变蓄热热库的台数为159 台，考虑余量设计11 台热库备用，因此共设计热库数量为170 台。主要设备数量及技术参数详见表5 所示。