王長君，劉碩，丁薛峰

（江蘇啟能新能源材料有限公司，上海201100）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要依靠能源技術(shù)的進(jìn)步。非可再生能源的不斷消耗和全球環(huán)境的不斷惡化，促使可再生能源技術(shù)的應(yīng)用逐步成為趨勢。在供暖行業(yè)，一直以來主要依靠燃煤為主要能源，其不可再生性和帶來的環(huán)境問題促使我們轉(zhuǎn)變采供暖所用的能源。2016 年年底，我國北方城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206 億m2，使用的能源以燃煤為主，占總?cè)∨娣e的83%。為降低污染，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，我國積極推進(jìn)發(fā)展清潔供暖技術(shù)［1-3］。

目前主要的清潔供暖方式有：燃?xì)夤┡?、直接電供暖、地源熱泵、空氣源熱泵等。其中，燃?xì)夤┡瘜Τ鞘谢A(chǔ)設(shè)施依賴度大，受到燃?xì)夤芫W(wǎng)和氣源供給的制約，且成本高；直接電供暖有很多種類，如發(fā)熱電纜、碳晶供暖、電暖器等，其運(yùn)行成本很高；地源熱泵運(yùn)行成本低，但其初始投資成本高，建設(shè)工程量大，且無法對既有建筑進(jìn)行改造，因此應(yīng)用較少；地源熱泵可能帶來地表水溫變化，地面沉降等問題［4］；空氣源熱泵受機(jī)組功率和使用效果的影響，在寒冷的地區(qū)供暖效率較低［5］。電儲存供暖主要利用谷電供暖，具有價(jià)格優(yōu)勢，且對基礎(chǔ)設(shè)施依賴度低，是最具經(jīng)濟(jì)性的供暖方式之一，具有占地面積小、運(yùn)行成本低、自動化程度高、安全可靠等顯著特點(diǎn)［6-7］。

本文通過對相變儲能供暖項(xiàng)目的實(shí)際案例分析，為清潔能源利用，特別是為北方清潔供暖應(yīng)用提出具有參考價(jià)值的解決方案。

1 相變儲能供暖的應(yīng)用

1.1 相變儲能材料

相變儲能材料（Phase Change Materials，PCMs）是一類利用在某一特定溫度下發(fā)生物理相態(tài)變化以實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放的儲能材料，其儲能特性是在相變過程中吸收熱能，并可以在恒定均勻的溫度下提取。給定質(zhì)量的相變材料吸收熱量的多少由其相變潛熱決定［2］。相變材料的巨大潛熱值使其在儲熱行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景［8］。

相變儲熱材料主要分為2 類：有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料。常用的有機(jī)相變材料主要分為2類：石蠟類和脂酸類。其優(yōu)點(diǎn)是成形性好，不易發(fā)生相分離及過冷，腐蝕性小，但其缺陷明顯：導(dǎo)熱系數(shù)低、成本高，基本不適合清潔供暖應(yīng)用。無機(jī)相變儲能材料分為高溫材料和低中溫材料，高溫材料大部分為熔融鹽，中低溫材料主要為水合鹽。相比有機(jī)相變材料，無機(jī)相變材料具有導(dǎo)熱系數(shù)高、儲能密度高、成本低等特點(diǎn)。其中70～90 ℃溫度區(qū)間的水合鹽材料適合清潔供暖應(yīng)用。但無機(jī)相變材料大多存在易分層、易過冷、循環(huán)壽命低等缺陷。

近幾年在清潔供暖領(lǐng)域，相變儲能技術(shù)逐漸獲得應(yīng)用。目前主要采用無機(jī)相變材料作為儲能載體，但無機(jī)相變材料的循環(huán)壽命及儲能產(chǎn)品的壽命一直是相變材料大規(guī)模應(yīng)用的主要制約因素。

1.2 相變儲能設(shè)備

要將相變材料應(yīng)用到清潔供暖領(lǐng)域，就需要設(shè)計(jì)并制造相應(yīng)的設(shè)備。

熱庫是相變儲熱設(shè)備中的一種，如圖1 所示熱庫，尺寸為942 mm×942 mm×1 835 mm（長×寬×高），質(zhì)量2.2 t，儲熱量為650 MJ。其內(nèi)部不銹鋼內(nèi)膽中添加無機(jī)相變納米復(fù)合材料，同時(shí)材料中均勻排布銅材質(zhì)或304 不銹鋼材質(zhì)的換熱器，外部加裝保溫層［6-7］。為測試無機(jī)相變納米復(fù)合材料的使用壽命，專門制備了1臺熱庫樣機(jī)，尺寸為500 mm×500 mm×1 500 mm（長×寬×高）、儲熱量為80 MJ，并進(jìn)行了近5 000 次充放熱循環(huán)，如圖2 所示，熱量基本無衰減。熱庫的主要應(yīng)用范圍是大型清潔供暖項(xiàng)目，用于儲存熱能進(jìn)行跨時(shí)段供暖，也可回收工業(yè)余熱等能源進(jìn)行跨區(qū)域供暖。

相變儲能箱是另一種采用相變材料的儲能設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與熱庫類似，但主要與太陽能、空氣源熱泵等熱源結(jié)合使用，輔助提升系統(tǒng)供暖效率。

圖2 80 MJ熱庫樣機(jī)循環(huán)壽命測試Fig.2 Cycle life test for the prototype of 80 MJ Heatrix

相變儲能板，是相變材料與建筑結(jié)合應(yīng)用的一種儲能形式。將相變材料與建筑材料結(jié)合制備成相變儲能板材，利用相變材料板的儲能效果吸收太陽能或者其他熱能，保持建筑溫度，提升建筑保溫效果，降低建筑供暖能耗。

2 相變儲能在清潔供暖中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概述

相變儲能熱庫產(chǎn)品具有高效率、低熱損、高儲能密度、模塊化設(shè)計(jì)、安全無壓運(yùn)行等顯著特點(diǎn)。在城市樓宇供暖方面，其不易燃、安全無壓運(yùn)行的特性，保證其可以安裝在樓宇地下空間，無安全隱患，無需審批；可自由調(diào)節(jié)、模塊化設(shè)計(jì)、高儲能密度意味著相變儲能熱庫設(shè)備的空間利用率高。

天津大悅城寫字樓采用熱庫+電鍋爐的相變儲能系統(tǒng)作為供暖熱源，實(shí)現(xiàn)按需供暖。項(xiàng)目安裝105 臺熱庫，總儲熱量68.25 GJ，體積約190 m3，以高度2 m 計(jì)算，占地面積約95 m2；相同儲熱量的水箱體積約為816 m3，以設(shè)備高度2 m 計(jì)算，占地面積408 m2，是相變儲能設(shè)備占地面積的4.3 倍。相變儲能技術(shù)可以極大地降低使用成本，節(jié)約空間。

2.2 熱庫儲能供暖系統(tǒng)

相變儲能供暖系統(tǒng)的工作原理是：在谷電時(shí)段電鍋爐開始加熱，通過充熱循環(huán)系統(tǒng)給相變儲能熱庫充熱；供暖時(shí)段，電鍋爐停止加熱，通過放熱循環(huán)釋放熱庫儲存的熱量為末端供暖。在極端天氣時(shí)的平電時(shí)段，電鍋爐開啟補(bǔ)充部分熱量供暖；若夜間末端需要供暖，由電鍋爐直接供暖。相變儲能供暖系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 相變儲能供暖系統(tǒng)原理Fig.3 Phase change heat storage heating system

2.3 項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用分析

天津大悅城寫字樓相變儲能供暖系統(tǒng)項(xiàng)目總投資約750 萬元，投資回收期約3.4 年。截至2020年5 月，項(xiàng)目運(yùn)行5 個(gè)供暖季，供暖效果完全達(dá)到預(yù)期，系統(tǒng)運(yùn)行基本平穩(wěn)，運(yùn)行費(fèi)用平均降低70%，詳細(xì)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用見表1。

如圖4—5 所示，統(tǒng)計(jì)5 個(gè)供暖季的運(yùn)行數(shù)據(jù)，平均谷電運(yùn)行費(fèi)用84 萬元，平均費(fèi)用占比約81%；平均平電費(fèi)用12 萬元，平均費(fèi)用占比約12%；平均峰電費(fèi)用7 萬元，平均費(fèi)用占比約7%。如圖6—7所示，每個(gè)采暖季平均運(yùn)行費(fèi)用為15 元/m2，日均供暖費(fèi)用為0.13 元/m2。

2.4 項(xiàng)目節(jié)能調(diào)峰效果分析

圖4 不同年度谷電、平電、峰電運(yùn)行費(fèi)用Fig.4 Operation cost with valley，flat and peak loads in different years

圖5 不同年度谷電、平電、峰電運(yùn)行費(fèi)用占比Fig.5 Proportion of valley，flat and peak load operation costs in different years

由表2可知，在2018年1月和2020年1月，天津大悅城寫字樓供暖項(xiàng)目如果采用點(diǎn)直供，每天平均消耗峰電功率分別為1 733.3 kW 和1 381.2 kW。采用相變儲能技術(shù)供暖，峰電功率分別降至91.0 kW 和72.0 kW。因此，采用相變儲能技術(shù)供暖，每天可分別轉(zhuǎn)移峰電功率1 642.3 kW 和1 309.2 kW。若有n個(gè)類似供暖項(xiàng)目，采用相變儲能的方式供暖，在峰電期間最少可以轉(zhuǎn)移電功率n×1 309.2 kW，有效減少了冬季供暖峰電負(fù)荷，緩解電網(wǎng)壓力［9］。

表1 相變儲能供暖系統(tǒng)項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用Tab.1 Operation cost of phase change energy heating system project

圖6 單位運(yùn)行費(fèi)用Fig.6 Operation cost per heating area per heating season

圖7 不同年度日均供暖費(fèi)用Fig.7 Daily heating cost in different years

表2 2018年1月和2020年1月項(xiàng)目調(diào)峰數(shù)據(jù)Tab.2 Peak shaving data of the project in January 2018 and January 2020 kW

2.5 極端天氣對相變儲能系統(tǒng)的影響

選取2018 年和2020 年1 月23 日進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖8 所示。2018 年1 月23 日天津市溫度最高氣溫-6 ℃，最低氣溫-12 ℃；2020 年1 月23 日天津市溫度最高氣溫9 ℃，最低氣溫-2 ℃，溫度差異明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)，熱庫溫度基本都在75 ℃，不同在于14：00時(shí)，2020年熱庫溫度開始降低，2018年熱庫溫度持續(xù)在75 ℃（平電補(bǔ)充，維持熱量供應(yīng)）。分析08：00—16：00 用戶端溫度，2018年板式換熱器二次側(cè)進(jìn)出水平均溫度分別40 ℃和48 ℃，2020 年板式換熱器二次側(cè)進(jìn)出水平均溫度分別45 ℃和50 ℃。供暖溫度受極端天氣影響，但在供暖時(shí)間內(nèi)，2018年1 月23 日板式換熱器二次側(cè)進(jìn)水溫度持續(xù)升高，說明供暖系統(tǒng)完全滿足樓宇供暖需求，樓內(nèi)溫度保持平衡。說明相變儲能供暖系統(tǒng)在極端天氣下也能滿足用戶采暖需求。

圖8 2018年和2020年1月23日熱庫及二次側(cè)板式換熱器進(jìn)出水運(yùn)行溫度曲線Fig.8 Inlet and outlet water temperature on Heatrix and secondary side on January 23rd，2018 and 2020

如圖9—10 所示，在2018 年1 月和2020 年1 月供暖期間，平均每天總耗電量分別為20 799 kW·h和16 574 kW·h，平均峰平電耗電量分別占總耗電量的11%和3%，谷電耗電量分別占總耗電量的89%和97%左右，說明即使受天氣影響，相變儲熱技術(shù)在清潔供暖方面，完全達(dá)到了移峰填谷、消納谷電能源、節(jié)約峰電能源、緩解峰電負(fù)荷的作用。

圖9 2018和2020年1月供暖每天耗電量與谷電耗電占比Fig.9 Daily electricity consumptions and valley electricity consumptions ratios in January 2018 and 2020

對比2018 年和2020 年1 月的供暖耗電占比數(shù)據(jù)和溫度變化數(shù)據(jù)，如圖10 所示。整體來看，2018年1 月天津的最高溫度范圍為-5～5 ℃，與2020 年1月的最高溫度范圍基本相同。受天氣影響，2018 年1 月每天谷電耗電量占總耗電量的比例波動較大，且在2018 年1 月22—28 日，天津天氣最高溫度從4 ℃驟降至-5 ℃，此時(shí)為極端天氣，谷電耗電占比連續(xù)處于80%左右，峰電和平電占比連續(xù)處于20%左右。說明在極端天氣情況下，利用部分峰電、平電補(bǔ)充可以完全滿足用戶采暖需求，且峰電、平電耗電比率僅占總耗電比例的20%。相變儲能系統(tǒng)在清潔供暖方面完全起到了移峰填谷的作用。

圖10 2018和2020年1月供暖峰平電耗電占比與環(huán)境溫度的變化Fig.10 Flat and peak electricity consumption ratios varying with temperature in January 2018 and 2020

3 相變儲熱在清潔供暖中的其他應(yīng)用

3.1 相變儲能與空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)合

相變儲熱技術(shù)在清潔供暖領(lǐng)域的應(yīng)用形式多種多樣，并且可以與空氣源熱泵有效結(jié)合，提升熱泵的制熱性能系數(shù)（COP），即熱泵系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制冷量或制熱量與輸入功率的比值。例如Youssef等人［10］設(shè)計(jì)了一套相變儲熱輔助熱交換系統(tǒng)，與空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)合，證明相變儲能系統(tǒng)能有效提升熱泵的COP。Qu 等人［11］研究了一種相變材料與太陽能熱泵聯(lián)動供暖系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)在北京進(jìn)行了詳細(xì)測試，結(jié)果表明采用雙水箱相變潛熱儲熱器可提高太陽能熱泵集熱效率大約50%，有效提升系統(tǒng)COP。相變儲能技術(shù)的應(yīng)用提升了太陽能熱泵系統(tǒng)的能源效率，使得熱泵在寒冷的北方地區(qū)也能有較高的供暖效率。

3.2 相變儲能在建筑保溫中的應(yīng)用

相變儲能技術(shù)除了與熱泵等系統(tǒng)結(jié)合使用之外，也可以與建筑保溫材料結(jié)合，減少室內(nèi)溫度波動，降低建筑能耗。Kong 等人［12］設(shè)計(jì)了一種新型的相變復(fù)合材料墻板，并利用毛細(xì)管與太陽能熱系統(tǒng)集合，如圖12 所示。測試結(jié)果表明，結(jié)合相變復(fù)合材料墻體的系統(tǒng)，日能耗降低44.16%，此系統(tǒng)在清潔供暖方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖11 雙相變儲熱水箱與太陽能熱泵聯(lián)用系統(tǒng)Fig.11 Integrated system with dual phase change energy storagetanks and solar source heat pump

圖12 相變儲能保溫墻的設(shè)計(jì)Fig.12 Design of the PCM wall

Biswas等人［13］采用納米相變材料制備相變儲能保溫墻板應(yīng)用在建筑中，全年能耗降低20%以上。Lu 等人［14］開發(fā)了一種新型的相變儲能地板和相變儲能墻板結(jié)合，如圖13 所示，平均節(jié)能率為54.27%。這些研究表明，相變儲能在冬季供暖中能起到很好的節(jié)能效應(yīng)，為清潔供暖和能源優(yōu)化利用提供了新的思路。

圖13 相變儲能地板系統(tǒng)Fig.13 Phase change energy storage floor system

4 結(jié)論

相變儲熱技術(shù)是一種熱存儲技術(shù)，可以解決能源供求在時(shí)間與空間上不均衡的矛盾，提高能源利用效率。本文主要通過津大悅城寫字樓項(xiàng)目對相變儲能在清潔供暖領(lǐng)域中的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

（1）相變儲能與谷電結(jié)合，儲存谷電能源，移峰填谷。根據(jù)天津大悅城寫字樓5個(gè)供暖季的數(shù)據(jù)分析，相變儲能谷電供暖技術(shù)能夠有效節(jié)約樓宇空間，安全方便運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)營費(fèi)用70%左右，最低轉(zhuǎn)移峰電負(fù)荷1 309.2 kW，在極端天氣也能滿足用戶采暖需求。

（2）相變儲能技術(shù)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)用，能有效提升熱泵COP，使熱泵技術(shù)在寒冷地區(qū)也能得到有效應(yīng)用。

（3）相變儲能技術(shù)與建筑結(jié)合，如與墻壁、地板、天花板結(jié)合，這些應(yīng)用能有效提升建筑保溫效果，降低建筑供暖負(fù)荷，降低冬季供暖能耗。

目前，相變儲能技術(shù)在清潔供暖領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，還有更多的應(yīng)用方向需要探索，如相變儲能技術(shù)與發(fā)電結(jié)合、相變儲能與太陽能結(jié)合等；還有更多應(yīng)用問題需要攻克，如提升相變儲能材料的導(dǎo)熱性、相變材料與容器兼容性、提升相變材料儲能密度等。相信未來相變儲能技術(shù)能夠在清潔供暖方面發(fā)揮更大的作用。