范晉卿，田媛，李弘瑞

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000）

固體蓄熱器輸入電力，輸出熱能，在電熱轉(zhuǎn)換過程中，建立起熱能儲(chǔ)存與釋放的循環(huán)體系。蓄熱體是固體蓄熱器中儲(chǔ)存能量的介質(zhì)，其材料與結(jié)構(gòu)對(duì)蓄熱終止時(shí)溫度的均勻分布情況以及蓄熱容量起到了決定性的因素?，F(xiàn)階段，在所有儲(chǔ)熱介質(zhì)中，MgO 粉末擠壓燒結(jié)的MgO 磚的明顯優(yōu)勢(shì)，具有較高的綜合熱物理性能，具體包括熱膨脹較佳、耐高溫性以及良好的熱導(dǎo)率等。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)單雙通道結(jié)構(gòu)以及蓄熱體整體孔隙率的參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整，能提高蓄熱體尺寸的綜合性能。針對(duì)蓄熱體結(jié)構(gòu)的研究方面，更傾向于蓄熱孔數(shù)量與形狀的改變方面，卻很少涉及優(yōu)化蓄熱體結(jié)構(gòu)方面。

1 新能源蓄熱技術(shù)介紹

蓄熱系統(tǒng)包括多種形式，現(xiàn)階段較為主流的包括：（1）風(fēng)力發(fā)電高溫蓄熱器系統(tǒng)：通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為熱能，并將其能量存儲(chǔ)在風(fēng)力發(fā)電固體的蓄熱器內(nèi)，經(jīng)常應(yīng)用到供熱水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)中。（2）太陽能光伏發(fā)電蓄熱系統(tǒng)：吸收太陽能中的熱量，實(shí)現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)化，而后再將電能轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)了光能到熱能轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)，滿足了客戶對(duì)熱水與采暖的供應(yīng)。（3）風(fēng)光互補(bǔ)電蓄熱器系統(tǒng)：將太陽能光伏發(fā)電與風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并將能量存儲(chǔ)到蓄熱體，不僅提升了太陽能與風(fēng)能的利用率，也保證了用戶穩(wěn)定的取暖與持續(xù)的供熱，使家庭取暖更具安全性與健康性。（4）新型樓宇冷熱源系統(tǒng)：該系統(tǒng)由電加熱蓄熱設(shè)備與水蓄冷技術(shù)共同組成，采取低谷電代替中央空調(diào)的方式，解決了城市辦公中諸多問題。（5）電加熱式固體蓄熱系統(tǒng)：有機(jī)融合了熱交換技術(shù)、電熱技術(shù)，以及絕熱技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)手段，將蒸汽、熱水，以及熱空氣等多種形態(tài)的能量進(jìn)行輸出，是一種可以調(diào)節(jié)參數(shù)的技術(shù)綜合體。

2 電加熱式固體蓄熱技術(shù)的原理及其系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 工作原理

低谷電固體蓄熱技術(shù)是一種先進(jìn)的熱工技術(shù)，利用夜間低谷電，實(shí)現(xiàn)電能與熱能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將能量?jī)?chǔ)存起來，并將其應(yīng)用到白天用電高峰期的熱水供應(yīng)與采暖等方面，不僅降低了用電費(fèi)用，同時(shí)還具備節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)。具體的工作原理：（1）在蓄熱體中，通過發(fā)熱介質(zhì)，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，利用熱交換的方式將熱能儲(chǔ)存到固體蓄熱體內(nèi)，溫度實(shí)現(xiàn)了常溫到800℃的過渡。（2）蓄熱池外的絕熱層采取極低導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱體材質(zhì)，保證外界環(huán)境與高溫蓄熱池之間的熱絕緣效應(yīng)。（3）在熱量供給過程中，設(shè)備需要根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)，如供熱量、溫度以及相關(guān)程序等，在自動(dòng)變頻風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的循環(huán)高溫氣流的作用，利用氣—水換熱器，實(shí)現(xiàn)熱交換過程，熱水通過循環(huán)水泵送到末端設(shè)備，如淋浴噴頭、風(fēng)機(jī)盤管，以及暖氣片等。（4）為了保證穩(wěn)定的傳輸溫度，就需要采取多種控制手段，比如，負(fù)載溫度波動(dòng)平均值、回水溫差、輸出總熱量測(cè)定，以及出水恒定溫度等。上述數(shù)值檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過中央電腦的科學(xué)處理后，會(huì)傳輸指令到各個(gè)控制單元，保證設(shè)備的精準(zhǔn)運(yùn)行，并將精度范圍縮小至2℃以內(nèi)。（5）在加熱溫度超過800℃或者較長(zhǎng)的通電加熱時(shí)間時(shí)，用戶可以結(jié)合自身需求調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)備會(huì)根據(jù)參數(shù)設(shè)定內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)行。

2.2 電蓄能備系統(tǒng)的構(gòu)成

電蓄熱暖風(fēng)機(jī)組與電蓄熱熱水機(jī)組是固體蓄熱系統(tǒng)的重要組成部分，而設(shè)備的實(shí)體組成為蓄熱池、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、絕熱保溫層以及換電熱器等方面共同構(gòu)成。

3 固體蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)研究

3.1 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）蓄熱體結(jié)構(gòu)及物理模型。在工程的具體應(yīng)用過程中，MgO 磚及蓄熱體通常采取夾層蓄熱式布置，蓄熱層和夾層之間的排列保持交錯(cuò)狀態(tài)，提高蓄熱體在受熱過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，夾層內(nèi)部采取MgO 磚形式，將放置電加熱絲的蓄熱孔間隔出來。在物理模型邊界條件的處理過程中，通過蓄熱孔周圍壁面的熱傳導(dǎo)的作用，取代蓄熱加熱元件的熱輻射過程，同時(shí)，忽略蓄熱體中MgO 磚接觸面的熱阻，并使用絕熱材料處理蓄熱體外壁，熱物性處理上采取非定值參數(shù)。（2）數(shù)值模擬。對(duì)ANSYSWorkbench 中模塊開展熱力學(xué)研究，第一步，使用Solidworks 軟件工具建立模型，并將模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench 流程圖中，分析材料屬性，合理設(shè)置材料的熱物理參數(shù)，結(jié)合溫度、MgO 磚比熱容以及熱導(dǎo)率三者之間的關(guān)系，通過二次函數(shù)計(jì)算，進(jìn)而推導(dǎo)出三者關(guān)系公式：c（介質(zhì)比熱容）=-9.86×10-5t2＋0.32t ＋952.30，以及λ（介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)）=6.88×10-6-0.018t＋14.34。上述公式中，t 代表介質(zhì)溫度，單位為℃；λ 單位為W/（m·℃）；通過公式可以得出數(shù)值模擬參數(shù)，采取步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證或者網(wǎng)格無關(guān)，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)果。通常情況下，增加網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)不會(huì)造成終態(tài)溫度變化，且時(shí)間步長(zhǎng)的等比例縮小幾乎不會(huì)或者小幅影響終態(tài)溫度。（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，建立蓄熱體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，合理選擇加熱絲材料，通常選擇3.5mm 直徑，以及14mm螺距的鎳鉻加熱絲，連接上采取Y 型接法。利用纖維棉做保溫填充物對(duì)保溫層進(jìn)行保溫，通常纖維棉的厚度為150mm；在外部固定上，采取硅酸棉板，尺寸為50mm。在蓄熱體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，科學(xué)的驗(yàn)證不同部分的溫度，需要合理選擇溫度探測(cè)點(diǎn)。鎧裝型熱電偶作為溫度傳感器，量程的實(shí)際范圍：0 ～1300℃，并將其放至磚體內(nèi)，深度控制在50mm 左右，此外，還需要設(shè)置單相電阻值、電壓值、單相電流、加熱功率、電阻絲表面負(fù)荷、蓄熱的起始與終止溫度等，例如，蓄熱起始溫度通常設(shè)置為45℃，而終止溫度通常設(shè)置為600℃，其他參數(shù)設(shè)置上就不再一一贅述。

3.2 蓄熱體截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蓄熱體內(nèi)的磚型規(guī)格一樣，通用性較強(qiáng)，在磚型不變的前提下，在蓄熱體結(jié)構(gòu)中，將其中孔的橫向尺寸進(jìn)行改變，研究影響蓄熱性能的程度。因?yàn)樾顭狍w是一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以，在參數(shù)化處理的過程中，可以選擇1/4 結(jié)構(gòu)的蓄熱孔橫向尺寸。根據(jù)研究結(jié)果顯示，在蓄熱過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在截面優(yōu)化后，相比等截面蓄熱孔，蓄熱容量高達(dá)105%，蓄熱體10h 蓄熱最大溫差也開始縮小，縮小幅度大約為20%左右，最高蓄熱溫度也出現(xiàn)了小幅降低。因此，對(duì)蓄熱孔的截面進(jìn)行合理的優(yōu)化，能明顯改善橫向分布的溫度，但幾乎不影響或者較小影響縱向溫度的分布。此外，對(duì)截面溫度的分布圖進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，無耀化的A-A 峰面溫度呈現(xiàn)出凸拋物的方式進(jìn)行分布，而峰面耀化后的A-A 峰面溫度呈現(xiàn)出波動(dòng)性恒指分布，且后者的峰面溫度均值低于前者，說明耀化后，峰面溫度的分布情況更具均勻性。

3.3 蓄熱功率分布優(yōu)化

根據(jù)祖熱蒙率耀化模型進(jìn)行分析，觀察無耀化祖熱體縱向溫度分布情況，依據(jù)模型對(duì)商性對(duì)加熱蒙率變量進(jìn)行設(shè)置，3 個(gè)加熱蒙率變量，并采用梯度迭代法處理祖熱蒙率參數(shù)，計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，在迭代到第8 次的時(shí)候，祖熱溫度出現(xiàn)了極限值。同時(shí)，在第8 次迭代次數(shù)下，對(duì)比無耀化結(jié)構(gòu)祖熱性能參數(shù)與祖熱性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在蒙率耀化后，祖熱體優(yōu)達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)出現(xiàn)了小幅增加，最高祖熱溫度也出現(xiàn)了小幅降低。此外，在祖熱體蒙率耀化后，影響了縱向溫度的分布狀況，但對(duì)橫向溫度的分布產(chǎn)生較小的影響。分析B-B 截面的溫度分布的曲線變化情況可發(fā)現(xiàn)，在功率優(yōu)化后，縱向截面溫度效果更佳，優(yōu)化后與優(yōu)化前的溫度界面存在溫度差，存在較大的差異性。

3.4 蓄熱過程復(fù)合型優(yōu)化

復(fù)合型優(yōu)化指的是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提下，加強(qiáng)對(duì)功率的優(yōu)化。首先，合理選擇蓄熱體截面優(yōu)化模型，通過梯度迭代的方式，加強(qiáng)對(duì)功率的優(yōu)化。根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在10 小時(shí)的蓄熱過程中，變截面蓄熱體最高溫度的優(yōu)化率得到有效提升，且最高溫度的最低值也得到明顯改善。同時(shí)，在溫度分布圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，在終止時(shí)刻的溫度分布情況也得到了有效改善，無論在橫向，還是縱向的分布都比較均勻。

3.5 電蓄熱方案的經(jīng)濟(jì)分析

（1）供電各時(shí)間段價(jià)格為：基于調(diào)查區(qū)域內(nèi)的平價(jià)電價(jià)發(fā)現(xiàn)，23:00 ～07:00 為電價(jià)低谷期，持續(xù)時(shí)間為8 小時(shí)，此時(shí)基礎(chǔ)電價(jià)為0.31 元/（kW·h）；而08:30～10:30、18:00 ～19:00，以及21:00 ～23:00 則為用電高峰期，持續(xù)時(shí)間為5 小時(shí)，該時(shí)段的基礎(chǔ)電價(jià)為1.1 元/（kW·h）；尖峰段的具體時(shí)間范圍是10:30 ～11:30、19:00 ～21:00，此時(shí)的基礎(chǔ)電價(jià)為1.34 元/（kW·h）；而平段時(shí)間區(qū)間為07:00 ～08:30，以及11:30～18:00，持續(xù)時(shí)間為8 個(gè)小時(shí)，該時(shí)段的基礎(chǔ)電價(jià)為0.81 元/（kW·h）。（2）蓄熱分析：在電價(jià)低谷期蓄熱，即23:00 ～7:00 時(shí)段，時(shí)間為8h，白天供熱蓄熱（23:00～7:00 低谷電價(jià)時(shí)段），如果白天供熱的負(fù)荷降低的話，例如，由于氣溫升高，或者終端降載量下降，那么通電加熱會(huì)低于8 個(gè)h；如果天氣異常，溫度遠(yuǎn)低于日常，可以通過平電時(shí)間段定期加熱，加熱時(shí)長(zhǎng)為1 ～2h 為宜?？傊?，采取科學(xué)方式計(jì)算熱量消耗，保持用補(bǔ)平衡。（3）設(shè)備選型與運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算：①依據(jù)游泳池的設(shè)計(jì)尺寸能計(jì)算出總水量；然后，計(jì)算水溫升高一定溫差變化過程所需要的熱能，并通過給排水的方式補(bǔ)充30%的熱能。②通常低谷電的時(shí)長(zhǎng)為8 個(gè)h，每小時(shí)補(bǔ)充的熱量是補(bǔ)充總量÷8。最后結(jié)合管道耗損情況，合理地選擇固體蓄水設(shè)備。③計(jì)算每日所消耗的電能：公式為：實(shí)際消耗電能×8h。④運(yùn)行費(fèi)用：計(jì)算每日設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的費(fèi)用，即總補(bǔ)充熱能總量×基礎(chǔ)電價(jià)，以及設(shè)備的固定運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)際所需費(fèi)用×30，而后即可得知每月的平均消耗。（4）政府給予優(yōu)惠及補(bǔ)貼。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委頒布的文件來看，具體的獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)如下：①針對(duì)實(shí)施移峰填谷技術(shù)或者能效電廠等降低高峰期電力負(fù)荷或者永久性節(jié)能的企業(yè)，可以給予一定獎(jiǎng)勵(lì)，例如，廣東地區(qū)440 元/kW；中西部區(qū)域550 元/kW。②在用電高峰期響應(yīng)需求號(hào)召的，給予100 元/kW 的獎(jiǎng)勵(lì)。

4 實(shí)例分析

（1）本項(xiàng)目是商業(yè)綜合體建筑，建筑整體面積為20 多萬m2，在健身層開設(shè)市民游泳館，泳池參數(shù)為25×12×2（m），深水區(qū)為1.6m，淺水區(qū)為1.3m，游泳池水溫恒定在29℃。（2）熱源的選擇：本地區(qū)缺少一年四季的熱源，僅有天然氣，如采取天然氣鍋爐，那么鍋爐房位置會(huì)受到嚴(yán)重限制，且消防問題也值得進(jìn)一步考慮。經(jīng)過全方面衡量，本項(xiàng)目選取ZY-400 電加熱固體蓄熱爐，保證游泳池的持續(xù)蓄熱需求，按照30%蓄熱的給排水設(shè)計(jì)，也就是低谷電蓄熱時(shí)間8 個(gè)h，蓄熱爐單位小時(shí)內(nèi)電量為400kW，壓力為0.4MPa。（3）系統(tǒng)運(yùn)行與工藝：在低谷電時(shí)間段進(jìn)行蓄熱，而在用電高峰期進(jìn)行供熱。在蓄熱體內(nèi)，通過發(fā)熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)換為熱能，再利用熱交換的方式，將轉(zhuǎn)化的熱能儲(chǔ)存在固體蓄熱體內(nèi)。在蓄熱池外層結(jié)構(gòu)中，使用高等絕熱體材料，保證外環(huán)境與高溫蓄熱池之間處于絕緣狀態(tài)。依據(jù)每日不同的供熱時(shí)段與時(shí)間，電腦會(huì)依據(jù)自身的參數(shù)設(shè)置控制出水溫度，最終實(shí)現(xiàn)智能恒溫控制的目的，降低對(duì)能源的消耗。（4）在本項(xiàng)目工程中，工況設(shè)計(jì)概況：一次水供水溫度控制在70℃，回水溫度控制在60℃；而二次水進(jìn)水溫度設(shè)計(jì)為5℃，出水溫度設(shè)計(jì)為29℃，由自動(dòng)溫度控制器完成對(duì)溫度的設(shè)置。

5 結(jié)語

綜上所述，相比燃煤鍋爐、水箱式電鍋爐，電加熱式固體蓄熱設(shè)備的優(yōu)勢(shì)明顯，通過高溫固體蓄熱器，結(jié)合低谷電蓄熱與供水的方式，能有效地降低整體的運(yùn)行成本，降低范圍高達(dá)50%，因此，電加熱式固體蓄熱設(shè)備也叫作綠色供熱設(shè)備，具有環(huán)保節(jié)能效果。同時(shí)，電加熱式固體蓄熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性較強(qiáng)、工作效率較高，儲(chǔ)熱能力較強(qiáng)，而且相比燃煤鍋爐、水箱式電鍋爐，還具備占地面積小、安全性高、污染小、安裝簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)勢(shì)，此外，在電加熱式固體蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，避開了區(qū)域內(nèi)用電高峰期，不僅體現(xiàn)出了自身的社會(huì)價(jià)值與環(huán)保價(jià)值，同時(shí)，也與國(guó)家移峰填谷政策趨于一致。