一种新型的电储热系统-自储能电锅炉介绍VIP

380 一种新型的电储热系统 -自储能电锅炉介绍 蒋智翔 杨小昭 清华大学 摘要摘要：自储能电锅炉是一种新型的电储热系统。采用高密度铁基合金作为储热材料，将加热、储 热、取热、换热及控能功能组合在一台无压的一体化结构内。与其它类型储能电锅炉相比较，它 具有占地面积小，系统热效率高，便于操作，性能稳定，安全性高及运行费用低等特点。根据试 验及运行结果，自储能电锅炉具有良好的运行性能，可应用于各种建筑的供暖或供生活热水的系 统中。 0 前言前言 采用清洁能源供暖和供热水是改善城市大气环境、 减少污染的一个重要方面。 目前我国 城市供暖一般都采用由采暖锅炉供应热水， 通过散热片或风机盘管供暖的方式。 传统的采暖 锅炉都是燃煤锅炉。它的初投资较小，供暖费用也较低，但对大气污染很严重。采用燃油、 燃气或一般的电热锅炉虽然能降低大气污染程度，但供暖运行费用很高，约为燃煤锅炉的 34 倍，在一般家庭使用尚有较大的困难。 电锅炉运行费用较高的主要原因在于电费较高。若能降低电费，电锅炉运行费用也将相 应地降低。从我国目前的用电结构来看，白天的用电量(峯峰电)逐年增加，导致与午夜后用 电量 （谷电） 的差距相应地增大。 如国内某地区 2000 年的峰谷月用电量差平均为 3761 兆瓦， 峰谷差率平均为 34.85%。为了减少峰谷电差，近年来电管部门制定了利用谷电的优惠政策， 降低谷电的电费以鼓励用户午夜后用电。以 2002 年北京地区电费为例，工业用电白天电费 为 0.83 元/度，午夜后电费降低为 0.20 元/度，仅为白天电费的 24%左右。因此，若能设计 出适用的储能式电锅炉， 利用低谷电将电能储存起来供白天使用， 就能大大地降低电锅炉的 运行费用至接近燃煤锅炉的运行费用，有条件推广至一般家庭使用。 1 储能式电锅炉的国内外现状储能式电锅炉的国内外现状 目前国内外设计生产的储能式电锅炉主要为以下几种： 381 （1）常压水箱分体式储能电锅炉。它的储热介质为常压水。利用低谷电将水介质加热 后通过板式换热器将热能释放出，供用户使用。它的主要缺点是水的热容量很小, 从 90 oC 降至 60 oC 所能释放的热量仅为 30Kcal/升，故所需的水箱体积很大。对于 10000 m2供暖面 积的电锅炉，以 40w/ m 2 供热量计算，全部采用低谷电储热 16 小时所需热量，至少需要体 积为 184 m 3 的水箱。此外, 由于水箱内的水温从 90逐渐降低至 60，热量供应不稳定, 必须采用变频泵调节流量，且由于水箱体积很大，系统热效率较低，一般仅为 8085左 右。 （2）带压水箱式储能电锅炉。它的储能介质为带压水, 一般为 0.4Mpa,其热容量为 83Kcal/升，所需水箱体积仍较大，对于 10000 m 2供暖面积的电锅炉，以 40 w/ m2供热量计 算，仍需体积为 66 m 3的水箱。此外, 由于采用带压水箱，结构复杂，安全性较差，不能装 置在地下室或建筑物附近。 （3） 以氧化铁基固体为储热材料的电暖器。 氧化铁基固体的热容量较大,可达 288Kcal/ 升， 价格也较便宜， 但其强度很差。 我公司曾采用这种储能材料建造了一台储能式电锅炉, 发 现在数次循环加热后储热材料产生裂缝。 目前这种储能材料仅能用于制造供暖面积 1530m 2 的热风供暖器。 （4）以固液相变材料(PCM)为储热材料的储能装置。它是将“固液”相变时的潜热储 存起来， 在逆过程 “液固” 相变时将热量释放出来供热。 不同的 PCM 材料的相变温度不同， 潜热也不同。在 130以下相变的固液相变材料的潜热每立升可达 90 Kcal，比水介质的储 热能力有一定的提高，但这些材料的价格都很昂贵，且长期性能不很稳定，有些材料的性能 有较强的腐蚀性。 2 自储能电锅炉的基本原理自储能电锅炉的基本原理 本文介绍的自储能电锅炉是一种新型的电储热系统。采用高密度铁基合金作为储热材 料， 将加热、 储热、 取热、 换热及控能功能组合在一台无压的一体化结构内, 形成一个可储、 可取及可控的系统。自储能电锅炉系统图如下图所示。它包含内外循环两个系统。内循环系 统由储热材料 1、加热器 2、取热器 3、高效换热器 4、储液罐 5、智能控制器 6 和换热器 9 组成；外循环系统由高效换热器 4、换热器 9、外部管道 7 和散热器 8 所组成。两系统通过 高效换热器 4 和换热器 9 相互传递热量。 储热时利用加热器 2 将储热材料 1 进行加热， 取热 时由取热器 3 中的介质将热量取出后，传送至高效换热器 4，进行热交换后加热外部管道 7 中的介质传递至散热器 8，进行供暖或供给热水。 w w w . b z f x w . c o m 382 1储能材料; 2加热器; 3取热器; 4高效换热器; 5储液罐; 6智能控制器; 7外部管道; 8散热器; 9换热器; 10内循环水泵 内循环管道; 外循环管道 自储能电锅炉系统图 由上述系统图可看出, “可储”的功能是由加热器 2 及储热材料 1 实现的。加热器的功 率愈大，储热材料的热容量愈高, 可储存的热量就愈多。 “可取”的功能是由取热器 3 中的 介质吸收储热材料所储存的热量, 通过高效换热器 4 实现的。 “可控”的功能是由智能控制 器 6 控制取热器 3 中介质的流量实现的。 显然, 取热器 3 中的介质流量愈大, 所能取出的热 量愈多。 介质所需的流量主要取决于所需输出的热量， 它是由智能控制器 6 根据用户需要进 行自动控制调节的。 此外, 在内循环系统中还设置了由储液罐 5 和换热器 9 组成的二次循环 系统。 它的主要功能是使高效换热器 4 在出口处形成负压， 使内循环系统在无压状态下工作， 提高内循环系统的安全性。 3 自储能电锅炉的主要特点自储能电锅炉的主要特点 自储能电锅炉的主要特点为： （1）以高密度铁基合金材料作为储热材料 自储能电锅炉采用高密度铁基合金材料作为储能材料，它的热传导性能好，无毒无害， 长期性能稳定，热容量高、储热能力强，每立升可达 500 kcal 以上，且国内有丰富的资源， 价格便宜。由于热容量高, 储热材料所需的体积很小，供暖面积 10000 m 2 的储热材料体积 仅为 9.2m 3，其底面积仅为 6m2，比上述各种其它型式电锅炉所需的储能材料的体积小很多， 仅为常压水箱式储能电锅炉水箱体积的 1/17， 为带压水箱式储能电锅炉水箱体积的 1/6， 大 大减小了设备的占地面积。 （2）将加热、储热、取热、换热及控制功能组合在一台无压一体化结构 自储能电锅炉的结构是根据传热学、材料学、结构力学、电工学及自动控制理论等跨学 科原理, 将加热、储热、取热、换热及控制功能组合在一台一体化结构内。它的结构紧凑， w w w . b z f x w . c o m 383 不需要单独的电锅炉及其它附加设备，故整个设备的占地面积很小。此外，自储能电锅炉的 系统热效率可达 95，比水箱式储能电锅炉的系统热效率高 10以上, 尤其是所设计使用 的高效换热器，体积小且换热效率高。同时，由于自储能电锅炉的内循环系统为无压结构， 具有较高的安全性, 可装置在建筑物内及其附近的任意部位。 山西省技术监督局将这种结构 审定为真空相变锅炉, 制造及安装不需要监制。 从制造成本来看， 储能材料的价格与水箱式储能电锅炉的水箱制造费用大致相同， 结构 本体制造费用较低，故总的制造成本将略低于水箱式储能电锅炉。若考虑到系统效率、占地 面积、锅炉房建造以及运行管理费用等，总的投资效益将比水箱式储能电锅炉高很多。 （3）采用红外线辐射式加热器 传统电锅炉所采用的加热器为金属外壳加热器。 它是按热传导原理将电阻丝的热量通过 氧化镁电绝缘材料传递至外壳， 然后由外壳将热量传递至环境介质。 加热器的加热效能主要 取决于外壳表面与环境介质的接触紧密程度。 这种加热器用于水介质时， 其外壳能与水介质 紧密接触，故加热效果较好。但这种加热器对于自储能电锅炉是不适用的。自储能电锅炉的 环境介质为固体储热材料， 且为了便于更换加热器， 加热器外壳与储热材料间需具有一定的 间隙，两者不可能紧密接触，故采用这种加热器的加热效果很差。试验结果表明，若在自储 能电锅炉中采用这种加热器，加热器外壳与储热材料的温度差异可达 200左右，故要求电 阻丝在很高温度下工作，使加热器的使用寿命大为缩短。 自储能电锅炉中采用了一种自行研发的红外线辐射式加热器， 将电阻丝的热量直接辐射 至储热材料，从而提高了其传热效率，延长了加热器的使用寿命。试验结果表明，这种红外 线辐射式加热器的表面温度与储热材料的温度差异仅为 50左右。 （4）采用全自动控制的智能控制器 自储能电锅炉采用的智能控制器能自动控制储热材料的最高温度、加热 时间及出口水温， 且可根据不同气候以及用户需供暖的时间及温度调节供热量， 从而节省了 耗电量， 降低电费支出。 运行结果表明, 采用全自动控制智能控制器的自储能电锅炉在运行 时基本上可无人值守，不需要专门的司炉人员。 4 自储能电锅炉的性能试验及运行经验自储能电锅炉的性能试验及运行经验 上面介绍的自储能锅炉已经受了下列性能试验及运行考验： （1） 2001 年 8 月进行了供暖面积 100m 2、全部利用低谷电储存 16 小时所需热量及供 应 8 小时低谷电时热量的自储能电锅炉性能试验。 北京节能技术服务中心检验结果表明， 自 储能电锅炉的能源转换效率为 97%， 供热能力超过设计供热能力 20.55%， 对供热参数变化具 有较强的适应能力。 w w w . b z f x w . c o m 384 （2）2002 年 3 月在太原日报社进行了供暖面积为 1000m 2、全部利用低谷电储存 16 小 时所需热量及供应 8 小时低谷电时热量的自储能电锅炉试运行试验。 试验结果表明， 自储能 电锅炉的运行性能良好，能将所储存的热量按需要供暖。 2002 年 9 月北京市科学技术委员 会组织召开的科学技术成果鉴定会的鉴定意见为自储能电锅炉技术具有明显的创新性, 达 国际先进水平。 （3） 2002年11月在太原电力公司小北门宿舍建造及运行了一台供暖面积为20000m 2 的 自储能电锅炉样板工程。 经一个采暖季度运行结果表明, 自储能电锅炉的运行性能良好， 能 将所储存的热量按需要供暖，储热能力达到设计要求，运行时可基本上无人值守。 （4） 2003年5月在太原电力公司天地坛宿舍建造了为132户用户供应生活热水的450kw 的自储能电锅炉样板工程。现已开始投入运行。 自储能电锅炉已于 2002 年 8 月获得了我国实用新型专利，现已申请我国发明专利, 正 在进行审理。 5 结论结论 自储能电锅炉是一种新型的电储热系统。采用高密度铁基合金作为储热材料，将加热、 储热、取热、换热及控能功能组合在一台无压的一