低谷电蓄能供暖系统分析与应用.docx

冷暖财经第一刊2013 年 09 月冷 暖 财 经 第 一 刊吕可非，1988 年 6 月生人，硕士研究生 地址：北京市海淀区学院路 30 号北京科 技大学理化楼 225 室1 北京科技大学数理学院2 北京科技大学机械工程学院3 北京科技大学北京市高效节能与环保工程研究中心吕可非 1童莉葛 2，3 尹少武 2，3 王立 2，3丁红胜 1 黄建 2 贾超 2摘 要 电采暖作为集中供暖的补充方式，可用于建筑物独立采暖，具有污染少，设备占地空间小、方便易调节的特点。基于电蓄能的按需供暖策略，本文开发了一套低谷电蓄能供暖控制系统，可实现夜间蓄热、白天供热与补热。该系统在 800m2 示范场地的运行数据显示，与集中供暖相比，节省用户供暖费用 88.12%，减少温室气体排放 64.89%。关键词低谷电 蓄能 供暖 节能analysis and application of heating control strategy of off-peak electricity heating systemby lv kefei1，tong lige2，3，yin shaowu2，3，wang li2，3，ding hongsheng1，huang jian2 and jia chao2abstractas a supplementary heating mode, electric heating can be used independently for buildings heating with less airenvironment pollution, less area occupation and convenient in maintenance and operation. an energy storage heating system (eshs) using off-peak electric based on the on-demand heating strategy has been developed. it can realize the heating strategy and supplementary heating strategy at valley time and daytime. an eshs has been applied in an 800 m2 building in beijing. the data shows that comparing with the traditional central heating system, the eshs saves the heating fees by 88.12, reduces the emission of greenhouse gases by 64.89%.key words off-peak electricity，energy store，heating，energy savingschool of mathematics and physics , university of science & technology beijingschool of mechanical engineering, university of science & technology beijingbeijing engineering research center for energy saving and environmental protection, university of science andtechnology beijing, beijing0引言我国的冬季供暖以城市管网集中供热为主，还包括区域 锅炉房供热和分户采暖等多种供暖形式；燃料主要以煤、天然 气为主，辅以油、电、地源热泵和发电厂余热等1。我国冬季采 暖的地区遍布全国 15 个省、自治区、直辖市2。目前我国供暖面临两个主要问题：一是供暖能耗大，我国 城镇建筑单位面积供暖能耗是同纬度发达国家的 23 倍3；二是冬季燃煤供暖排放的氮氧化物和硫化物造成环境污染，温室气体排放量大。从 2008 年开始我国就已成为世界上二氧 化碳排放量最多的国家4。我国已承诺到 2020 年二氧化碳减 排目标是单位 gdp 温室气体排放比 2005 年下降 40%45%， 因此减少二氧化碳排放，尤其是冬季供暖的温室气体气体排放已刻不容缓5。我国各省、自治区、直辖市采取了一系列有效措施，以实现减少温室气体和污染物排放，降低供暖能耗。 天津市提出并实施供热计量改革，此举措激励用户行为节能 约为 11% 6。北京市调整供热燃料结构，在中心城区实施“煤 改气”工程。在“十一五”期间，北京市对 2500 多台燃煤锅炉进 行清洁能源改造，共削减燃煤 280 万 t，分别减少二氧化硫、烟64奋斗不能等待，我们不能等到垂暮之年再去“全力以赴”。让我们从现在开始，为理想而努力，为人生而拼搏。共勉箴言冷暖财经第一刊冷 暖 财 经 第 一 刊换热系统roomroom供暖room系统蓄能系统尘排放 2.2 万 t 和 0.75 万 t7。天然气作为存储量有限的高品质一次能源，是否继续作为供暖燃料应给予慎重考虑。低谷电蓄能供暖系统与传统典型的供暖系统相比，有很 大的节能空间。传统建筑采暖与其能耗分配比模型8的数据 显示，集中供暖在管道运输过程中热损失很大，供暖末端不能 实现自主节能，造成能源浪费。而低谷电蓄能系统的供暖能耗 从建筑入口开始计算，有效减少集中供暖在输送环节造成的 热能损失，减少温室气体和大气污染物排放。进汽口温度；换热器出汽口温度；集水总管压力；水泵压力。系统检测以上模拟量，转换成数字量以判定当前系统状态。2系统技术难点低谷电蓄能系统的运行工况和北京市的峰谷电时间分配有 关，根据 2012 年北京市发改委有关政策，一天 24h 用电分为尖 峰、高峰、平段和低谷四个时段，其中低谷时段为 22:006:00。 低谷电蓄能供暖系统在实施过程中有两个技术难点：一 是前一天低谷电时段的蓄热量与第二天白天非谷电期所需供 热量的匹配，即按需蓄能。本系统的控制策略是尽可能充分将 夜间廉价的低谷电转换为热能存储，避开白天峰电期间使用 电能供暖。因此控制系统需要根据前一天白天非谷电期的实 际用热量预测第二天所需的供热量（参考天气预报）。因此如 何较准确预测第二天非谷电期的供暖用热量成为谷电期蓄能控制策略的关键。低谷电时段蓄热体控制策略主要包括三个方面：1. 计算第二天非谷电期间供暖用热量。在谷电期系统计 算当天实际用热负荷，然后根据此数值计算第二天预计用热 负荷。若第二天室外环境温度较高，则第二天的供热量相应减 少；若室外环境温度下降，则第二天的供热量相应增大。实际 储热量可以根据系统需求进行调整，以尽可能保证前一天低 谷电阶段蓄热量充足。2. 计算需加热的蓄热体数目：蓄热体在蓄能的同时也在 散热，包括与相邻的蓄热体的热传递以及和外界热交换。在确 定需加热的蓄热体数目时遵循的原则是最大限度的减少蓄热 体散热量，以提高系统的热效率。因此计算第二天需要加热的 蓄热体数目，需要考虑两个因素：1）第二天瞬时所需最大供热 负荷，即所需加热的最多蓄热体块数；2）允许加热的蓄热体块 数，即需要加热的蓄热体块数既要满足瞬时供热负荷的需求， 又要在系统允许提供的加热块数内。3. 计算蓄热体加热能耗时：蓄热体加热时长为第二天预 测用热量与蓄热体加热器功率之比，以尽量推迟蓄热体开始 蓄热的时间，减少散热损失。在第二天的供热过程中，系统随时跟踪蓄热体的蓄热量 是否能维持白天峰电期的供热需求，如果出现特殊状况需要 补热时，则在平电期开启补热程序。补热策略遵循的原则是尽 可能避免系统在峰电期补热。补热策略有两个要求：一是确保低谷电期间蓄热体的蓄热 充足，二是当蓄热体在白天蓄热量不足时，尽可能使蓄热体在平 电期补热，以减少蓄热体在峰电期的用电。补热策略的重点在于 如何判断系统是否需要补热，以及如何计算补热量和补热时间。1低谷电蓄能供暖系统低谷电蓄能供暖系统是将低谷时段的电能转变为热能进 行存储，在非低谷时间将蓄存的热量按需供暖。在集中供暖达 不到的区域，电采暖可以作为供暖的一种补充方式。将电能转 化为热能进行供暖，虽然在本质上没有起到节约能源的效果， 但是使用低谷电蓄能供暖，可以平衡电网负荷，起到“削峰填 谷”的作用,提高发电设备的效率。系统布置见图 1。图 1 低谷电蓄能供暖系统低谷电蓄能供暖系统的示范装置包括蓄能系统、取热系统、散热系统和控制系统等四部分。蓄热系统和换热系统主要 由蓄热体、电加热元件、积液器、冷凝换热器等主要部件组成。 其中每个蓄热体组包括两块蓄热芯块、三个电加热元件、一个 积液器和一组换热器组成。散热系统由用户供暖末端（散热器 或空调设备）、水泵、压力表、温度计、供暖管路等部件组成。控 制系统分为手动和自动控制两种模式，无论在哪种模式下，报 警系统均能工作。系统的检测点如下：用户端进水温度；用户 端回水温度；用户供暖开关；总供水温度；总回水温度；换热器65冷暖财经第一刊2013 年 09 月冷 暖 财 经 第 一 刊供 热 制 冷技术交流technology exchange1kwh 的电相当于节约 0.312kg 标准煤，可减少 1.0296kgco2排放9。若前述的三口之家采用低谷电按需供暖方式，一天可 以节约标煤 23.27kg，减少 co2 排放约 76.8kg。该低谷电蓄能供暖系统已进行了中试和示范运行，其实 际示范场地面积为 800m2，若采用集中供暖方式，则供暖费用 为 200 元 / 天，一个月的供暖费用为 6000 元；采用低谷电蓄能供暖方式供暖，则实际供暖费用为 713 元，节省比率为88.12%。示范场地若采用集中供暖，一个月的能源消耗为16990.56kwh；若采用低谷电蓄能供暖，一个月的总耗电量 为 5567.9kwh，比集中供暖节约 11422.66kwh，转换成标准 煤为 3.56t，减排 co2 约 11.76t，减排比例为 64.89%。由此可见 低谷电按需供暖系统有很大的节能减排空间。3经济效益分析低谷电蓄能供暖系统的经济节约效益受按需供暖策略和 低谷时段电价与非低谷时段的电价差的影响。北京市非低谷 时间电价为 0.4883 元 （/ kwh），低谷电电价为 0.3 元 （/ kw h），符合政府补贴政策，还可以享受 0.2 元 （/ kwh）的补贴， 因此用户低谷电价实际为 0.1 元 （/ kwh）。以 一户典型的三口之 家 （一对双职工夫妇和一个小 孩）为例说明按需供暖策略的节能 效益。夫妻白天上班，晚 上回家，其小孩也是白天上学，晚上回家。各居室的供暖需 求如表 1 所示。表 1 三室一厅各房间供暖需求情况5结论1. 低谷电蓄能供暖控制系统的核心是系统的蓄热和补热 策略。系统在谷电时段蓄热量充足，可以避免蓄热体在平电期 和峰电期补热，节约供暖费用；当非谷电期供暖出现蓄热体蓄 热量不足的情况时，则系统启用补热策略。2. 低谷电蓄能供暖系统的最大节能空间在于按需供暖， 即人在房间内根据需求调节合适温度，而人离开后供暖系统 低温运行。实施“按需供暖”的控制策略，不仅可以节约一次能 源消耗，减少 co2 排放，而且还可以节省系统的运行成本。实ii房间的实需供暖率 = （该房间面积 ai该房间采暖小时数 h）i （/ 该房间面积 ai24h）。供暖费用的节省比率 = 供暖用电费 / 集中供暖费用。由表 1 可见，该家庭 24h 的实需供暖率为 21.4%。若该家 庭采用集中供暖，收费标准取一个供暖季（4 个月即 120 天）30 元 /m2，则每天费用为 26 元 / 天。若该三口之家采用低谷 电蓄能供暖，供暖热负荷取 38w/m（2 民用住宅供暖设计热负 荷）标准，根据表 1 提供的供热时间计算，每天供暖所需耗电 量理论值为 20.254kwh，供暖用电费为 2.0254 元 / 天，费用 节省比为 92.21%。需供暖率越低，节能减排效果越明显。（责编：费文）参考文献1童莉葛，王立，尹少武，等.北京市居民供暖与制冷现状调研.中国制冷学会 2009 年学术年会论文集.天津:中国制冷学会，20092 柴玉萍，于盼盼，郭长春，等.农村住宅供暖设计方案选优综合 评价指标体系探析.中国科技信息,2010，（16）34江亿.我国供热节能中的问题和解决途径.暖通空调，2006，36（3）郑思齐，霍 ，曹静，等.中国城市居住碳排放的弹性估计与城市间差异性研究.经济问题探索，2011，（9）5 ning zeng，yihui ding, jiahua pan，et al. climate change-thechinese challenge. science，2008，3196 温丽.中国供热节能概述.中国建筑业协会建筑节能专业委员 会 2008 年年会论文集.郑州：中国建筑业协会，20084能源节约效益中国建筑节能年度发展研