135电锅炉水蓄热技术的应用实例.doc

电锅炉水蓄热技术的应用实例现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司 张伟程摘 要：介绍了电锅炉水蓄热技术在具体工程设计中的应用，并着重介绍了该系统的概况、流程以及各种运行模式下的控制方式。关键词：电锅炉 水蓄热 运行模式 控制11 电锅炉水蓄热技术介绍集中空调的冬季供暖部分，根据热源的类型，可以分为空气（或水）源热泵、燃油、燃煤气（或天然气）、燃煤、用电等几大类。从用户的角度看，使用电作为热源不需要排废水、废气、废渣，也无明火，不需设置堆煤或储油场地，为最清洁能源，不存在消防、环保等特殊要求，且用电设备可以做到完全自动控制，减少人为操作所带来的浪费及管理难度。对于以电能作为空调供暖热源的系统，在公共建筑节能设计标准GB50189-2005中有明确的规定：“除非夜间可利用低谷电进行蓄热、且蓄热式电锅炉不在日间用电高峰和平时段时间启用的建筑，不得采用电热锅炉、电热水器作为直接采暖和空气调节系统的热源。”故在实际应用时，不得采用电锅炉直供的形式，一般采用电锅炉水蓄热系统，且以全量蓄热为好。电锅炉水蓄热系统是指在电力低谷期间，以水为介质将电锅炉产生的热量储存在蓄热装置中，适时供应给用热设备的系统1。这样在用电高峰时段就可以不开或者少开电锅炉，从而减少高峰时段用电量，起到移峰填谷的作用。电锅炉水蓄热从系统构成上来说只是在常规电热锅炉的基础上增加了一套水蓄热装置，其他各部分在结构上与常规热源系统并无不同，它在使用范围方面也与常规供热系统基本一致。通常水蓄热装置有常温（常压、温度低于100）和高温（高压、温度高于100）两种，蓄热量有全量和分量两种模式，蓄热系统有串联和并联两种流程。电锅炉水蓄热系统具有以下几个显著优点：1）适合在无集中供热与燃气源，而电力充足、供电政策支持和电价优惠的地区使用。2）采用电能，不存在排放废水、废气、废渣之忧，无燃烧过程，安全可靠性高。3）由于水蓄热系统是按白天全量负荷在夜间蓄热时段的平均值来确定电锅炉装机容量的，而电锅炉直供系统则是按白天的峰值负荷来确定的。所以相对于电锅炉直供系统，水蓄热系统减少了电锅炉装机容量，其附属运转设备和电力设施的装机容量也相应减少，从而减少了初投资费用。4）可根据外界空调负荷的变化更及时、灵活、精确地供应储存的热量。5）利用峰谷电价差，可以明显减少运行费用。有利于平衡用电负荷，缓解供电矛盾 2 。6）当停电时，用小功率应急发电机带动循环水泵即可继续提供热量，提高了供暖系统的可靠性。2 工程概况陆家嘴时代金融中心（B3-5地块）冬季空调供暖设计计算热负荷峰值为5 044 kW：16层（裙房）973 kW，820层（低区）1 331 kW，2234层（中区）1 331 kW，3646层（高区）1 409 kW。考虑到当时的市政能源条件（无集中供热与燃气源，电力充足、供电政策支持和电价优惠）和初投资与运行费用的效益比以及机房安全条件，本工程采用常压型电热水锅炉生产的蓄热水作为空调供暖热源，采用常温全量（不考虑不可预见系数）蓄热模式、并联流程，并根据楼层分布情况分设4套系统，机房分别布置于7层，21层，35层，PH1设备层。每套系统均设有2台675 kW的电锅炉、1个有效容积为200m3的蓄热水箱，其设计蓄热水温为4590 ，蓄热量为10 465 kWh；考虑10%的余量，联合供热（板式换热器的）总供热能力为1 600 kW；板式换热器一次侧的设计进、出水温度为55 /45 、二次侧（空调末端设备）的设计供、回水温度为50 /40 。该水蓄热系统夏季可兼作蓄冷用，其蓄热水箱转变为蓄冷水箱，主要用于新风空调箱的供冷。系统有冬季电锅炉单蓄热、电锅炉单供热、蓄热水箱单供热、电锅炉与蓄热水箱联合供热（蓄热水箱优先）、电锅炉边蓄热边供热以及夏季制冷机蓄冷、蓄冷水箱放冷共7种运行模式，其原理见图1。3 运行控制3.1 系统运行模式控制对于系统不同的运行模式应有不同的运行策略和控制方式，详见表1。 3.2 系统运行模式转换晚上低谷电时段，采用何种模式运行需视大楼的负荷情况而定。一般情况下夜间大楼没有负荷，采用电锅炉单蓄热模式；如夜间出现了负荷（临时有单位加班或其他事情，可以向物业公司申请空调供暖），则采用电锅炉边蓄热边供热模式。当然，对夜间负荷应有所控制，否则过量的夜间负荷会影响系统蓄热量，可能造成第二天电锅炉的过量运行而增加运行费用，增加的费用应由夜间负荷用户承担。白天空调供暖时，为了保证采用蓄热水箱优先的联合供热模式，采用蓄热水箱等速放热方式，保证蓄热水箱均匀放出热量，同时确保在工作时间段将水箱热量用尽。在计算水箱的等速放热量时，需考虑电锅炉的避峰电时段运行，此时段蓄热水箱应全量供热（即蓄热水箱单供热模式），从而尽量减少电锅炉的运行费用。在联合供热的时候，根据水箱进出口温度和流量计算出水箱的放热量Q1（水箱等速放热的热量），同时根据板式换热器一次侧的进、出口温度和流量计算出空调末端需要的供热量Q2，当Q2接近Q1，两者差值持续（约2 min，具体持续时间调试时候可根据实际情况调整设定）小于设定值时，则系统切换到蓄热水箱单供热模式。在蓄热水箱以单供热模式运行时，当板式换热器二次侧的出水温度（50）受水箱循环泵变频控制而持续（约2 min，具体持续时间调试时候可根据实际情况调整设定）下降，则系统重新切换到电锅炉和蓄热水箱联合供热模式。当水箱出口温度低于55 （此时理论上水箱的进口温度低于45 ）时，表明水箱热量已用尽，放热结束，系统转化到电锅炉单供热模式。一般情况下白天空调供暖采用蓄热水箱单供热或联合供热模式，但当水箱前一天晚上因其他原因没有蓄热或蓄热水箱热量用尽时，系统采用电锅炉单供热模式。3.3 蓄热水箱预热模式在系统投入上班时段运行前需启动蓄热水箱单供热模式对整个大楼进行预热，以抵消大楼内前一夜的蓄冷量，从而保证上班前室内温度达到所需温度。在预热时应关闭空调新、排风系统以避免热量的损耗，在上班时段再启用空调新、排风系统。对于电锅炉与蓄热水箱联合供热（蓄热水箱优先）模式，在依据总蓄热量计算水箱的等速放热量时应扣除预热所需的耗热量。4 结语4.1 本工程四个空调供暖分区的设计计算热负荷峰值是不同的，但考虑到设备材料采购和施工、维护的方便，将其电锅炉水蓄热系统设计为单一容量规格。如按峰值负荷平均运行8h考虑，则每个区域的热负荷总容量分别为：16层（裙房）7 784 kWh，820层（低区）10 648 kWh，2234层（中区）10 648 kWh，3646层（高区）11 272 kWh。蓄热水箱的设计蓄热量为10 465 kWh，分别达到了需求的134%，98%，98%，93%，基本达到了全量蓄热的要求。4.2 就水蓄热装置而言，采用常压形式可使得控制和保护系统要求较低、蓄热装置加工要求一般，但蓄热和供热温差有限、单位体积蓄热量较小1。结合本工程的实际情况，由于蓄热水箱所在设备层的上下层均为人员密集的办公场所，从安全防护角度考虑不得采用有压高温蓄热水箱，故最终确定采用常压蓄热水箱，其设计蓄热温度为90 。4.3 受设备层空间高度的限制，本工程中蓄热水箱的箱体高度只能做到3 m，故采用了管道垂直分隔槽式水箱。4.4 通常水蓄热系统是按电锅炉下游的串联流程设计的，其箱体内水体则按一次流、大温差计算。但由于蓄热水箱内水体的有效高度较小，考虑到其热温水混合、死水空间和储存效率等问题，本工程采用了并联流程，其箱体内水体按多次混水流、小温差计算。虽然这种做法增加了水泵和板式换热器的容量，控制也相对复杂，但结合本工程蓄热水箱安放空间和高度特别受限的情况，也不失为一种安全、可靠的做法。4.5 对于水蓄热系统，通过适当改进可使其在夏季兼作蓄冷用。由于常规空调供冷时的供水温度较低，一般为57 ，此种工况的显热温差几乎是无法满足使用要求的。故必须将该系统的蓄冷工况单独用于新风空调箱，使其在高于20 的供水温度时也能保持一定的供冷能力，从而充分利用其显热温差。4.6 由于常压蓄热水箱内水体的有效高度较小，而高温热水又相对容易汽化，故在做管道设计时，需对水泵吸入段管道的阻力损失进行精确计算，如有必要可通过增大该段管道的管径来降低阻力损失，并且确保避免出现管道存气现象，从而防止水泵汽蚀。4表1 系统运行模式控制表参与运行的设备启动顺序水泵启动方式运行策略控制方式备 注电锅炉单蓄热电锅炉，锅炉循环泵，蓄热水箱电动阀F1，F2，F3打开（其他电动阀关闭），锅炉循环泵开启（工频运行），电锅炉开启锅炉循环泵工频启动该模式是在冬季夜间22:00次日6:00时间段、无空调供暖负荷时运行当蓄热水箱出口温度达到90 或时间到了次日6:00的时候，蓄热结束过渡季节可根据实际需要适当降低蓄热温度，确保前一天晚上的蓄热量当天用尽电锅炉单供热电锅炉，锅炉循环泵，供热板式换热器，二次循环供热泵F1，F7打开（其他电动阀关闭），锅炉循环泵开启（变频运行），电锅炉开启，二次循环供热泵开启（变频运行）锅炉循环泵变频启动，二次循环供热泵变频启动当蓄热量用尽后或低谷电需开启电锅炉时，采用该模式由电锅炉满足大楼全部的空调供暖负荷要求电锅炉出口温度设定为90 ，锅炉循环泵变频控制供热板式换热器二次侧的出水温度为50 单供热蓄热水箱蓄热水箱，水箱循环泵，供热板式换热器，二次循环供热泵F3，F7打开（其他电动阀关闭），水箱循环泵开启（变频运行），二次循环供热泵开启（变频运行）水箱循环泵变频启动，二次循环泵变频启动空调供暖期的绝大部分时间（非设计日）采用该模式运行水箱循环泵变频控制板式换热器二次侧的出水温度为50 联合供热（蓄热水箱优先）电锅炉与蓄热水箱电锅炉，锅炉循环泵，蓄热水箱，水箱循环泵，供热板式换热器，二次循环供热泵电动阀F1，F3，F7打开（其他电动阀关闭），锅炉循环泵开启（变频运行），水箱循环泵开启（变频运行），电锅炉开启，二次循环供热泵开启（变频运行）锅炉循环泵变频启动，水箱循环泵变频启动，二次循环泵变频启动在设计日或负荷较大时，可能采用该模式提供热量电锅炉出口温度设定为90 ，锅炉循环泵变频控制板式换热器二次侧的出水温度50 采用水箱等速放热，同时需考虑电锅炉的避峰电时段运行边蓄热边供热电锅炉电锅炉，蓄热水箱，锅炉循环泵，供热板式换热器，二次循环供热泵F1，F3打开（其他电动阀关闭），F2，F7调节，锅炉循环泵开启（工频运行），二次循环泵开启（变频运行）锅炉循环泵工频启动，二次循环供热泵变频启动该模式在冬季夜间22:00次日6:00时间段有空调供暖负荷的时候运行当蓄热水箱出口温度达到90 或时间到了次日早上6:00的时候，蓄热结束过渡季节可根据实际需要适当将蓄热温度降低，确保前一天晚上蓄好的热量当天用尽制冷机蓄冷蓄冷水箱，水箱循环泵，蓄冷板式换器，冷水机组（包括冷却水系统），接力冷源板式换热器，冷水泵电动阀F3，F4，F5打开（其他电动阀关闭），水箱循环泵开启（工频运行），冷水泵开启（定频运行），冷水机组开启（包括冷却水系统）水箱循环泵工频启动，冷水泵定频启动（可根据实际情况调整设定）该模式在夏季夜间22:006:00时间段运行当时间到了次日早上6:00或7F，21F水箱出口温度达到了5.5 和35F，PH1层水箱出口温度达到了7 的时候蓄冷结束蓄冷水箱放冷蓄冷水箱，放冷泵电动阀F2，F6，F10打开（其他电动阀关闭），放冷泵开启（工频运行）放冷泵工频启动此模式主要用来处理夏季新风空调箱的供冷当水箱出口温度高于20.5 （可根据实际情况调整设定）的时候，表示水箱冷量已用尽，放冷结束参考文献：1中国