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摘 要 高温复合相变储热材料电热装置利用低谷电、弃风电、弃光电等电能，通过电热转换实现能量存储应用，主要用于北方地区清洁供热以及火电机组灵活性改造和深度调峰，由于高温复合相变储热材料电热装置利用低谷电进行供暖，使得供暖成本大幅降低。本文针对北京城区一个锅炉房“油改电”供热工程，综述了高温复合相变储热装置，着重介绍了该装置的储热材料及运行原理，并根据供热工程目标用户的热负荷，进行了高温复合相变储热系统的设计。对于改造的可行性，本团队在负荷计算的基础上重点分析了整个采暖季能源消耗和运行费用，并与改造前做了详细对比。研究结果表明基于高温复合相变储热装置的供暖系统，不仅可以满足用户的热需求，还减少了碳排放，经计算改造后一个供暖季可减少591.85吨碳排放。同时由于该系统充分利用了低谷电，降低了供暖成本，与直热式供暖系统相比运行费用降低了57.76%，与燃油锅炉相比，运行费用降低了84.23%，实现了清洁能源的高效利用，提高了系统的经济性，也证明了改造的可行性。
关键词 电网低谷电；高温复合相变储热；供暖；运行费用
高温复合相变储热材料电热装置是一种利用低谷电、弃风电、弃光电等电能，通过电热转换实现能量存储并供热给热用户的装置，该装置在谷电阶段，启动电热管与变频风机，热空气利用对流换热和辐射换热，加热储热材料，储热材料被加热到650 ℃，完成加热-储热功能。在非谷电阶段，不启动电热管，启动变频循环风机，循环空气通过储热材料被加热成热空气，热空气经过翅片管换热器，加热供热热水，送给热用户。其原理如图1所示。
图1 高温复合相变储热装置原理图
目前基于高温复合相变储热材料电热装置的复合相变储热系统主要应用于余热回收、太阳能转化与存储、电池储能及建筑储能。Magro等将复合相变储热装置与蒸汽发生器相结合，减小了蒸汽发生器入口气体的参数波动，提升了发电量；郭璞维等设计了一种复合相变储热装置与烟气余热回收并联驱动发电装置的供电系统，提升了系统效率并降低了运行成本；Mahfuz等对应用复合相变储热装置的太阳能发电厂进行了效率分析，研究表明，应用复合相变储热装置可大大提升发电效率。Wu等提出将复合相变储热技术与热管散热系统相结合，设计了一种用于热管理的复合储热板。胡先锋研究了复合相变储能材料在光热系统中的应用，并通过将商用乙炔黑纳米颗粒掺杂到纯D-甘露醇中提高了储热材料性能。而复合相变储热系统性能主要取决于储热材料，其中在500～1000 ℃范围内可使用的高温相变储热材料主要有碱金属卤代物、碱土金属卤代物以及碳酸盐。但在实际应用中，熔盐储热材料的腐蚀性严重影响了其可应用的范围，而碳酸盐高温相变储热材料的腐蚀性远低于一般的熔盐高温储热材料，同时具有很高的相变潜热。另外碳酸盐高温相变储热材料还具有材料价格低廉，安全系数高等优势。但碳酸盐高温相变储热材料在储热时会由固态变为液态，这使得高温相变储热系统的结构变得十分复杂，并增加了存储难度，故需要将碳酸盐高温相变储热材料进行封装处理，制成定型复合相变储热材料来解决这一问题。
针对上述常规相变储热材料存在的问题，本工作选取了将碳酸盐、氧化镁、陶瓷按比例烧制而成的氧化镁瓷基复合式潜热储热材料。由于该材料添加了陶瓷，所以在烧制时会出现特殊的多孔结构，而多孔结构产生的毛细作用力可以使储热材料保持稳定形状，从而解决在储热过程中储热材料形状不稳定的问题。另外该材料具有巨大的相变潜热，这使得其储能密度远高于常规储热材料。经第三方机构检测，该材料具体性能参数如下：体积密度1.87 g/cm3，相变起点温度618 ℃，相变峰值温度627 ℃，相变终点温度635 ℃，相变焓126.01 J/g，室温至600 ℃的比热值1.187～1.390 J/(g·K)，由此得到平均比热值1.289 J/(g·K)。高密度复合材料加热温度达到650 ℃，由此可以得出：质量储热密度963.86 J/g、体积储热密度1802.4 MJ/m3，质量储热密度与体积储热密度的计算如式(1)与式(2)所示，体积储热密度大于目标值1500 MJ/m3。
同时经权威机构检测，经过6000次冷热循环实验，该材料储热密度衰减小于5%，储热性能十分稳定。高温相变储热材料物性参数如表1所示。
表1 储热材料物性参数
基于上述高温复合相变储热材料电热装置及储热材料，本团队针对北京城区某总面积9800 m2的锅炉房进行了供热方式改造。目标建筑共分两部分，其中办公楼4800 m2，住宅楼5000 m2，改造前采用2台1吨的燃油锅炉供热，运行方式为1用1备，单台燃油锅炉供热功率为720 kW。由于燃油锅炉设备老旧，热效率仅为75%，采暖季平均利用率为0.8。燃油锅炉不仅运行费用高，碳排放量大，同时存在极大的安全隐患。经计算，改造前一个供暖季供热量为5872 GJ，需消耗190吨柴油。同时燃油锅炉的碳排放量也十分大，如按16烷值计算1吨柴油产生二氧化碳，1吨柴油燃烧产生的二氧化碳排放物为3.115吨，则一个供暖季共产生二氧化碳排放物为591.85吨。而改造后采用高温复合相变储热材料电热装置并使用电力来进行供暖，不排放任何燃烧物，极大地减少了碳排放，达到了减排目的。同时，高温复合相变储热材料电热装置可利用谷电完成加热、储热、放热等功能，从而降低采暖季运行费用。
1 供热设计
该供热系统设计基于高温复合相变储热材料电热装置，并添加直热式电锅炉作为辅助热源，其供热流程图如图2所示，实际设备如图3所示。其中高温复合相变储热材料电热装置配备高密度复合材料30000 kg，该设备加热功率为800 kW，最大储热量为6400 kWh，直热式电锅炉加热功率为600 kW。在建筑日热负荷小于6400 kWh时，仅用复合相变储热电热装置供暖便可满足热用户需求，而在建筑日热负荷大于6400 kWh时便需要开启直热式电锅炉来辅助供暖。系统主要装置性能参数如表2所示。
图2 供热系统流程图
图3 实际设备图
表2 设备性能参数
2 供热负荷计算和运行策略
2.1 用户侧供热负荷计算和运行策略
本工作根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 26—2010)》《实用供热空调设计手册(第二版)》《公共建筑节能设计标准(GB 50189—2005)》确定此供暖区域的建筑围护结构热工性能参数。使用Transient System Simulation Program(TRNSYS)软件中的Transient System Simulation Build(TRNBuild)软件包对此供暖区域的建筑的供暖季逐时热负荷进行计算。该软件可以实现对建筑的负荷计算，通过对建筑模型进行参数设计，根据用户的需求可以进行个性化设置。其中包括丰富的墙体类型，还可以自定义墙体类型；对窗户可进行对流换热系数的设定，选择玻璃类型等；空调系统的换风次数；室内设计温度及湿度；内热源的设置以及系统间歇式对负荷不同需求量进行设置等。
本工作首先使用TRNBuild软件包对此供热区域的住宅楼进行供暖季逐时负荷模拟。该住宅楼共5层，层高2.8米，长为50米，宽为20米，建筑面积为5000 m2，南向窗墙比为0.5，其他方向窗墙比为0.3。设定此建筑每层为单独热区，各热区在供暖季的供暖设计温度为20 ℃，供暖湿度为30%。房间新风量设置为0.3 h-1，门窗渗透风量共取0.8 h-1，不考虑内热源项对建筑负荷的影响。根据以上条件进行设置，得出的建筑逐日热负荷如图4所示。
图4 住宅楼供暖季逐日热负荷及热指标变化图
其次对此供热区域的办公楼进行供暖季逐时负荷模拟，此办公楼共4层，层高3.3米，长为60米，宽为20米，建筑面积为4800 m2，各朝向窗墙比均为0.6，每层可容纳300人进行办公。设定办公楼每层为单独热区，各热区在供暖季办公时间内供暖设计温度与供暖设计湿度分别为20 ℃、30%，在非办公时间内供暖设计温度与供暖设计湿度分别为15 ℃、30%。办公楼门窗渗透风量取0.6 h-1，新风换气量为40 m3/(h·p)，电气设备及灯光功率为15 W/m2，人体散热的显热量为90 W，潜热量为46 W，潜湿量为49 g/h。得出此办公楼在供暖季逐日热负荷如图5所示。
图5 办公楼供暖季逐日热负荷及热指标变化图
由TRNBuild软件模拟可知，住宅楼在供暖季的尖峰热负荷为284.09 kW，供暖季累计供热负荷为480.37 MWh；办公楼在供暖季的尖峰热负荷为327.61 kW，供暖季累计供热负荷为241.77 MWh。住宅楼及办公楼供暖区域的热指标如图6、图7所示。
图6 住宅楼供暖区域供暖季逐日热指标
图7 办公楼供暖区域供暖季逐日热指标
根据计算结果可知，此供热区域在供暖季尖峰热负荷为576.02 kW，供暖热指标为58.78 W/m2，供暖季累计供热负荷为722.14 MW·h。此计算结果在工程经验的取值范围内，并且能够反映出建筑外围护结构热工性能较好。为方便讨论，此供暖区域在供暖季11月15日至次年3月15日按上半月与下半月分为8个时间段，并对各时间段内的供热区域供暖所需热量进行分析，计算结果如图8所示。
图8 供暖季各时间段内供暖所需热量图
由图8可知，在整个供暖期内，⑤号时间段(1月15日至1月30日)内的供暖区域供暖所需热量最大，累计需要供暖热量为128.1 MWh，⑧号时间段(3月1日至3月15日)内的供暖区域供暖所需热量最小，累计需要供暖热量为50.1 MWh。
2.2 高温复合相变储热材料电热装置运行策略
本工作中谷电时段为23:00～7:00，平电时段为7:00～9:00、15:00～18:00、20:00～23:00，其余时间为高峰时段。该系统加热储热热量、时间分配如表3所示。
表3 系统加热储热热量、时间分配
对于9800 m2的供热面积，考虑16 h放热，平均供热负荷为40.95 W/m2，符合供热设计要求，即使出现极寒天气，也可以在平电时段启动蓄热式电锅炉进行补热，以满足供热需求。装置储热放热时段及温度变化如图9所示。
图9 储热装置加热储热放热图
本团队选取的高温复合相变储热材料其相变起点温度618 ℃，相变峰值温度627 ℃，相变终点温度635 ℃。在加热储能阶段，储热材料先升温至相变起点温度618 ℃，此时材料开始发生相变，由于相变潜热的存在，其储热性能大幅提升，之后材料被加热至相变终点温度635 ℃，并结束加热储能过程。在供热阶段，材料在650～618 ℃，温度下降较为缓慢，这是由于材料发生相变的缘故，而在温度下降至618 ℃之后，材料不再发生相变，其降温速度也大幅提升。
3 运行费用分析
高温复合相变储热材料电热装置和直热式电锅炉均通过消耗电能来进行供暖，而燃油锅炉则是通过消耗柴油供暖，本团队将通过比较三者的供暖费用来分析采用高温复合相变储热材料电热装置的可行性。供暖季该建筑用于供暖的耗电量如图10所示。
图10 建筑供暖耗电量
该文选取1～10千伏电价来进行运行费用分析，具体电价如表4所示。针对高温复合相变储热材料电热装置系统，在日供暖热负荷小于6400 kWh时，仅凭借高温复合相变储热材料在夜间低谷电期间储存的能量便足以为建筑供能，其运行成本=6400×谷电价格。而在日供暖热负荷大于6400 kWh时，需要开启直热式电锅炉进行补热，此时运行成本=6400×谷电价格+(热负荷-6400)×平均电价。而针对直热式电锅炉系统，其运行费用为热负荷×平均电价。根据上述条件，可计算得出高温复合相变储热材料电热装置及直热式电锅炉的日运行费用。而针对改造前的燃油锅炉其运行费用为消耗柴油量×柴油价格，经查阅资料，2021年北京市柴油价格为7890元/吨。高温复合相变储热材料电热装置及直热式电锅炉的日运行费用对比如图11所示。
表4 2021年北京市丰台区电价
图11 供暖日费用
高温复合相变储热材料电热装置在夜间电价较低时(低谷电)进行储能，并在白天释放储存的能量来用于供热，这体现了其调峰作用，同时相较于直热式电锅炉，由于使用了价格更低的低谷电，大大降低了采暖成本。三者在供暖季的总运行费用如图12所示。
图12 供暖季供暖设备运行总费用
统计供热季节的全部运行费用，使用高温复合相变储热材料电热装置运行费用为28.23万元，使用传统的直热式供热系统运行费用为66.83万元，使用燃油锅炉运行费用为179.075万元。与直热式供暖系统相比运行费用降低了57.76%。与燃油锅炉相比，运行费用降低了84.23%。通过改造，使得运行费用大幅降低，证实了改造的可行性。
4 结论
（1）在未经改造前目标建筑采用2台1吨的燃油锅炉供热。燃油锅炉设备老旧，热效率仅为75%，采暖季平均利用率为0.8。燃油锅炉运行费用高，碳排放量大，同时存在极大的安全隐患。经计算其一个采暖季共消耗190吨柴油，产生591.85吨二氧化碳排放物。而在改造后采用高温复合相变储热材料电热装置来进行供热，无碳排放，达到了节能减排的目的。
（2）本工作高温复合相变储热材料电热装置选取的储热材料为碳酸盐、氧化镁、陶瓷按比例烧制而成的氧化镁瓷基复合式材料来进行储热，相较于传统的镁砖储热材料及热水储热，其储热密度远大于上述两种材料，最高可达1802.4 MJ/m3。相较于传统的储热材料，氧化镁瓷基复合式材料不仅有更高的储热密度，同时其储热性能的衰减速度也慢于传统材料。另外氧化镁瓷基复合式材料采用陶瓷来进行封装，解决了储热过程中储热材料形状不稳定的问题。
（3）高温复合相变储热材料电热装置利用夜间低谷电或其他可再生能源来进行储热。其具体过程：通过加热装置将高温相变储热装置加热到一定温度，以完成储热过程。在供暖时，换热介质流过储热装置换热升温，然后流经换热器使其与用户侧供暖介质来进行换热，达到最终的供热目的。由于其利用了低谷电或其他可再生能源，使得其经济性、环保性大大提升，同时还可以将不稳定能源(例如风能、太阳能)转换为稳定能源。
（4）本工作通过比较高温复合相变储热材料电热装置、直热式电锅炉及燃油锅炉供暖季的运行费用来分析改造的可行性。经计算使用高温复合相变储热材料电热装置供暖费用为28.23万元，使用传统的直热式供热系统供暖费用为66.83万元，使用燃油锅炉供暖费用为179.075万元。高温复合相变储热材料电热装置供暖费用与直热式供暖系统相比降低了57.76%，与燃油锅炉相比，降低了84.23%，由此可得改造是可行的。
（5）在采用高温复合相变储热材料电热装置供暖后，运行费用大大降低，同时碳排放量大大降低，其主要原因有以下几点：①高温复合相变储热材料电热装置采用了氧化镁瓷基复合式储热材料，该材料储热密度巨大，这使得该装置在用户热负荷较小时，仅通过夜间低谷电时段储热便可满足用户热需求，不需要开启辅助装置补热。②高温复合相变储热材料电热装置仅在夜间低谷电期间进行储热，而低谷电价远低于其他时段电价，故用该装置供暖可大大降低供暖成本。③与改造前相比，高温复合相变储热材料电热装置通过消耗电能来进行供热，不需消耗柴油，这使得该装置碳排放量大大降低，同时高温复合相变储热材料电热装置还可通过与太阳能、风能、地热能等其他可再生能源耦合来进行储能供热，从而进一步降低供暖成本与碳排放量。
