摘要：该文以蒙西地区采用固体电蓄热装置的供暖项目为背景，从政策导向、设备选型计算、系统原理和投资效益等方面分析固体电蓄热装置的应用，能够提高用电负荷，节能降耗，助力峰谷调节。在蒙西地区具有较好的推广价值。
随着蒙西地区产业结构变化和经济水平的提高，一方面峰谷用电两极分化严重，负荷峰谷差日益扩大，严重影响电网供电的可靠性和电能质量；另一方面分散的燃煤小锅炉是造成严重雾霾的重要因素之一，“煤改电”供暖是打赢蓝天保卫战、实现“碳达峰、碳中和”的重要举措，有利于进一步改善空气质量和居住环境。蒙西地区统一供暖管网覆盖率不足30%，大部分地区依然采用燃煤锅炉供热[1]，依托蒙西地区的资源优势，火电装机和新能源装机整体富裕，但是低谷段电能利用率低，电网调峰困难，电采暖的大规模推广可以快速增加用电负荷，消纳夜间富余电能，同时进一步促进风电、光电等可再生能源产业的发展，提高清洁能源装机占比，对推动能源电力清洁低碳发展具有重要意义，也将促进蒙西地区电力行业健康持续发展。大力推广在低谷段运行的固体电蓄热装置，是削峰填谷、清洁环保的有效办法，与其他热源相比，固体电蓄热装置有功率密度大、无污染、经济节约及便于安装等优势，并且可通过消纳低谷电及风光弃电来供暖，实现节能减排、削峰填谷。
固体电蓄热装置主要利用固体材料显热储热技术，以材料升温或降温过程中的温差来实现热能存储与释放，在整个工作温度范围内，储热材料始终保持固定形态，目前商业化应用主要有镁砖材料，其储热密度高，蓄热温度可达600~800℃；体积热容大，单位体积储热密度为水的5倍以上。固体电蓄热装置突破了电热转换及储能过程中的超大功率技术瓶颈，而且清洁无污染、结构配置简单、自动化程度高，依托蒙西地区充裕的电力资源、低廉的峰谷电价和电采暖政策的支持，固体电蓄热装置将在供暖领域有着广阔的应用前景。
1政策导向
固体电蓄热装置的应用主要取决于峰谷电价和政策的支持，在集中供暖管网和天然气管网覆盖不到的居民住宅、公用建筑、办公区域，以及企业、学校等区域优势十分明显。固体电蓄热装置能够根据用户需求就近安装使用，实现分户供暖、按需供暖、分室调温，能够自主调控，满足个性化使用需求，真正达到节约投资、节能降耗的目的。
1.1国家政策
2022年，国家发展改革委、国家能源局印发的《“十四五”现代能源体系规划》（发改能源〔2022〕210号）中提到：全面推进风电和太阳能发电大规模开发和高质量发展，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，优先就地就近开发利用，有序淘汰煤电落后产能，持续推进北方地区冬季清洁取暖，按照宜电则电的原则，加快配电网改造升级力度，保障电力供应，条件适宜地区积极推进蓄热电锅炉等新型电采暖设备。
国家发展改革委等十部委印发的《关于进一步推进电能替代的指导意见》（发改能源〔2022〕353号）中提到：要积极推广工商业、农业农村等重点领域电能替代，在终端能源消费领域用电能替代煤炭、石油、天然气，提高电能占终端能源消费比重，继续推进清洁取暖，在现有集中供热管网难以覆盖的区域，推广蓄热式电锅炉、分散式电暖气等电采暖，助力重点区域散煤清零，不断完善电能替代支持政策，加强规划统筹衔接，增强电力供应与服务保障，加大投融资支持力度，完善价格和市场机制，强化节能环保降碳刚性约束[6]。
1.2蒙西地区政策
2020年，内蒙古自治区发展和改革委员会印发的《关于进一步完善蒙西地区“煤改电”电价政策的通知》（内发改价费字〔2020〕996号）中提到，对农村牧区、城镇及城市周边区域的燃煤散烧治理“煤改电”和自建电采暖的居民用户，峰时段调整为10个小时（8：00—18：00），峰时段用电价格下调至0.465元/kW·h；谷时段调整为14个小时（18：00—次日8：00），谷时段用电价格下调至0.165元/kW·h。随着蒙西地区以新能源为主体的新型电网系统的全面建设及电采暖政策的深入实施，将大力促进能源电力清洁低碳发展，保障能源电力安全供应，推动能源产业链转型升级，保持蒙西地区经济持续健康发展。
蒙西地区建有大型煤电基地和风电、光伏基地，区域内无法消纳大量电力，长期以来，蒙西电网由于外送通道少，造成严重的窝电现象。电力送出问题一直是内蒙古电力发展的瓶颈，而固体电蓄热装置具有高电压、大功率等特点，可以根据电能分布情况就近安装使用，功率覆盖范围大，而且调节灵活，既能满足区域的用热需求，又能增加用电负荷，平衡电网峰谷差值，提高现有发电机组的利用率，实现富余电能的自我消耗，避免电力资源的浪费，为蒙西地区电力的健康可持续发展提供新的契机。
2设备选型计算
2.1蓄热功率计算
蒙西地区某公司办公场所进行热源升级改造，采用固体电蓄热装置进行供暖，整个办公场所供热面积约38 000 m2，层高3.2 m，此办公场所为节能建筑，采暖终端为钢制柱式暖气片，要求二次管网供回水温度为65℃/40℃，装置接入电压为10 kV AC，利用电网谷电时间段进行加热并满足全天供热需求。
按照CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》中采暖热指标推荐值表，采暖热负荷按55 W/m2计算。蒙西地区峰时段为10个小时（8：00—18：00），峰时段用电价格为0.465元/kW·h；谷时段为14个小时（18：00—次日8：00），谷时段用电价格为0.165元/kW·h。考虑到办公场所实际供热需求，室内温度按照20℃设计，蒙西地区整个采暖期为180 d（10月15日至次年4月15日），因建筑物一天中不同时刻受太阳光照影响，温度呈曲线变化，η通常取值0.8，即全天平均负荷率按80%考虑。
1）日采暖总热负荷按式（1）计算
W=Q×S×T1÷η，（1）
式中：W为日总热负荷，kW·h；Q为采暖热负荷，W/m2；S为供暖面积，m2；T1为全天供暖时长，24 h；η为全天平均负荷率，%。
经计算日采暖总热负荷为40 128 kW·h。
2）固体电蓄热装置的功率按式（2）计算
P=W×d÷f÷T2，（2）
式中：P为固体电蓄热装置的功率，kW；W为日总热负荷，kW·h；T2为蓄热时间，全天谷电时长，14 h；d为管道热损，取值1.05；f为装置热效率，取值0.95。
通过计算可知，固体电蓄热装置的功率为3200 kW。
2.2蓄热材质的选择
该项目的蓄热体材质选用成本造价低的镁基耐火材料为基础（氧化镁含量不低于92%），并添加纳米微晶材料，1 600℃高温烧制而成，蓄热砖密度大于等于3.0 g/cm3，荷重软化温度大于等于1 550℃，常温耐压强度大于等于50 MPa，蓄热砖可塑性强，可根据使用要求定制多种款式，并具有蓄热能力强、性能稳定、使用寿命长等优点。
2.3电热丝材料的选择
该项目的电热丝采用螺旋式裸丝结构，镍铬合金材质（牌号：Cr20Ni80），具有表面热负荷高、耐高温腐蚀、电气性能稳定、运行可靠、使用寿命长、电阻相对稳定、功率偏差小和安全系数高等优点，在正常运行工况下，设计反复加热寿命大于2万h。
3固体电蓄热装置系统原理
整个供热系统主要由高压线路、配电系统、固体电蓄热装置本体、供热管网系统、终端散热系统和控制系统等组成，如图1所示。
图1固体电蓄热装置系统组成
3.1固体电蓄热装置本体结构
固体电蓄热装置由钢结构骨架、换热系统、蓄热体、电加热丝和保温材料等组成，本体结构如图2所示。
图2固体电蓄热装置本体结构
1）蓄热体。蓄热体采用异形蓄热砖按照一定的排列顺序砌筑而成，蓄热砖具有双定位装置，能够有效限制上下块蓄热砖之间的前后左右相对位移，较好地保证了蓄热体在受热胀冷缩影响时不会发生较大的倾斜与位移；依托异型蓄热砖的结构，在砌筑过程中搭接形成纵向贯穿的孔洞，用于电加热丝的安装和循环热风的风道。
2）钢结构骨架。固体电蓄热装置的框架采用国标型钢焊接而成，具有高承载力、高强度、耐腐蚀、施工方便和成本低等优点，而且将蓄热单元与换热单元分别置于钢结构上部和下部，既能实现换热系统在固体电蓄热装置内封闭循环，提高热利用效率，又能保证在断电时候，高温气体不会下沉至换热系统内发生气化现象，安全性能更高。
3）保温。固体电蓄热装置保温采用导热率低、隔热性能好的硅酸铝棉毡，属于A级耐火材料，具有重量轻、稳定性好、介电常数高和电气绝缘性能好等优点，而且最高使用温度可达1 300℃，凭借优异的保温性能，在运行过程中，装置表面最高温度不超过所处环境温度35℃。
4）换热系统。固体电蓄热装置的换热系统由高温风机、换热器和风道组成。其中，高温风机采用特殊结构和工艺，电机与叶轮直联，机壳采用复合保温材料，结构上实现减震、消声、节能，并且热量损失少，使用性能稳定，机械效率高；换热器采用螺旋铝翅片管式结构，适用于热冷交换的复杂工况与环境，具有传热系数高、散热功能好、机械强度高、承压能力强、耐腐蚀，以及使用寿命长等特点。
3.2供热系统
该项目的供热系统由固体电蓄热装置的换热系统、一次管网供热系统、二次管网供热系统、补水系统及终端散热系统构成。其中，终端散热系统为办公场所原有设施，本文不再详述，供热系统工作原理如图3所示。整个供热系统采用闭式供热系统，满足各类用热负荷要求，系统成熟，运行可靠，而且整个系统安装得灵活性好，受建筑结构影响低。供热系统的管道采用国标无缝钢管，耐腐蚀性好，耐高温，抗冲击，疲劳性能好，有效使用寿命15年以上；管道保温选用B1级橡塑保温管，具有导热系数低、防火阻燃、防潮阻湿、减振降噪、环保健康、使用寿命长、外观素雅美观和安装方便等优点；供热系统中设置了安全阀、自动排气阀、隔膜式压力膨胀罐等装置，具有运行安全可靠、设备寿命长、节水节能等优点。
1）固体电蓄热装置换热系统。蓄热阶段，利用电热丝将电网的低谷电或风光弃电等廉价电能转化为热能存储在蓄热体内，存储的热量满足办公场所当日供热所需。换热阶段，利用高温风机带动空气流经蓄热体孔洞，空气温度逐渐升高，加热后的空气进入到换热器内，并与换热器内的冷回水进行“气-水”热量传递，加热后的水在循环泵的驱动下，在一次管网中进行换热循环，冷却后的空气再次回到蓄热体内，开始下一次换热循环。整个换热系统实现封闭循环，依靠良好的保温性能，热量损失少，换热效率高。
2）一次管网供热系统。在循环泵的驱动下，管道中的冷回水（50℃）通过固体电蓄热装置的换热系统加热到75℃，并在板式换热器中进行“水-水”热交换，换热后的冷回水重新进入到换热系统内，开始下一次换热循环。
3）二次管网供热系统。利用固体电蓄热装置的换热系统，将蓄热体存储的热能传递给一次管网循环水，再通过板式换热器，将一次管网循环水的热能传递给二次管网循环水，在二次管网循环泵的驱动下，循环水流经终端散热器，并将热量辐射到建筑物内。通过监测室内外环境温度，调节高温风机的风量，来控制供水温度，实现按需供暖，能够自主调控，满足个性化使用需求，真正达到节能降耗的目的。
4）补水系统。供热系统采用2套独立的补水系统，分别用于一次管网供热系统和二次管网供热系统，水源取自设备间自来水分支管路，经软化水处理器软化后的软水存储在水箱中，管道上的压力传感器检测管道压力信号并上传至PLC控制系统，由PLC控制系统控制补水泵按照预设定压力自动启动进行补水。由于一次管网系统较小，管道压力受水温变化影响较大，在一次管网补水进口设置了压力膨胀罐，有效解决管道压力随水温变化骤升骤降问题。
注：1为固体电蓄热装置；2为一次管网循环泵；3为板式换热器；4为压力膨胀罐；5为软化水处理器；6为补水水箱；7为一次管网补水泵；8为二次管网补水泵；9为二次管网循环泵。
图3固体电蓄热装置供热系统工作原理图
3.3供电系统
固体电蓄热装置采用10 kV高电压直接供电方式，免去10/0.4 kV变压器设备，高压电源直接接入固体电蓄热装置内，实现大功率电热转换和大容量热储能。高压电源由蒙西地区的电力服务公司负责接引至公司红线内，通过10 kV电压等级架空线路引入至配电室，高压开关柜与固体电蓄热装置接线端子采用电缆直接连接，接引方便简单，成本低，同时作为纯电阻装置，不会产生谐波，不会对其他入网设备的使用产生任何影响。该供电方案变配电设备少，可有效降低占地面积和初始投资费用，而且没有变压器损耗，电能利用3.3供电系统
固体电蓄热装置采用10 kV高电压直接供电方式，免去10/0.4 kV变压器设备，高压电源直接接入固体电蓄热装置内，实现大功率电热转换和大容量热储能。高压电源由蒙西地区的电力服务公司负责接引至公司红线内，通过10 kV电压等级架空线路引入至配电室，高压开关柜与固体电蓄热装置接线端子采用电缆直接连接，接引方便简单，成本低，同时作为纯电阻装置，不会产生谐波，不会对其他入网设备的使用产生任何影响。该供电方案变配电设备少，可有效降低占地面积和初始投资费用，而且没有变压器损耗，电能利用率更高。
3.4控制系统
固体电蓄热装置采用成熟通用的PLC控制方式，可实现手动、自动、远程控制3种运行模式，具有抗干扰能力强、故障率低、易于设备扩展和便于维护等优点。PLC控制系统主要由控制柜、智能仪表、变频器、传感器和触摸屏等组成，并配有通信接口（RS485），可通过通信接口与监视器、打印机等设备实现通信，同时也支持5G/4G/WIFI/以太网等联网方式，根据用户需求构建物联网通信网络，进行实时的数据采集，从而实现远程监控和管理，有助于提高装置的运行效率，降低运行成本。在智能运行方面，PLC控制系统根据采暖期内室内外环境温度变化，通过调节蓄热体的温度、高温风机风量、供回水温度和管网水流量来实现供暖的实时控制，真正达到节能降耗的目的。
控制系统具备完善的数据监测和故障报警功能，系统现场安装了就地电流表、电压表、管道压力表和供回水温度表，方便巡检人员查看和记录系统运行状态。
除了就地仪表外，系统还安装了蓄热体温度传感器、室内外环境温度传感器、供回水温度传感器、管道压力传感器和过流过压速断保护等监测设备，能够将系统运行数据实时传送至控制器上，一方面能够形成运行数据报表和运行曲线供运维人员查看使用，另一方面能够及时检测出异常数据，发出故障报警，并及时切断加热电源，保证系统的安全性。
固体电蓄热装置的控制系统已经接入互联网监管运行系统，通过登录云端数据平台，项目运维人员可以查看实时能耗数据，也可以根据实际使用情况对固体电蓄热装置进行远程调温、设置模式、设置调温区间和远程锁定等操作，而且通过手机端的使用，运维人员无需24小时值守，在任何地方、任何时间只要可以上网，就可通过手机端对项目地设备进行监测和控制，真正实现技术节能和行为节能的统一。
4投资效益分析
蒙西地区某公司办公场所进行热源升级改造，总投资费用包括：固体电蓄热装置费用（蓄热体、保温、电热丝、钢结构、高温风机和换热器等）、电气设备及辅材费用（高压开关柜、PLC控制柜、电缆线和桥架等）、暖通设备及辅材费用（软化水处理器、水箱、水泵、板式换热器、管材、阀门和仪表等）、安装费和管理费，具体费用见表1。
表1总投资费用万元
采暖期运行总电能费用按式（3）计算
F=P×T2×T×γ×s1，（3）
式中：F表示总电能费用，元；P表示电蓄热装置的功率，kW；T2表示蓄热时间，全天谷电时长，14 h；T表示采暖期天数，按180 d计算；γ表示采暖期平均负荷调节系数，取0.5；s1表示每kW·h电费，电价格按0.165元/kW·h计算。
经计算整个采暖期运行总电能费用为665 280元，计入其他费用，年均运行成本约75万元。
由上述内容可知总投资费用为220万元，年均运行成本约75万元，本项目实际收取供暖费标准为33元/m2，供热面积按38 000 m2计算，则年均供暖费用收入约125万元，由此得知，4年半后可收回成本[10]，而固体电蓄热装置的使用寿命约为20年，考虑到易损件的更换维修费用，整个投资收益还是相对可观的。
5结束语
通过对蒙西地区和固体电蓄热装置供暖系统的整体分析，固体电蓄热装置的应用可以有效降低蒙西地区电力负荷峰谷差，实现节能减排、削峰填谷，促进蒙西地区电力行业健康持续发展，而且固体电蓄热装置清洁环保、无污染，是改善居住环境，提高生活质量、建设生态宜居城市和美丽乡村的兴业惠民工程。
作者简介：秦晨，男，助理工程师，产品经理。研究方向为固体储能技术与应用。
