摘要：蓄热镁砖通过与加热元件和水盘管换热装置规则的排布，在保温模块的的搭配下利用智能控制系统和其他的组成部分相结合，共同构成了固体蓄热采暖系统，通过对设备原理、工艺、组成部分和案例的使用效果分析、研究，探究固体电蓄热采暖的设计特点、使用情况、经济效益、适用范围以及存在的问题，并合理提出相关的改进措施和解决办法。
近年来，风电和光电技术快速发展，但由于发电时段不确定性使其在电网调度方面存在问题。发电调节灵活性差以及其他原因造成了弃风、弃光现象严重，尤其以“三北”地区更为普遍，导致新能源的极大浪费。采用蓄能技术是解决弃风、弃光问题的有效途径，在一些地方相继应用了固体电蓄热调峰，提高了经济效益，缓解了电网调峰压力。目前，我国许多地区都执行“峰谷电价”政策，实施“煤改电”工程，利用谷电蓄热采暖的方式实现24小时供暖。谷电蓄热技术在电网调峰和采暖领域备受关注。
弃风弃光电和低谷电蓄热技术有电极热水锅炉蓄热技术、电阻热水锅炉蓄热技术、固体砖蓄热技术、熔盐蓄热技术。按照临界电价法综合分析主流蓄热式电采暖方案的经济性，高温固体蓄热电锅炉方案最佳。蓄热能力比同体积水的蓄热能力强5倍左右，减小设备占地面积。
既往专家及学者主要是针对风机将空气传输到蓄热体的一侧或下方的气-水换热器中进行热交换形式的固体蓄热机组进行研究，包括蓄热过程相关研究，蓄热原理及传热相关研究放热过程相关研究，控制系统相关研究案例应用相关研究。而针对固体蓄热方面的综合性分析较少，且针对水盘管与蓄热砖直接接触换热这种形式的固体蓄热机组综合性研究几乎没有。鉴于此，本文将以实际案例对固体蓄热装置进行概括总结，对水盘管与蓄热砖直接接触换热这种形式的固体蓄热装置从原理、系统设计、物性参数等方面进行系统介绍，并结合实际案例对测试结果、经济效益、不足之处及解决办法、适用范围等进行研究讨论。本文研究工作将为气-水换热器形式的固体蓄热装置和水盘管与蓄热砖直接接触换热形式的固体蓄热装置的系统优化设计及未来研究工作提供新思路。
1工程概况
某项目地点位于河北省保定市，某小区集中供热改造，采暖期室外供暖计算温度-7℃。建筑物建设于90年代，外墙为370厚砖墙，无保温施，大多数门窗为钢制门窗，建筑物层数均为6层，总供暖面积28000平方米，热源点1个，采用工作电压0.4 KV的固体蓄热装置，满足全天供热需求。
2系统原理
固体蓄热装置采用高温蓄热技术、储能保温技术、智能控制技术、限温保护技术。其工作原理是利用谷电时段电加热元件加热蓄热体，蓄热体的热量将水盘管热交换器中水加热至设定温度输送到用户末端。
3设备选型
3.1机组选型
参考CJJ/T 34-2022《城镇供热管网设计标准》中供暖热指标推荐值，采暖设计热指标取60 W/㎡。根据要求连续蓄热时间10小时/天，满足其余14小时/天输出功率60 W/㎡采暖需求。参考DB21/T 2018-2019《电蓄热炉工程应用技术规程》中规定蓄热机组的输入功率取4.2 MW。蓄热机组包括4个蓄热模块，每个模块单独控制互相不受影响。
3.2供、回水温度及水泵选型
采暖供/回水设计温度70℃/55℃，采用2台采暖循环泵，水泵流量0=70m³/h，扬程H=36.5 m，1台备用泵;2台采暖补水泵，水泵流量0=6.3m³/h,扬程H=32 m。设备间情况见下图1。
图1集中供热改造项目设备间
4设计特点
4.1供热系统设计
整个集中供热系统由蓄热体、加热元件、保温模块、换热器水盘管、循环水泵、补水泵、水箱、阀门仪表、旁通阀组、管道、低压配电柜、控制柜系统等组成，如图2所示。
1—蓄热体2—水箱3—补水泵4—循环水泵5—分水器6—集水器7—配电柜
图2设备间采暖系统平面图
4.2蓄热主体
根据蓄热体的设计功率、加热时间、蓄热体初始和最终温度来设计蓄热体。采用镁砖最高储热温度750℃，最低储热温度150℃。蓄热砖物性参数见表1。
表1蓄热砖物性参数
蓄热砖的正反两侧均有凹槽，一侧凹槽上放置加热元件，另一侧凹槽上放置水盘管，布置第一层蓄热砖，布置第一层加热元件，布置第二层蓄热砖，布置第一层不锈钢换热盘管，以此类推，蓄热模块示意图见下图3。
1-耐火水泥砂浆2-耐火砖3-加热元件4-换热水盘管5-蓄热砖6-陶瓷纤维毯7-蛭石板8-工字钢底座9-混凝土基础
图3蓄热模块示意图
4.3蓄热砖的结构排布图
固体蓄热中电加热元件应用最多的是电加热丝和电加热管，具体选用根据其性能。蓄热砖与加热元件、换热水盘管的接触方式见下图4。
1—蓄热砖2—换热水盘管3—加热元件
图4蓄热砖结构排布图
4.4固体蓄热装置换热器
换热器由立管和支管及排污口组成，水盘管换热器中具有多组NTC感温探头和电子压力传感器以及自动排污装置。换热器结构如图5所示。
1-换热器出水口2-换热器进水口3-排污口4-换热水盘管
图5固体蓄热装置中换热器结构图
4.5固体蓄热装置保温模块
绝缘保温层由陶瓷纤维毡制成，保温模块缝隙处采用错位多层排布的方式减少热量损失。陶瓷纤维毯的参数如表2所示。
表2陶瓷纤维毯参数
4.6控制逻辑
固体蓄热装置采用PLC控制系统，具有过温保护、超压保护、过流保护、短路和过载保护等。蓄热体中插入有若干根热电偶，通过监测蓄热温度反馈给配电柜来控制通断相应组数的电加热元件的电源，当蓄热温度达到设置值时切断电源，蓄热温度低于设定值50℃时再次加热。利用变频水泵调节水流速，从而控制水的温度。当系统停电水泵无法正常工作时会立即切换到备用电源，备用电源由发电机供电。
5使用效果测试
测试概述5.1
对小区集中供热改造项目采暖系统进行了为期85天的使用效果测试。选取了其中一户有代表性的住户进行测试。所使用的仪器是无线温度采集器包括室外空气温度、起居室温度、卧室空气温度浴室空气温度，这些温度都被记录下来。5.2测试结果
谷电固体蓄热采暖系统中建筑物室内外空气温度波动曲线如图6所示。
图6固体蓄热装置供暖系统室内外空气温度波动曲线
从记录的数据上整理分析可以得到室外空气、客厅空气、卧室空气、卫生间空气在测试期间的平均温度、最高温度、最低温度、运行时间等数据如表3所示。
表3固体蓄热装置供暖系统室内外空气温度测试一览表
供热改造谷电蓄热采暖系统使当地居民室内平均温度提高2℃以上，达到较好的供暖效果，清洁采暖助力碳达峰和碳中和。蓄热储能技术充分的实现削峰填谷也是调整用电负荷的一种措施。利用谷电电价低廉可以比其他的电阻式电采暖节省二分之一以上的运行费用。但对热量输出、室内温度的均衡控制上还有待提高。
6经济效益与适用范围分析
6.1经济效益分析
整个系统包括固体蓄热装置、混凝土基础配电柜、控制柜、水泵、水箱、机房内管路、阀门和仪表共投资约270万左右，谷电供暖电价为0.3元/kwh，谷电时间原为10h现已延长至12h，全天24 h供暖，供暖测算，项目的年耗电量约153.3万kwh，总能源费用约47.9万元，算上人工管理费、维修费等其他费用，年均总成本约53万元。项目实际收取供暖费标准为20元/m²，则年均供暖费收入约56万元，投资回收周期较长。一般情况供暖收费标准很难上调，经营成本中购电费用对经济指标影响较大。
通过测试、分析和研究可知，现有的项目和技术上还存在一些问题，若想进一步提高经济效益和投资回报率可以通过以下几种方式:
(1)通过向政府申请设备和取暖费用上的政策补贴，初投资和经营成本可得到下调，从而提高经济效益;
(2)通过测试发现固体蓄热设备在采暖季供暖期间的多数天数中谷电利用率不充分的问题。主要是蓄热体设计偏大。可以在蓄热体设计时对采暖期进行逐时热负荷的模拟，更加精确计算蓄热体，从而进一步减小蓄热体的体积，提高谷电利用率，减少初投资;
(3)适当下调最低设计储热温度，提高换热器的换热效率，增加蓄热温差，从而减小蓄热体积，减少初投资;
(4)在整个供暖系统中，增设温度补偿系统，在室外和用户端增设多组温度采集器，利用PLC控制系统根据用户室内温度、室外温度和设备运行情况进行供回水温度调节，从而实现按需供热，减少热量浪费，节省运行费用;
(5)采用多能源耦合系统的方式，如固体蓄热+热泵、固体蓄热+太阳能、固体蓄热+天然气锅炉等，计算出初投资和运营成本的最佳平衡点，实现投资回报利益最大化。
6.2适用范围分析
固体蓄热技术的使用效果不受室外环境因素的影响，国内大部分区域均具有明显的峰谷电价差，可以充分的发挥谷电稳定蓄热的特点，在民业和工商业中均有广泛的应用。
(1)固体蓄热分布式能源站和多能互补耦合系统在采暖、热水、烘干等需求方面应用，如严寒地区固体蓄热+热泵耦合系统供暖等;(2)固体蓄热技术在“弃风弃光”较严重地区，与发电企业合作减少资源浪费、降低用能成本、缓解弃风弃光现象:
(3)固体蓄热技术在火电厂非供暖季节实现储能调峰需求;
(4)固体蓄热技术在虚拟电厂中的应用。
7结语
通过对某小区集中供热改造项目的梳理、研究、测试、分析可以发现，集中供暖固体蓄热采暖系统的供热效果较好，谷电蓄热缓解了电网压力，智能化的设计理念和清洁供暖(热)的特点使得固体电蓄热可以在更多的采暖、热水、储能场景中有长足的发展和进步。通过测试、分析和研究可知，现有的项目和技术上还存在一些问题，并分别从多方面提出解决办法。来提高室内温度的均衡性，提高谷电利用率，按需供热，减少热量浪费，提高经济效益和投资回报率。固体蓄热(技术)采暖系统运营成本和投资回报率受电价影响较大，在设计选择时应根据供暖规模和能源价格综合考量。此类技术在有政府政策补贴的项目中有较好的经济性，在燃煤热电机组调峰储能调峰项目中投资回报率较高、在'弃风弃光”较严重地区与风电和光电企业合作经济效益会更好、在多能互补耦合系统中会有更多的应用。其蓄热体蓄热量较高、蓄热密度较大、蓄热材料较稳定，在众多的采暖设备(系统)中处于较高水平和较低的运行费用。
作者：刘冰冰，宁波方太营销有限公司；杜佳鑫，广东纽恩泰新能源科技股份有限公司。
