摘要：针对北京市丰台区一个供热小区，结合建筑物热工性能，进行了典型年的冬季供热热负荷计算，得到了小区建筑物的逐时热负荷、小区供热总负荷以及局部时间段小区供热的需求量等结果。在此基础上，建立了以基于微包裹复合相变储热材料的电热装置为主、直热式电锅炉为辅的供热系统。基于微包裹复合相变储热材料的电热装置具有加热、储热、放热等功能，不仅可以在全天各时段分配电热量，而且整个装置采用风机变频控制，可以提供稳定温度的热水。结合这一特性，针对实际供热对象，进行冬季供热研究分析，包括供热设备运行模式、加热放热时间安排以及降低运行费用的方法。研究结果表明，以基于微包裹复合相变储热材料的电热装置为主、直热式电锅炉为辅的供热系统不仅可以保证冬季供热质量，而且还能降低５７．４１％的运行费用，并具有极寒季节调峰的功能。
前言
蓄热式电锅炉是一种新型的电热供热装置，其优势在于可以在夜间电价较低时（低谷电）进行储能，并在白天释放储存的能量用于供热，既可以充分利用发电装置，而且使用价格更为低廉的低谷电，还能很大程度上节约采暖成本。目前蓄热方式大致可分为３种：第一种是固体镁砖蓄热，此种蓄热方式通过显热的形式存储热量，其加热温度可达６８０℃；第二种是热水蓄热，它利用温差蓄热，其发明运用时间较长，技术较为成熟；第三种是高温复合相变储热材料蓄热，由于该种材料在储热时存在相变焓，故其储热密度在这三者之中最大。如果将风机变频技术应用于高温复合相变储热材料的蓄热过程，就可以提供稳定温度的热水。虽然在蓄热效率方面，高温复合相变储热材料有着巨大优势，但其成本造价要高于上述前两种蓄热方式。因此，制造一种建造运维成本低廉、占用空间尽量小，且能在各种条件下稳定供热的复合相变储热材料电锅炉供热系统，成为了当前热门的研究方向。
近些年来，许多学者对现有的蓄热式电锅炉供热系统进行了优化改造研究。刘圣冠等根据蓄热的时长或阶段，将蓄热电锅炉系统运行分为全低谷电运行和低谷电＋平电运行这两种运用方式，并简要分析了两种运行方式的应用场景。李潇等针对风电消纳受阻问题，将蓄热电锅炉纳入调节，分析了蓄热电锅炉负荷的可调节特性，仿真计算了蓄热式电锅炉在目前时间尺度下３种运行模式的受阻风电消纳量和用电成本。陈洪哲等介绍了电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖系统的工艺流程，以位于张家口地区某居住小区为研究对象，在负荷分析的基础上，对此系统仅利用低谷电力进行设备选型，并分析其运行经济性。谢伟等使用蓄热水箱和蓄热式电锅炉进行供暖，由于该方式在电价低谷时段进行储能蓄热，同时在高峰时段减少电锅炉的运行时间，从而大大降低了运行成本。
本文提出一种将复合相变储热材料电锅炉作为主要供热装置，同时辅以直热式电锅炉进行补充供热的联合供热装置。在严寒季节，除了启动蓄热式电热锅炉外，还会启动直热式电锅炉。由于该系统运行时间与夜间低谷电时段高度重合，故其运行成本相对较低。本文将针对北京市丰台区一个利用复合相变储热材料电热锅炉供热的小区进行精准供热研究分析。
１微包裹复合相变储热材料电热装置
１．１微包裹复合相变储热材料
复合相变储热材料由相变材料、骨架材料以及添加剂按质量比例１∶５∶４混合烧结制而成，烧制采用直接混合－压制－烧结工艺，在１５ＭＰａ的压力下，将混合均匀的颗粒直径为０～１００ｎｍ的相变材料、骨架材料和添加剂压制成型，最后在７５０℃的温度下烧结７２ｈ后得到定型结构相变储热模块，由此形成微包裹复合相变储热材料。对于相变材料的相分离、低导热性等问题，微包裹复合相变储热材料都可以很好地解决，而且，微包裹复合相变储热材料应用了更先进的微封装技术，打破了相变储热在应用中的诸多限制。相变材料的占比成分含量越高，储热材料的整体能量密度越高，整体复合材料的相变潜热越大，储能密度也就越高。表１列出了氧化镁瓷基复合潜热储热材料的各项数据，其利用无机盐与陶瓷的复合，既解决了腐蚀问题，也解决了液相封装的问题，展示了较好的应用前景。该种材料研究起步较早，近年来受到很多学者的青睐。
表１复合相变储热材料主要参数性能表
注：＊测试和计算温度范围为１５０～６５０℃；
＊＊７０００次冷热循环后的储热性能。
１．２电热储热装置
微包裹复合相变储热材料电热装置主要设计原理如图１所示。低谷电（或风光电）通过电网输送到制热／储热场所，电热转换和存储单元（或称电制热室）内的电热管开启制热，以此来加热位于储热室内的微包裹复合相变储热材料，使之蓄热充能。空气流首先被循环风机加压，然后在压力作用下流至电制热室，并被电制热室中的换热管加热升温，升温后的空气流入储热室，并在对流换热和辐射换热的作用下将其携带的热量传递给微包裹复合相变储热材料。高温空气在经过储热室之后，先在换热器中与供热循环水进行换热降温，再重新进入循环风机重复上述流程。
图１微包裹复合相变储热材料电热装置供热原理图
非低谷电时段，关闭电制热，利用储热室存储的热量。经循环风机增压的空气流经储热室，在储热室中与微包裹复合相变储热材料进行换热，带走其存储的热量。吸热升温后的空气流至换热器，在换热器中将热量传递给循环回水，使之达到理想温度。高温空气放热降温后重新进入循环风机，进入下一个循环。该系统在运行时，可通过调节风机风量的方式灵活改变供热量，使供热量与热需求相匹配，从而提高舒适度、节约成本。
２小区供热负荷计算
本文所述供热对象为北京市丰台区某民用住宅区，其中典型年气象参数选用北京市ＣＳＷＤ数据源进行计算，其供暖季室外逐时干球温度如图２所示。
图２北京市典型年供暖季逐时室外干球温度
该供热小区有３栋建筑物，均为非节能建筑，每栋共有６层，每层层高为２．８ｍ，建筑长边长度为６０ｍ，短边长度为１８ｍ，建筑总面积为１９４４０ｍ２。北向窗墙比为０．３，东、西向窗墙比为０．３５，南向窗墙比为０．５。根据ＪＧＪ２６－２０１０《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》确定住宅建筑围护结构热工性能及供暖设计参数等参数。
本文使用ＴＲＮＳＹＳ软件中的ＴＲＮＢｕｉｌｄ（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢｕｉｌｄ）软件包进行计算。此软件包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，可以根据用户的需求个性化地设置，其中包括丰富的墙体类型，还可以自定义墙体类型；可以设定窗户的对流换热系数、选择玻璃类型等；设定空调系统的换风次数；设定室内设计温度及湿度；设置内热源以及系统间歇式对负荷不同的需求量等。现对此供暖区域的热用户做供暖季逐时热负荷模拟，其中一个建筑热用户的几何模型如图３所示。设定每栋建筑中每层为单独热区，冬季供暖设计参数一致，冬季室内供暖设计温度为２０℃，冬季室内供暖设计湿度３０％，机械新风及门窗渗透风量取０．９ｈ－１，不考虑内热源项与各建筑间遮阳对建筑热负荷的影响，设定仿真时间步长为０．２５ｈ，供暖时间为１１月１５日至次年３月１５日。根据以上条件进行设置，得出此热用户建筑在供暖季的逐时热负荷，如图４所示。
图３单栋建筑几何模型图
图４热用户建筑供暖季逐时热负荷变化图
由ＴＲＮＳＹＳ软件模拟可知，热用户在供暖季的尖峰热负荷为１０９４．２ｋＷ，供暖热指标为５６．３Ｗ／ｍ２，供暖季累计供热负荷为１８３０３３８．５ｋＷ·ｈ。尖峰热负荷出现在次年１月１９日，供暖季中１月１０日至１月３０日热负荷较高；建筑在１１月热负荷较低，最低负荷为３０．８ｋＷ，出现时间为１１月２１日。
现将供暖季１１月１５日至次年３月１５日分为８个时间段进行供暖季热负荷分析，这８个时间段分别为：（１）１１月１５日－１１月３０日；（２）１２月０１日－１２月１５日；（３）１２月１６日－１２月３１日；（４）０１月０１日－０１月１５日；（５）０１月１６日－０１月３１日；（６）０２月０１日－０２月１５日；（７）０２月１６日－０２月２８日；（８）０３月０１日－０３月１５日。各时间段内供暖所需热量如图５所示。
图５供暖季各时间段内供暖所需热量图
由图５可知，供暖季内时间段（３）至时间段（６），即１２月１６日至２月１５日供暖所需热量较大，其中时间段（５），即１月１６日至１月３１日供暖所需热量最大，为３０７１７６ｋＷ·ｈ；时间段（８），即３月１日至３月１５日供暖所需热量最小，为１４４０８７ｋＷ·ｈ。
３供热系统设计和精准供热对策
３．１供热系统的设计
基于微包裹复合相变储热材料电热装置的供热系统流程图如图６所示。微包裹复合相变储热材料电热装置加热功率１２００ｋＷ，储热量９６００ｋＷｈ。直热式电锅炉加热功率７２０ｋＷ，板式换热器最大换热量９７２ｋＷ，一次侧循环水泵流量１１０ｍ３／ｈ、扬程２５ｍ，二次侧循环水泵流量１１０ｍ３／ｈ、扬程３０ｍ。
３．２精准供热对策
为了提出供热系统的精准供热对策，本文把每年１２０天的供热季分成８个时间段，分别计算出８个时间段总的供热量，然后平均到每天，由此得出精准供热对策，以用于实际生产。表２统计了８个供热时间段的热量总需求和每天的热量需求，在此基础上，为了满足供热需求，合理优化安排供热设备的运行时间。
图６供热系统流程图
表２冬季供热８个时间段的供热负荷分析和运行模式
微包裹复合相变储热电热装置的工作原理前文已有论述，电热量储存在复合相变材料中，需要热量时，启动变频风机，水风型换热器能够精准提供一次侧供热温度，不启动微包裹复合相变储热电热装置的加热元件也能够获得热量，做到了“加热量的持续供给和变化供给”，体现出蓄热式电锅炉的优势。图７是供热季节第１时段蓄热量和放热量的分布图，代表供热初期和末期，此时段复合相变储热电热装置夜间（２３∶００－７∶００）启动８ｈ，加热功率１２００ｋＷ，蓄热量９６００ｋＷｈ，用于２４ｈ的供热，放热功率４００ｋＷ。图８是供热季节第５时段蓄热量和放热量的分布图，代表严寒期，此时段复合相变储热电热装置和直热式电锅炉夜间（２３∶００－７∶００）均启动８ｈ，加热功率１９２０ｋＷ。复合相变储热电热装置在夜间的主要功能是储热，直热式电锅炉在夜间完全放热，夜间有效蓄热量８９６０ｋＷｈ。有效蓄热量要满足其余１６ｈ的放热是不够的，严寒期放热量是８００ｋＷ，还需要二次补热，考虑到复合相变储热电热装置的特性和建筑环境供热需求特性，复合相变储热电热装置在１６∶００－１８∶００期间启动２ｈ，直热式电锅炉在２１∶００－２３∶００期间启动２ｈ。
图７供热季节第１时段（供热初期和供热末期）蓄热量与放热量
３．３运行费用分析
图８供热季节第５时段（严寒期）蓄热量与放热量
对复合相变蓄热供热系统与传统的直热式电锅炉供热系统的运行费用进行对比分析，参照北京市２０２１年工商业电价政策。图９表明，时段１代表１１月１５日至１１月３０日，使用复合相变蓄热供热系统的运行费用为４．５１万元，如果使用传统的直热式供热系统则为１２．３４万元；时段５代表１月１６日至１月３１日，为严寒期，使用复合相变蓄热供热系统的运行费用为１１．９３万元，如果使用传统的直热式供热系统则为２４．１８万元。统计供热季节的全部运行费用，使用复合相变蓄热供热系统的运行费用总计６１．３９万元，使用传统的直热式供热系统运行费用总计１４４．１２万元。通过改造，运行费用降低５７．４１％。
图９供热季节各时段运行费用对比分析
４结论
本文结合北京市某供热小区实际供热工程，进行了详细的热负荷计算，在此基础上，设计出了基于微包裹复合相变储热电热装置的供热系统。结合北京市季度供热状况，针对８个时段的供热得出了精准供热的策略，同时进行了运行费用的对比分析。具体结论
如下：
（１）供热小区建筑总面积１９４４０ｍ２，非节能建筑。由ＴＲＮＳＹＳ软件模拟可知，热用户的尖峰热负荷出现在次年１月１９日，在供暖季的尖峰热负荷为１０９４．２ｋＷ，供暖热指标为５６．３Ｗ／ｍ２，供暖季中１月１０日至１月３０日热负荷较高；热用户在１１月热负荷较低（供热初期），最低负荷为３０．８ｋＷ，出现时间为１１月２１日。供暖季累计供热负荷为１８３０３３８．５ｋＷ·ｈ。
（２）微包裹复合相变储热材料加热温度可以达到６３０℃，同时有相变焓的存在，体积蓄热密度１５００ＭＪ／ｍ３。而传统镁砖体积蓄热密度仅为８００ＭＪ／ｍ３。热水蓄热使用时间近百年，也是利用温差蓄热，热水蓄热的体积蓄热密度仅为２９４ＭＪ／ｍ３。因此，基于微包裹复合相变储热电热装置的储热密度高，体积小，在城市供热改造中有推广利用的机会和空间。但是，基于微包裹复合相变储热电热装置的成本相对较高，建议采用基于微包裹复合相变储热电热装置和直热式电锅炉结合使用的供热系统。
（３）微包裹复合相变储热电热装置可以加热、储热、放热，复合相变储热温度利用范围为１５０～６３０℃，同时利用风机变频技术，可准确提供供热水的温度。而且，该装置还可以应热用户的要求，做到“即需即供”，起到了蓄热式电锅炉时间上延展供热的作用。
（４）微包裹复合相变储热电热装置供热系统基本使用低谷电，不使用峰电。即使在严寒期，仅利用平电阶段加热进行补热也能满足要求。参照北京市２０２１年工商业电价政策，该装置可比传统直热式电锅炉节约５７．４１％的运行费用。
本文转自《区域供热》，作者于治国。
