作者：凌浩恕 1 圖片何京東 2徐玉杰 1 圖片王亮 1陳海生 1
單位：1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所；2. 中國(guó)科學(xué)院
引用： 凌浩恕,何京東,徐玉杰等.清潔供暖儲(chǔ)熱技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(03):861-868.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0246
摘 要：推進(jìn)北方地區(qū)建筑冬季清潔供暖，是重大的民生工程、民心工程。目前清潔供暖技術(shù)種類繁多，各具特點(diǎn)，其中集成儲(chǔ)熱技術(shù)的清潔供暖技術(shù)是研究熱點(diǎn)。為了全面分析清潔供暖儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，本文分析并總結(jié)了清潔供暖技術(shù)、儲(chǔ)熱技術(shù)的性能特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合二者的性能，分析了典型清潔供暖儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。結(jié)果表明，清潔供暖技術(shù)分為清潔燃煤集中供暖技術(shù)、天然氣供暖技術(shù)、電供暖技術(shù)和可再生能源等其他清潔供暖技術(shù)。其中，利用儲(chǔ)熱技術(shù)的電供暖技術(shù)由于可以配合電網(wǎng)調(diào)峰，解決可再生能源電力波動(dòng)性，受到了廣泛的關(guān)注。儲(chǔ)熱技術(shù)分為顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)、潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)和熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)。顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)具有儲(chǔ)熱規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、成本低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術(shù)；潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)具有儲(chǔ)熱密度高、放熱過(guò)程溫度近乎恒定的優(yōu)點(diǎn)，是目前主要研究和應(yīng)用熱點(diǎn)；熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)具有更大的能量?jī)?chǔ)存密度可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能等優(yōu)點(diǎn)，但處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。清潔供暖儲(chǔ)熱技術(shù)有逐步聚焦的趨勢(shì)，主流技術(shù)包括水儲(chǔ)熱技術(shù)、高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)、相變電儲(chǔ)熱技術(shù)等。本研究可為我國(guó)北方清潔供暖技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：清潔供暖；儲(chǔ)熱；顯熱儲(chǔ)熱；潛熱儲(chǔ)熱；熱化學(xué)儲(chǔ)熱
供暖能耗大、污染重一直是我國(guó)北方地區(qū)打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”面臨的主要問(wèn)題之一。數(shù)據(jù)顯示[1]，我國(guó)北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積達(dá)206億m2，且83%采用燃煤取暖，年消耗4億噸標(biāo)煤，占一次能源消費(fèi)的9.17%，其中約2億噸標(biāo)煤為污染嚴(yán)重的散燒煤，煙塵產(chǎn)生總量相當(dāng)于工業(yè)用煤的2.7倍[2]。燃煤供暖不僅影響人居環(huán)境的改善，而且是北方地區(qū)冬季霧霾天氣的主要原因之一。推進(jìn)北方地區(qū)建筑冬季清潔供暖，是重大的民生工程、民心工程。
低谷電能儲(chǔ)熱的清潔供暖技術(shù)不僅可有效平衡電網(wǎng)負(fù)荷，提高電網(wǎng)的效率利用率，還可利用低谷電價(jià)政策，實(shí)現(xiàn)分布式供暖的低成本運(yùn)行，是清潔供暖技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前電能儲(chǔ)熱的清潔供暖技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了應(yīng)用。
為了分析清潔供暖儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，本文首先對(duì)清潔供暖技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有清潔供暖技術(shù)形式及其特點(diǎn)。然后全面綜述了儲(chǔ)熱技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合清潔供暖技術(shù)和儲(chǔ)熱技術(shù)的特點(diǎn)，分析了典型面向清潔供暖的儲(chǔ)熱技術(shù)，為我國(guó)北方清潔供暖技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
1 清潔供暖技術(shù)
清潔供暖技術(shù)是指通過(guò)高效用能系統(tǒng)，利用清潔化燃煤（超低排放）、天然氣、電、地?zé)?、生物質(zhì)、太陽(yáng)能、工業(yè)余熱、核能等清潔能源，實(shí)現(xiàn)建筑低排放、低能耗的供暖技術(shù)[1]。
根據(jù)能源種類，清潔供暖技術(shù)可以分為清潔燃煤集中供暖技術(shù)、天然氣供暖技術(shù)、電供暖技術(shù)、可再生能源及其他清潔供暖技術(shù)，見圖1。
圖1 清潔供暖技術(shù)
Fig.1 Clean heating technologies
1.1 清潔燃煤集中供暖技術(shù)
清潔燃煤集中供暖技術(shù)是對(duì)燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤鍋爐房實(shí)施超低排放改造，使得煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度在基準(zhǔn)氧含量6%條件下分別不超過(guò)10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的供暖技術(shù)，具備環(huán)保排放要求高、成本優(yōu)勢(shì)大等特點(diǎn)。清潔燃煤集中供暖技術(shù)被稱為清潔供暖技術(shù)的主力軍[3]，對(duì)城鎮(zhèn)居民清潔取暖、減少大氣污染物排放起主力作用，供暖面積約35億m2，占比17%[1]。
清潔燃煤集中供暖技術(shù)盡管應(yīng)用面積最大，但是多集中于建筑密度大的城市地區(qū)，而大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)由于建筑布局分散、地理位置偏遠(yuǎn)、負(fù)荷密度低，因而不具備采用清潔燃煤集中供暖技術(shù)的條件。
1.2 天然氣供暖技術(shù)
天然氣供暖技術(shù)是以天然氣為燃料，采用脫氮改造后的燃?xì)忮仩t等集中式供暖設(shè)施或壁掛爐等分散式供暖設(shè)施，向建筑供暖的技術(shù)，具有燃燒效率較高、基本不排放煙塵和二氧化硫的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)北方地區(qū)天然氣供暖面積約22億m2，占總?cè)∨娣e11%[1]。
但是天然氣供暖技術(shù)往往受到燃?xì)夤芫W(wǎng)的限制，城市地區(qū)和城郊農(nóng)村實(shí)用性較強(qiáng)，而大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)由于成本和安全性的限制，燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)不完整，無(wú)法實(shí)現(xiàn)天然氣供暖。我國(guó)天然氣對(duì)外依存度2018年已超過(guò)40%，大規(guī)模推廣天然氣取暖受到我國(guó)天然氣資源的限制。
1.3 電供暖技術(shù)
電供暖技術(shù)是以電力為能源，利用電鍋爐、熱泵等集中式供暖設(shè)備或發(fā)熱電纜、電熱膜、儲(chǔ)熱電供暖器等分散式供暖設(shè)備，為建筑提供熱量的技術(shù)。電供暖技術(shù)具有布置和運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市和農(nóng)村。我國(guó)北方地區(qū)電供暖面積約4億m2，占比2%[1]。
但是目前常規(guī)的直熱式電供暖技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用較高，應(yīng)用可行性受到較大的限制。利用儲(chǔ)熱的電供暖技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，其不僅可以利用峰谷電價(jià)配合電網(wǎng)調(diào)峰，還可以解決風(fēng)電、光電等可再生能源電力波動(dòng)性，促進(jìn)可再生能源消納，并逐漸成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。
1.4 可再生能源及其他清潔供暖技術(shù)
可再生能源等其他清潔供暖技術(shù)包括地?zé)?、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等清潔供暖技術(shù)，合計(jì)供暖面積約8億m2，占比4%[1]。
地?zé)峁┡夹g(shù)是可再生能源清潔供暖技術(shù)應(yīng)用最廣的一種，供暖面積約5億m2[1]。地?zé)峁┡夹g(shù)是使用換熱系統(tǒng)，將地?zé)豳Y源中的熱量提取，并給建筑供暖的技術(shù)。地?zé)峁┡夹g(shù)雖然發(fā)展比較迅速，但是仍受到地?zé)豳Y源分布、冷熱負(fù)荷不平衡、地下水回灌難等問(wèn)題限制。
生物質(zhì)能清潔供暖技術(shù)是指以生物質(zhì)原料及其加工轉(zhuǎn)化形成的固體、氣體、液體燃料為能源，利用專用設(shè)備為建筑供暖的技術(shù)，包括達(dá)到相應(yīng)環(huán)保排放要求的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)鍋爐等。生物質(zhì)能清潔供暖技術(shù)供暖面積約2億m2[1]，受到生物質(zhì)能來(lái)源和數(shù)量的限制，多應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)，無(wú)法保證建筑密度大的城市地區(qū)建筑供暖。
工業(yè)余熱供暖技術(shù)是指通過(guò)余熱利用裝置，回收工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的余熱，并進(jìn)行換熱提質(zhì)，為建筑供暖的技術(shù)。我國(guó)工業(yè)余熱供暖面積約1億m2[1]。雖然我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的能源效率在20%～60%，余熱總量非常巨大，但是工業(yè)生產(chǎn)的間歇性、遠(yuǎn)離生活區(qū)、供暖系復(fù)雜、投資較高等缺點(diǎn)限制了工業(yè)余熱供暖技術(shù)的發(fā)展。
太陽(yáng)能供暖技術(shù)是利用太陽(yáng)能資源，通過(guò)太陽(yáng)能集熱裝置向用戶供暖的技術(shù)。由于太陽(yáng)能具有間歇性和不穩(wěn)定性，單獨(dú)利用太陽(yáng)能供暖技術(shù)需要大面積的太陽(yáng)能集熱裝置，成本高、維護(hù)復(fù)雜，因此，太陽(yáng)能供暖技術(shù)主要以輔助供暖形式存在，配合其它供暖技術(shù)共同使用，目前供暖面積較小。
2 儲(chǔ)熱技術(shù)
集成儲(chǔ)熱的電供暖技術(shù)可以降低供暖的運(yùn)行成本、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷，促進(jìn)風(fēng)電、光電等可再生能源電力的消納，逐漸成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。但是，集成儲(chǔ)熱的供暖技術(shù)的應(yīng)用效果與儲(chǔ)熱有直接關(guān)系。
儲(chǔ)熱技術(shù)是以儲(chǔ)熱材料為媒介，將太陽(yáng)能光熱、電制熱、地?zé)?、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在需要時(shí)進(jìn)行釋放利用，力圖解決熱能供給與需求間在時(shí)間、空間或強(qiáng)度上不匹配所帶來(lái)的問(wèn)題，最大限度地提高能源利用率而逐漸發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)。儲(chǔ)熱技術(shù)根據(jù)儲(chǔ)熱原理可以分為顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)、潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)和熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)，見圖2。
圖2 儲(chǔ)熱技術(shù)
Fig.2 Thermal energy storage technologies
2.1 顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)
顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)是利用儲(chǔ)熱材料的熱容量，通過(guò)升高或降低材料的溫度而實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存或釋放的技術(shù)，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術(shù)，具有原理簡(jiǎn)單、材料來(lái)源豐富、對(duì)環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但通常也存在儲(chǔ)能密度低、溫度輸出波動(dòng)大、自放熱與熱損失大等問(wèn)題。
根據(jù)儲(chǔ)熱材料的相態(tài)，常用的顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)可以分為液體儲(chǔ)熱材料和固體儲(chǔ)熱材料。常見的液體儲(chǔ)熱材料包括水、熔鹽、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬等，固體儲(chǔ)熱材料包括巖石、復(fù)合混凝土等。不同顯熱儲(chǔ)熱材料特點(diǎn)見表1[4,5,6]。其中，水、導(dǎo)熱油、巖石、混凝土等是最常見的低溫（<120 ℃）顯熱儲(chǔ)熱材料，導(dǎo)熱油、熔鹽、巖石、混凝土等也是常見的中高溫（120～600 ℃）顯熱儲(chǔ)熱材料，巖石和液態(tài)金屬也是超高溫（≥600 ℃）顯熱儲(chǔ)熱材料，但是液態(tài)金屬技術(shù)尚不成熟，處于研究階段。
表1 顯熱儲(chǔ)熱材料特點(diǎn)
Table 1 Characteristics of sensible heat storage materials
2.2 潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)
潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)，又稱相變材料，是利用儲(chǔ)熱材料在物相變化過(guò)程中吸收或釋放大量潛熱以實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存和釋放的技術(shù)，具有儲(chǔ)熱密度高、放熱過(guò)程溫度近乎恒定的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)儲(chǔ)熱材料工作過(guò)程中相態(tài)轉(zhuǎn)變的基本形式，潛熱儲(chǔ)熱材料可以分為固-氣、液-氣、固-固和固-液四類相變材料。其中，固-氣和液-氣相變材料在相變過(guò)程中存在體積變化大等問(wèn)題，固-固相變材料存在相變潛熱小和塑晶現(xiàn)象嚴(yán)重等缺點(diǎn)，相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用較少。固-液相變材料具有較大的相變焓、較小的體積變化，是目前主要研究和應(yīng)用對(duì)象。
按照工作溫度，固-液相變材料又分低溫相變材料和高溫相變材料。其中，低溫相變材料主要包括聚乙二醇、石蠟和脂肪酸等有機(jī)物及無(wú)機(jī)水合鹽，中高溫相變材料主要包括無(wú)機(jī)鹽、金屬和合金等。不同的相變材料特點(diǎn)見表2[7,8]。從表中可以看出，石蠟、無(wú)機(jī)水合物等低溫相變材料技術(shù)成熟度相對(duì)較高，已實(shí)現(xiàn)部分材料的示范應(yīng)用，但是仍存在導(dǎo)熱系數(shù)低、腐蝕性、過(guò)冷度和相分離等問(wèn)題；無(wú)機(jī)鹽、金屬等中高溫相變材料雖然具有相變焓較大、密度較高等優(yōu)點(diǎn)，但是相關(guān)材料腐蝕性、過(guò)冷度等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究，目前技術(shù)成熟度較低，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
表2 相變材料特點(diǎn)
Table 2 Characteristics of phase change materials
2.3 熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)
熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)是利用儲(chǔ)熱材料相接觸時(shí)發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存和釋放的技術(shù)，具有更大的能量?jī)?chǔ)存密度、可在常溫下無(wú)損失地長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能等優(yōu)點(diǎn)，但也存在技術(shù)成熟度不足、反應(yīng)速率難以控制等問(wèn)題。
根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)可分為化學(xué)反應(yīng)、吸附和吸收3種儲(chǔ)熱技術(shù)。其中，化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱技術(shù)是基于不同化學(xué)物質(zhì)的可逆反應(yīng)；吸附儲(chǔ)熱技術(shù)是基于被吸附物向吸附劑表面的累積或聚集；吸收儲(chǔ)熱技術(shù)是基于被吸收物在吸收劑內(nèi)的溶解或滲透。
按照工作溫度，熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料可分為中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)熱材料和高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)熱材料。其中，中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)熱材料主要是利用水蒸氣、氨氣作為吸收劑和吸附劑，常見的材料體系見圖3。高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)熱材料可以分為金屬氫化物體系、有機(jī)物體系、氧化還原體系、氫氧化物體系、氨體系和碳酸鹽體系，常見的材料見圖4。
圖3 中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)熱材料
Fig.3 Medium and low temperature thermochemical heat storage materials
圖4 高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)熱材料
Fig.4 High temperature thermochemical heat storage materials
整體而言，不同的儲(chǔ)熱技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)成熟度見表3和表4。從表中可以看出，顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)在儲(chǔ)熱規(guī)模、效率、壽命、成本、技術(shù)成熟度等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是儲(chǔ)能周期較短、能量密度較低等方面也限制了其應(yīng)用發(fā)展，特別是一些儲(chǔ)熱體積限制較大的應(yīng)用場(chǎng)合。潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)具有較長(zhǎng)的儲(chǔ)能周期、較大的能量密度、較高的熱效率和較長(zhǎng)的使用壽命，但是其儲(chǔ)能規(guī)模和成本仍需要進(jìn)一步改善，其技術(shù)成熟度也需要進(jìn)一步提高，以達(dá)到商業(yè)應(yīng)用的要求。熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)在儲(chǔ)熱周期、能量密度等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是儲(chǔ)能規(guī)模、效率、壽命、成本、技術(shù)成熟度需要進(jìn)一步改善，且相關(guān)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，需要大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)進(jìn)行基礎(chǔ)研究以推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用。
表3 儲(chǔ)熱技術(shù)特點(diǎn)
Table 3 Characteristics of thermal energy storage technologies
表4 儲(chǔ)熱技術(shù)成熟度
Table 4 Maturity of thermal energy storage technologies
3 面向清潔供暖的典型儲(chǔ)熱技術(shù)
正如第2部分提到的顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)和潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)基本成熟，已應(yīng)用于清潔供暖系統(tǒng)，熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，目前面向清潔供暖的儲(chǔ)熱技術(shù)有逐步聚焦的趨勢(shì)，目前占主導(dǎo)地位的儲(chǔ)熱技術(shù)包括水儲(chǔ)熱技術(shù)、高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)、相變電儲(chǔ)熱技術(shù)等。
3.1 水儲(chǔ)熱技術(shù)
水儲(chǔ)熱技術(shù)是最早應(yīng)用于清潔供暖系統(tǒng)的技術(shù)之一，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖5，主要是在谷值電價(jià)時(shí)利用電鍋爐進(jìn)行熱水加熱，儲(chǔ)于儲(chǔ)水罐；在峰值電價(jià)時(shí)利用儲(chǔ)水罐熱水供暖。水儲(chǔ)熱技術(shù)具有熱效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行安全穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外都有很多應(yīng)用實(shí)例，但是也存在儲(chǔ)水罐體積較大、受占地空間限制等問(wèn)題。
圖5 水儲(chǔ)熱供暖技術(shù)原理圖
Fig.5 Schematic diagram of water storage heating technology
在20世紀(jì)80年代初，歐洲已成功開發(fā)和運(yùn)行水儲(chǔ)熱技術(shù)的電力供暖系統(tǒng)，以解決冬季供暖高峰負(fù)荷問(wèn)題，美國(guó)也采用上述相關(guān)技術(shù)，并取得了很大成效[9]。Verda等[10]以都靈地區(qū)供暖系統(tǒng)為例證明，水儲(chǔ)熱系統(tǒng)可減少約12%的一次能源消耗和約5%的總成本。邵小珍等[11]設(shè)計(jì)并建造了護(hù)國(guó)寺中醫(yī)院水儲(chǔ)熱供暖系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，鍋爐出水溫度可達(dá)到70 ℃，保證用戶在室外溫度較低時(shí)的采暖，鍋爐房各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。麻延等[12]采用水儲(chǔ)熱技術(shù)為北京市建筑質(zhì)量監(jiān)督總站進(jìn)行供暖，運(yùn)行結(jié)果表明，水儲(chǔ)熱技術(shù)供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用可較燃?xì)忮仩t省52%，且供暖效果佳，運(yùn)行時(shí)間靈活。王昆[13]對(duì)比唐山地區(qū)1萬(wàn)平米建筑采用120天供暖時(shí)間的燃?xì)狻⒌卦礋岜?、市政、水蓄熱等供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)現(xiàn)水蓄熱供暖技術(shù)綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳，見表5。張旭等[14]分析了賓館水蓄熱供暖技術(shù)技術(shù)可行性，發(fā)現(xiàn)水蓄熱技術(shù)的投資回收期為1.3年，運(yùn)行成本低于燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t。
表5 不同供暖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益
Table 5 Economic benefits of different heating technologies
3.2 高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)
高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)是在谷值電價(jià)時(shí)利用電加熱設(shè)備直接將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并儲(chǔ)存于固體儲(chǔ)熱器；在峰值電價(jià)時(shí)與供暖系統(tǒng)熱水進(jìn)行換熱，進(jìn)而為建筑供暖的技術(shù)，其技術(shù)原理圖見圖6。高溫固體具有儲(chǔ)熱密度大、儲(chǔ)熱溫度高、儲(chǔ)熱體積小等優(yōu)點(diǎn)，不但克服液體儲(chǔ)熱技術(shù)的缺點(diǎn)，而且兼具環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
圖6 高溫固體電儲(chǔ)熱供暖技術(shù)原理圖
Fig.6 Schematic diagram of high temperature solid electric storage heating technology
國(guó)外對(duì)高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，到80年代初，歐洲部分發(fā)達(dá)國(guó)家已開始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。Sorour[15]對(duì)高溫固體電儲(chǔ)熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)蓄熱材料大小、高度、換熱流體流量以及輸入熱量是影響蓄熱性能的主要參數(shù)。Laing等[16]開發(fā)了高溫混凝土蓄熱示范模塊，驗(yàn)證了模塊在500 ℃的穩(wěn)定性以及200～500 ℃環(huán)境中長(zhǎng)期儲(chǔ)熱的損耗。我國(guó)在高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但是目前研究多為應(yīng)用形式的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的分析，對(duì)于技術(shù)涉及的傳熱傳質(zhì)過(guò)程等基礎(chǔ)研究缺乏深入的探討。劉曉東[17]設(shè)計(jì)了一種固體電儲(chǔ)熱供暖裝置，利用氧化鎂磚和熱管組成封閉的儲(chǔ)熱單元，降低氧化鎂磚固體的氧化速度。朱建新[18]提出了一種帶預(yù)制固體熱能存儲(chǔ)裝置的供熱系統(tǒng)，利用金屬傘裙把固體儲(chǔ)熱材料分段，減小大范圍開裂損壞的危險(xiǎn)。葛維春等[19]針對(duì)固體電制熱儲(chǔ)熱供暖機(jī)組，利用室內(nèi)溫度需求、建筑物耗熱量、建筑物熱指標(biāo)、采暖季熱負(fù)荷、儲(chǔ)熱機(jī)組加熱功率與蓄熱量等5個(gè)指標(biāo)提出一種經(jīng)濟(jì)性配置方法。苗常海等[20]通過(guò)臨界電價(jià)法分析水儲(chǔ)熱、高溫固體儲(chǔ)熱、市政供暖技術(shù)、相變電儲(chǔ)熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)水儲(chǔ)熱、高溫固體儲(chǔ)熱技術(shù)相比市政供暖更具經(jīng)濟(jì)可行性，且前者的經(jīng)濟(jì)性最好。曲弘等[21]驗(yàn)證了高溫固體電儲(chǔ)熱供暖技術(shù)對(duì)于實(shí)行峰谷電價(jià)地區(qū)的非居民項(xiàng)目具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。陳彬等[22]分析了高溫固體電儲(chǔ)熱供暖技術(shù)不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，更可產(chǎn)生環(huán)境效益，增大低谷段的風(fēng)電和核電等清潔能源消納能力。表6為北京某供暖面積200萬(wàn)m2電蓄熱方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比[23]，從表中可以看出高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于水儲(chǔ)熱技術(shù)，且采用花崗巖為固體儲(chǔ)熱介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性明顯好于以鎂鐵磚為固體儲(chǔ)熱介質(zhì)。
表6 不同供暖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益
Table 6 Economic benefits of different heating technologies
3.3 相變電儲(chǔ)熱技術(shù)
相變電儲(chǔ)熱技術(shù)是近些年開始發(fā)展的技術(shù)，具有儲(chǔ)熱密度高、儲(chǔ)釋熱過(guò)程溫度恒定等優(yōu)點(diǎn)。目前，相變電儲(chǔ)熱技術(shù)結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是類似于水儲(chǔ)熱技術(shù)，將相變儲(chǔ)熱裝置替代儲(chǔ)水罐，在電價(jià)谷值時(shí)，開啟電鍋爐制熱，并利用相變儲(chǔ)熱裝置將熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，在電價(jià)峰值時(shí)，相變儲(chǔ)熱裝置為建筑供暖；另一種類似于高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)，將相變材料做成相變材料磚，并放置于固體儲(chǔ)熱器中，在電價(jià)谷值時(shí)直接儲(chǔ)存電加熱裝置的熱量，在電價(jià)峰值時(shí)為建筑供暖。
Brousseau等[24]通過(guò)模擬證明，相變電儲(chǔ)熱裝置在家用電采暖領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。與高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)類似，我國(guó)相變電儲(chǔ)熱技術(shù)領(lǐng)域的研究也多為應(yīng)用形式的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的分析，需要加強(qiáng)對(duì)相變電儲(chǔ)熱傳熱機(jī)理等基礎(chǔ)內(nèi)容的研究。丁玉龍等[25]設(shè)計(jì)了一種集產(chǎn)熱、儲(chǔ)熱、供熱于一體的復(fù)合相變材料蓄熱式電熱供暖系統(tǒng)，利用纏繞方形翅片的換熱盤管提高盤管與相變儲(chǔ)熱材料之間的換熱效率。他們[26]還提出一種油浸式相變儲(chǔ)熱電暖器，利用導(dǎo)熱油完全浸泡相變儲(chǔ)熱模塊，解決了目前儲(chǔ)熱式電暖器儲(chǔ)熱容量小、體積和重量大、導(dǎo)熱性能不高等問(wèn)題。童敏等[27]設(shè)計(jì)了一種相變儲(chǔ)熱峰谷供暖系統(tǒng)，利用電加熱管在谷電時(shí)為相變儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱，在峰電時(shí)為用戶端供暖。何淋等[28]也設(shè)計(jì)一種由箱體、電加熱裝置、相變材料組成相變蓄熱供暖裝置，可利用相變材料將用電谷期的電能儲(chǔ)存起來(lái)，然后在其他的時(shí)段輸出并提供持續(xù)穩(wěn)定的熱水。相虎昌等[29]在天津某商業(yè)建筑應(yīng)用相變電儲(chǔ)熱技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)該技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用僅為燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)的84.5%。張繼皇等[30]開發(fā)了一種相變電儲(chǔ)熱裝置，并應(yīng)用于天津水游城，應(yīng)用結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行效率為97.5%，較原采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省64%。賀鑫等[31對(duì)比了水蓄熱技術(shù)和相變蓄熱技術(shù)的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)相變蓄熱技術(shù)多為恒溫放熱，熱穩(wěn)定性優(yōu)于水蓄熱技術(shù)。盡管如此，但是相變蓄熱材料成本較高，相變蓄熱技術(shù)初投資高于其他技術(shù)，投資回報(bào)期也高于其他技術(shù)，如表6所示。
4 結(jié)論
（1）清潔供暖技術(shù)可以分為清潔燃煤集中供暖技術(shù)、天然氣供暖技術(shù)、電供暖技術(shù)和可再生能源等其他清潔供暖技術(shù)。其中，集成儲(chǔ)熱技術(shù)的電供暖技術(shù)由于可以利用峰谷電價(jià)配合電網(wǎng)調(diào)峰，解決風(fēng)電、光電等可再生能源電力波動(dòng)性，促進(jìn)可再生能源消納，受到了廣泛的關(guān)注，并逐漸成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。
（2）儲(chǔ)熱技術(shù)可分為顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)、潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)和熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)。顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)具有儲(chǔ)熱規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、成本低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術(shù)；潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)具有儲(chǔ)熱密度高、放熱過(guò)程溫度近乎恒定的優(yōu)點(diǎn)，是目前主要研究和應(yīng)用熱點(diǎn)；熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)具有更大的能量?jī)?chǔ)存密度可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能等優(yōu)點(diǎn)，但處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。
（3）清潔供暖的典型儲(chǔ)熱技術(shù)有逐步聚焦的趨勢(shì)，主流技術(shù)包括水儲(chǔ)熱技術(shù)、高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)、相變電儲(chǔ)熱技術(shù)等。水儲(chǔ)熱技術(shù)是最早應(yīng)用于清潔供暖系統(tǒng)的技術(shù)之一，運(yùn)行成本低于燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t；高溫固體電儲(chǔ)熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于水儲(chǔ)熱技術(shù)，且采用花崗巖為固體儲(chǔ)熱介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性明顯好于以鎂鐵磚為固體儲(chǔ)熱介質(zhì)；相變電儲(chǔ)熱技術(shù)可恒溫放熱，熱穩(wěn)定性優(yōu)于水蓄熱技術(shù)。
第一作者：凌浩恕（1988—），男，博士，助理研究員，從事蓄熱蓄冷等儲(chǔ)能技術(shù)研究，E-mail：[email protected];
通訊作者：徐玉杰，研究員，研究方向?yàn)榇笠?guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研究,E-mail：[email protected]。
