储热式电供暖方案研究

储热式电供暖方案研究

周志广

近年来，国家大力提倡清洁供暖，其中采用蓄热技术的供暖方案可以有效解决可再生能源间断式供能和连续供热的矛盾，利用谷电储能，取得较好的效益。

1储热式风电供暖技术方案

1.1储热技术介绍

储热是储能中重要的一部分，可解决热能供需在时间和空间上不匹配的问题，提高能源综合利用效率。储热按热能储存的方式不同主要分为三类：显热储热、潜热储热和热化学储热。

目前，世界范围内开展应用与研究的储热介质主要包括：水、熔盐、固体（镁砖、特殊混凝土等）、相变材料（熔盐化合物）、石墨、沙子、金属、热化学等，其中已经具备工程上使用的适用于大规模储热项目的储热技术主要是熔盐、水以及固体。

1.2熔盐储热供暖技术方案

熔盐储热基本原理是将热能或电能转化为高温熔融盐（简称熔盐）的显热，通过载热介质传热或电加热器将热能或电能转化为熔盐热能，使熔盐温度升高，存储在高温熔盐罐中；当需要对外供给热能时，高温熔盐在换热器内释放储存的热量，温度降低后的熔盐存入低温熔盐罐。熔盐储热介质一般为硝酸盐混合物。熔盐储热技术作为清洁的储热技术，可解决热能供需在时间和空间上不匹配和不稳定的问题，显著提高能源综合利用效率。熔盐储热技术储热换热能力优异，在提高综合能源利用效率中的优势也非常明显，将会在我国能源结构升级和提高能源利用效率、可再生能源消纳、雾霾治理、应对气候变化等方面起到非常重要的作用。

1.2.1系统方案介绍

熔盐储热供热系统的运行包括，电/熔盐储热循环；熔盐/水(汽)放热循环；蒸汽/水热交换循环（与热网热交换）三个热力循环。

熔盐储热供热系统的关键技术为大型熔盐储罐的结构设计和保温防凝设计。

在结构设计方面，根据熔盐的特性，中央研究院设计了一套熔盐储罐的设计方法：包括常规计算、应力分析、疲劳分析、温度场分析等。

在保温防凝设计方面，针对罐体基础做了特殊设计，使基础同时满足了承重和绝热的要求。同时对罐体温度检测做了优化设计，通过合理布置温度测点、罐内流场优化等方面实现了罐内熔盐温度分布均匀。

1.2.2方案举例及经济性分析

以某电供暖项目热源站为例，供暖面积100万平米，取暖费为30元/m2，设计采暖热负荷45W/m2，谷电时段为10小时，电价0.1元/kWh。储热加热功率为94MW，设计放热功率为45MW，设计储热容量为500MW，设计系统热效率大于95%。

根据测算，熔盐储热供热项目总投资约为1.1亿元，按河北地区的电价和供暖收益，项目的年平均净利润约为1100万元，财务内部收益率约为12%，投资回收期为7.5年。

1.3水储热供暖技术方案

水储热技术起源于上世纪八十年代初北欧地区。北欧在热电联产和集中供热方面，尤其是在采用大型蓄热水罐（蓄热容器）的水储热技术方面已经有约四十年的应用历史。在丹麦和瑞典，基本上所有的热电厂出口都设置有大型蓄热水罐。

水储热技术可以应用到热电厂平衡热源、参与火电深度调峰作用、用于谷电蓄热、用于消纳弃风弃光等可再生能源等多种应用方式。

1.3.1系统方案介绍

水储热技术主要原理是利用电极锅炉加热蓄热罐内中的水，利用蓄热罐内的斜温层进行储热的技术，储热介质为水。

当室外气温降低，热负荷增加，而供热机组的供热能力不能满足用户热负荷的需求时，蓄热水罐放热，将储存在罐体内的热量与供热机组的恒定供热量共同供给用户，以满足高峰热负荷的需要。实现平衡热源的运行，使之相对稳定运行，对提高热电厂的供热能力、降低热电厂的供热量波动、提高供热质量、节约能源等，都具有重要作用与意义。

水储热技术主要利用水的显热来储存热能，水作为蓄热载体，储水蓄热设备通常采用蓄热水罐作为蓄热容器，通过蓄热容器内水-水之间的热交换来实现热能的存储与释放。蓄热容器（蓄热水罐）工作过程即为水储热系统的关键蓄热、放热过程。

在蓄热容器的上部和下部设置布水盘和喷嘴，作用是将热水和冷水均匀、缓慢、尽量小扰动地引入容器内部。

电极锅炉是利用水的高热组特性，直接将电能转变为热能并产生蒸汽的一种装置，电极式锅炉由于使用电压等级为6000-25000V，且发热体为电极和离子水，因此在很小的锅炉体积内可以释放出巨大热能。

1.3.2方案举例及经济性分析

建设满足100万m2的供热需求的风电配套水储热供热系统，项目静态总投资为4559万元，工程动态总投资为2584万元。项目经营期预计20年，谷电价格为0.2元/度，通过项目财务评价得到整个投资回收期为9.97年，资本金内部收益率13.96%，具有不错的经济性。

1.4固体储热供暖技术方案

固体储热供暖技术是指利用固体作为储热材料，采用显热储热原理，主要利用夜间电网低谷电力或弃风电力，在加热时段利用电加热固体储热材料进行储热和对外供暖，非加热时段利用固体储热材料所储存的热量对外供暖。

固体储热材料有以下优点：无污染、零排放、安装简单、占地小、成本低、运维成本低。与水储热相比，固体储热材料的比热只有水的1/3-1/4,但由于固体储热材料的密度为水的2.5倍左右，储热温度可达800℃-1000℃以上，使得固体储热材料的储热能力比同体积水的储热能力大5倍左右，储热装置的体积大大减小；固体储热装置不承压，模块化布置，对形状也没有特殊要求，装置的占地面积和设备投资大大降低。

1.4.1系统方案介绍

固体储热锅炉在夜间谷电时段将储热锅炉内的固体储热材料加热到700℃进行储热，同时在低温循环空气在风机的带动下经过高温储热体后变成高温空气，高温空气经过气水换热器加热给热网循环水，放热后的高温空气重新成为了低温空气继续循环利用。在非谷电时段，固体储热锅炉利用高温储热体内的热量，继续通过循环空气通过气水换热器加热热网加热水，维持全天供暖。

固体储热锅炉采用模块化布置，在系统控制方面每个模块采用独立的控制系统，一个模块损坏不会影响其他模块，保证固体储热锅炉供暖的可靠性。

1.4.2方案举例及经济性分析

以某100MW风电供暖项目热源站为例，供暖面积20万m2，取暖费为25元/m2，设计采暖热负荷45W/m2，谷电时段为8小时，电价0.3元/kWh。固体储热锅炉设计加热功率为3×9MW，设计放热功率为9MW，设计储热容量为144MW，设计系统热效率大于95%。

项目总投资为4000万元，年耗电量为3100×104kWh。年总成本为1800万元，年总收入为500万元。

2结论

通过对三种成熟的储热技术进行分析，得出以下结论：熔盐储热技术的供热温度、储热容量、储热密度都较高、但初投资和运行成本较高，较为适合较大规模储热供暖以及具有高品质蒸汽需求的场景；固体储热和水储热，技术成熟简单、但不易输出高品质热能，相比熔盐储热，初投资较低（固体储热系统高于水储热系统）可以根据具体厂址条件、资源情况进行合理选择。通过利用弃风电量或者低谷电作为热源储热供暖，是提升我国能源利用品质优化能源结构的有效途径。

参考文献：[文献，10个左右。在文章中标出引用位置]

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[2]白胜喜，赵广播，董芃.固体电蓄热装置及经济性分析[J].中国电力。

[3]李晗，白胜喜，黄怡珉.电热固体蓄热装置的蓄热原理及传热分析[J].电站系统工程