034 新型蓄熱式電暖器應(yīng)用的探討

1、新型儲(chǔ)熱式電暖器應(yīng)用的探討吳國(guó)文1 ， 張健2 （1. 甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州）摘 要 儲(chǔ)熱電暖器是一種新型的電采暖設(shè)備，其在夜間電網(wǎng)用電負(fù)荷低谷期儲(chǔ)存能量，以提供白天采暖。因此該儲(chǔ)熱電暖器可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)用電負(fù)荷削峰填谷，提高發(fā)電設(shè)備利用率；此外可以充分利用夜間廉價(jià)電采暖節(jié)省用戶采暖費(fèi)用。關(guān)鍵詞 削峰填谷 儲(chǔ)熱 電暖器1 引言北方地區(qū)冬季的供暖需求對(duì)城市環(huán)境及能源消耗具有重要影響。由于我國(guó)目前能源消耗主要還是以燃煤為主，環(huán)境污染嚴(yán)重的城市基本都還是典型的煤煙型污染特征，大氣中90%的二氧化碳、二氧化硫都來(lái)自于燃煤。每年采暖期用煤量增加時(shí)，污染濃度急劇超標(biāo)，

2、大量燃煤使我國(guó)成為二氧化碳排放大國(guó)，位列世界第二。根據(jù)世界許多大城市的經(jīng)驗(yàn)表明，改善大氣污染狀況的根本出路是改變能源結(jié)構(gòu)。所以在未來(lái)幾年甚至幾十年內(nèi)中國(guó)將會(huì)在各行各業(yè)包括民用燃料方面加大清潔干凈、高質(zhì)高效能源的推廣使用。從丹麥哥本哈根國(guó)際氣候峰會(huì)到第二屆世界環(huán)保與新能源中國(guó)發(fā)展大會(huì)，各國(guó)都在為我們賴以生存的人類地球家園謀出路。環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排在和平時(shí)期、冷戰(zhàn)時(shí)代的世界幾乎都成了從聯(lián)合國(guó)到每一個(gè)負(fù)責(zé)任的國(guó)家政府最重要的工作任務(wù)之一，針對(duì)國(guó)際上對(duì)我國(guó)環(huán)保問(wèn)題的質(zhì)疑，中國(guó)政府鄭重承諾2005-2020年單位GDP碳排放強(qiáng)度降低40-45%，作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我

3、國(guó)每年冬季單純用于采暖所消耗的能源折合人民幣達(dá)700億元，占全國(guó)能源總消耗的1/4左右。所以供暖的科學(xué)性、合理性、能源利用效率的提高對(duì)我國(guó)的環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排起著舉足輕重的作用。能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ), 科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天, 能源問(wèn)題已成為制約人類物質(zhì)和精神生活進(jìn)一步提高的瓶頸。因此, 如何開(kāi)發(fā)出新的綠色能源以及提高原有能源的利用率一直都是現(xiàn)代科技界關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái), 儲(chǔ)能材料逐漸成為國(guó)內(nèi)外能源利用和材料科學(xué)研究方面的熱點(diǎn)。儲(chǔ)能材料在其物性變化過(guò)程中, 能夠從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量, 從而達(dá)到儲(chǔ)存和釋放能量的目的, 解決了能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾, 因此有效地提高了能源的

4、利用率。同時(shí)由于有些儲(chǔ)能材料在其相變過(guò)程中溫度近似恒定, 可以用于調(diào)整控制周圍環(huán)境的溫度, 并且可以多次重復(fù)使用1。由于這些特性, 使儲(chǔ)能材料在太陽(yáng)能、電力“移峰填谷”、工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。2 儲(chǔ)熱電采暖的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代儲(chǔ)熱技術(shù)主要是在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)時(shí)一些工業(yè)大國(guó)開(kāi)始重視太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能等新能源的研究開(kāi)發(fā)，而這些新能源是不連續(xù)的，這就迫使人們開(kāi)始真正重視熱能存儲(chǔ)技術(shù)并迅速開(kāi)展研究工作。另一方面，隨著采暖、空調(diào)用能急劇增長(zhǎng)和空間技術(shù)的迅速發(fā)展，如何使用熱能存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行電力的“削峰填谷”以及給空間熱動(dòng)力裝置提供穩(wěn)定的熱能或電能，成了研究和應(yīng)

5、用的熱點(diǎn)。儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域始于1982年，由美國(guó)能源部太陽(yáng)能司發(fā)起，1988年起由美國(guó)能量?jī)?chǔ)存分配辦公室推動(dòng)此項(xiàng)研究。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，儲(chǔ)熱技術(shù)開(kāi)始轉(zhuǎn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，成熟產(chǎn)品和設(shè)備相繼出現(xiàn)，儲(chǔ)能調(diào)溫建筑材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程步入正軌。儲(chǔ)熱技術(shù)是開(kāi)發(fā)新能源、提高能源利用率的重要途徑，國(guó)內(nèi)、外為了對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷消峰填谷、平衡用電負(fù)荷，研究人員開(kāi)展了儲(chǔ)熱式電采暖的研究。儲(chǔ)熱式電采暖根據(jù)儲(chǔ)熱介質(zhì)的不同分為顯熱儲(chǔ)熱式及相變儲(chǔ)熱式。顯熱儲(chǔ)熱式電采暖其儲(chǔ)熱介質(zhì)一般是熱容量（材料的密度與比熱的乘積）較大的固體材料、熱水等。其儲(chǔ)熱原理為在儲(chǔ)熱階段對(duì)儲(chǔ)熱介質(zhì)電加熱，使其吸收熱量從而溫度升高，儲(chǔ)熱介質(zhì)加以

6、保溫措施以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存熱量的目的；在放熱階段儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度降低釋放出熱量，可見(jiàn)其儲(chǔ)存、釋放的熱量是由于溫度差引起的，故此類電采暖稱為顯熱儲(chǔ)熱式電采暖。顯熱儲(chǔ)熱式電采暖由于其技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易，國(guó)外開(kāi)展研究較早。目前英國(guó)、西班牙、愛(ài)爾蘭、德國(guó)、芬蘭、丹麥等國(guó)家已經(jīng)生產(chǎn)出大量以四氧化三鐵為儲(chǔ)熱介質(zhì)的顯熱儲(chǔ)熱式電暖器。國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)研究開(kāi)始于上世紀(jì)90年代，研究了電鍋爐中儲(chǔ)熱技術(shù)。例如中科院工程熱物理研究所對(duì)電鍋爐中儲(chǔ)熱水箱的分層取水進(jìn)行了研究，很好的解決了儲(chǔ)熱水箱取水溫度不穩(wěn)定的問(wèn)題 2 -4 。相變儲(chǔ)熱式電采暖則是利用相變材料的相變過(guò)程來(lái)儲(chǔ)存或釋放熱量。3 儲(chǔ)熱電采暖供暖原理及特點(diǎn)3.1 供暖原理儲(chǔ)熱式電暖器是

7、指在每天夜間低谷電價(jià)時(shí)段通電加熱6-7小時(shí)，將廉價(jià)的電能轉(zhuǎn)換成熱能，并存儲(chǔ)起來(lái)；在當(dāng)天其它17-18小時(shí)用電高峰時(shí)段，將儲(chǔ)存的熱量斷電釋放，這樣，它既能利用低谷電價(jià)政策，又可以24小時(shí)持續(xù)向房間放熱，實(shí)現(xiàn)了“削峰填谷，低谷儲(chǔ)熱，電費(fèi)減半”。本文介紹的儲(chǔ)熱電暖器以電熱管為加熱元件，以儲(chǔ)熱磚為熱媒，加熱管被加熱后把熱量直接傳遞給儲(chǔ)熱磚，儲(chǔ)熱磚由高密度氧化鐵構(gòu)成，比熱1.1KJ/.Kg，即每千克儲(chǔ)熱磚溫升1可以吸收儲(chǔ)存1.1 KJ的熱量。儲(chǔ)熱磚平均最高溫度可達(dá)到700以上，儲(chǔ)熱同時(shí)也可放熱，并且無(wú)有害氣體釋放，完全達(dá)到環(huán)保要求。斷電后，通過(guò)儲(chǔ)熱磚和外殼之間的保溫層的作用，儲(chǔ)熱磚按一定的放熱曲線見(jiàn)圖1

8、（設(shè)備功率為3200W），實(shí)現(xiàn)24小時(shí)持續(xù)向房間放熱。因此，供暖房間溫度波動(dòng)極小，基本處于均勻、恒定狀態(tài)。圖1 熱量輸出曲線3.2 性能特點(diǎn)(1)低谷用電，運(yùn)行費(fèi)用較低 目前，甘肅、遼寧、吉林、黑龍江、北京、上海、江蘇等省市都實(shí)行“峰谷電價(jià)”政策，夜間將低谷時(shí)段電費(fèi)約為其他時(shí)段的50%。儲(chǔ)熱電暖器利用低谷時(shí)段加熱并儲(chǔ)存熱量，全天穩(wěn)定釋放，同比運(yùn)行費(fèi)用降低約50%。(2)全天24小時(shí)持續(xù)供暖，室溫均勻穩(wěn)定，溫暖宜人 通過(guò)長(zhǎng)壽命、高能效的加熱元件，在低谷時(shí)段加熱7-8小時(shí)，儲(chǔ)存在蓄熱能力極高的蓄熱磚中，全天釋放保證室內(nèi)供暖。經(jīng)過(guò)計(jì)算配置后的儲(chǔ)熱供暖系統(tǒng)能夠使室溫達(dá)到16-20。儲(chǔ)熱電暖器通過(guò)溫度感

9、應(yīng)器對(duì)輸入熱量和輸出熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。儲(chǔ)熱電暖器熱量輸出大小完全根據(jù)室外溫度循環(huán)變化曲線設(shè)計(jì)，隨著室外溫度的高低不同，補(bǔ)充需要的熱量，從而保持室內(nèi)溫度全天穩(wěn)定。(3)調(diào)節(jié)靈活，適用于不同用戶的需求 儲(chǔ)熱電暖器提供多種功率選擇，適用不同房間。每一個(gè)儲(chǔ)熱電暖器都可以單獨(dú)控制，如果長(zhǎng)期外出，可以完全關(guān)閉。每臺(tái)儲(chǔ)熱電暖器都有熱量輸入輸出調(diào)節(jié)旋鈕（小功率設(shè)備除外）。上班期間，家中無(wú)人時(shí)可以把熱量輸出調(diào)到最小，回家時(shí)調(diào)到最大；天氣暖和時(shí)可以把熱量輸入調(diào)小，以達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)性?？傊`活的調(diào)控，最大限度滿足不同用戶的不同需求。(4)外形美觀，安裝方便 外形美觀大方，不需要改造室內(nèi)線路，固定在墻體上或者萬(wàn)向輪

10、作移動(dòng)式，即裝即用，安裝比水暖更簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)便快捷與普通水暖相比從根本上節(jié)省了管材和初裝費(fèi)用，不影響居室的改造和二次裝修。(5)運(yùn)行安全可靠，免維護(hù) 暖氣片腔體內(nèi)的節(jié)能儲(chǔ)熱材料具有防凍特性（-10），不會(huì)因天氣寒冷時(shí)凍裂散熱片的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)使用，證明儲(chǔ)熱電暖器運(yùn)行安全可靠，全年免維護(hù)。省去傳統(tǒng)采暖的跑冒滴漏和定期的檢查維護(hù)煩惱。(6)行為節(jié)能，綠色供暖；無(wú)污染，無(wú)噪音，安全環(huán)保 中國(guó)大部分地區(qū)高峰電力短缺已成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大障礙。然而，另一方面，夜間的電力卻白白浪費(fèi)。通過(guò)削峰填谷，行為節(jié)能，提高電力運(yùn)行效率，節(jié)省能源是儲(chǔ)熱電暖器的主要特點(diǎn)之一。以自然輻射對(duì)流為主的散熱方式，安靜、舒適。完全使

11、用電能，清潔、環(huán)保，無(wú)污染物排放，屬于綠色供暖。(7)使用壽命 使用壽命長(zhǎng)達(dá)二十年，無(wú)腐蝕，而且各項(xiàng)安全指標(biāo)均通過(guò)檢測(cè)，使用安全省心。4 經(jīng)濟(jì)性分析迄今為止，電采暖在我國(guó)已得到長(zhǎng)足發(fā)展，各地已經(jīng)制定了分時(shí)電價(jià)以鼓勵(lì)電采暖。在電采暖推廣中其經(jīng)濟(jì)性也引起了廣泛爭(zhēng)議。為此，下面對(duì)儲(chǔ)熱電暖器與普通電采暖在蘭州地區(qū)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析。4.1 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1）熱指標(biāo)：采暖設(shè)計(jì)熱指標(biāo)50W/m2；（2）采暖天數(shù)：136天；（3）電價(jià)：蘭州市電采暖分時(shí)電價(jià)，23:00至次日7:00為0.2099元/(kW.h)、7:00至23:00為0.51元/(kW.h)；（4）折舊年限：20年；（5）設(shè)備配比系

12、數(shù)：儲(chǔ)熱電暖器因考慮儲(chǔ)熱取2.0；普通電暖器間歇采暖取1.2；（6）有效使用系數(shù)：0.7。4.2 經(jīng)濟(jì)分析下面就蘭州地區(qū)保溫性好的節(jié)能民用住宅建筑采用儲(chǔ)熱電暖器與普通電暖器采暖時(shí)初投資及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1。如果收取采暖費(fèi)是按照建筑面積來(lái)核算，目前蘭州市城市熱力管網(wǎng)集中采暖費(fèi)為4.2元/m2，按四個(gè)半月收取，則每個(gè)采暖季為18.9元/m2。此采暖費(fèi)用的計(jì)算是基于供熱單位向用戶每采暖季供熱量計(jì)算得出的，而在計(jì)算電采暖運(yùn)行費(fèi)用與之比較時(shí)，應(yīng)該考慮電暖器有效使用系數(shù)來(lái)計(jì)算電采暖的運(yùn)行費(fèi)用，而不是直接采用設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。表1 民用住宅建筑儲(chǔ)熱電暖器與普通電暖器經(jīng)濟(jì)比較項(xiàng)目普通電暖器儲(chǔ)熱電暖器戶

13、內(nèi)投資設(shè)備費(fèi)（元/m2）40150工程費(fèi)采暖熱指標(biāo)（W/m2）5050設(shè)備配比系數(shù)1.22有效使用系數(shù)0.70.7采暖天數(shù)（天）136136電費(fèi)采暖季耗電量（KWh）137.166.7電價(jià)23:00-7:00為0.2099元/(kW.h)7:00-3:00為0.51元/(kW.h)電費(fèi)（元/m2）56.214.0維修費(fèi)（元/m2）12運(yùn)行費(fèi)（元/m2）57.216折舊費(fèi)初投資（元/m2）40150折舊率0.050.05折舊費(fèi)（元/m2）27.5運(yùn)行費(fèi)+折舊費(fèi)（元/m2）59.223.5注：兩種電采暖初投資的計(jì)算，均未考慮電力部分（高壓配電網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)、戶內(nèi)線和電表）費(fèi)用。通過(guò)以上計(jì)算可得出：

14、其中儲(chǔ)熱電暖器的采暖費(fèi)用遠(yuǎn)低于普通電暖器，因以節(jié)能建筑計(jì)算，其費(fèi)用并且低于城市集中熱力管網(wǎng)集中采暖取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，使用儲(chǔ)熱式電暖器，每平方米建筑面積一個(gè)采暖季可節(jié)約費(fèi)用約26%，如果應(yīng)用于非節(jié)能建筑采暖費(fèi)用會(huì)稍高于城市集中熱力管網(wǎng)集中采暖。當(dāng)然如果冬季某些天的氣溫較暖，可減少供電負(fù)荷。當(dāng)?shù)酵獾芈糜?、探親訪友時(shí)，可斷電停止供暖，這樣節(jié)約供暖費(fèi)用會(huì)更高。而普通電暖器采暖雖然初投資比儲(chǔ)熱電暖器低，但不值得提倡，其一運(yùn)行費(fèi)用偏高，其二不帶儲(chǔ)熱功能加大電網(wǎng)的峰谷差。理想的電采暖模式應(yīng)該是與儲(chǔ)熱相結(jié)合。目前經(jīng)濟(jì)上可以承受、技術(shù)上可行的有儲(chǔ)熱電暖器，初投資適中，考慮其對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。我國(guó)電力時(shí)至

15、今日已取得很大發(fā)展，但是對(duì)電力的需要增長(zhǎng)也很快。目前電力供應(yīng)出現(xiàn)吃緊，特別是一到夏季炎熱或冬季寒冷天氣，用電高峰期各地不得不拉閘限電。造成這種局面主要原因是我國(guó)電網(wǎng)用電負(fù)荷峰谷差嚴(yán)重，高峰電緊缺而低谷電富裕，這一方面對(duì)電網(wǎng)的安全帶來(lái)威脅，另一方面不利于發(fā)電設(shè)備利用率的提高。解決這一矛盾的辦法是鼓勵(lì)多用低谷電，實(shí)現(xiàn)平衡電網(wǎng)用電負(fù)荷。為此各地相繼出臺(tái)了分時(shí)電價(jià)政策，特別是針對(duì)空調(diào)、供暖用電采取優(yōu)惠政策來(lái)鼓勵(lì)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)及帶儲(chǔ)熱功能電采暖的大量應(yīng)用。5 結(jié)束語(yǔ)各種形式電采暖中普通電暖器采暖其初投資雖小，但其運(yùn)行費(fèi)用較高，普通電暖器采暖不具有儲(chǔ)熱功能，其大量應(yīng)用勢(shì)必進(jìn)一步加大電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，因此不宜提

16、倡應(yīng)用；在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50019-2003采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范條也明確規(guī)定：能利用低谷電蓄熱的場(chǎng)所，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時(shí)，可采用電采暖。所以利用儲(chǔ)熱電暖器采暖正是這種較理想的電采暖方式，不但對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)削峰填谷、節(jié)省用戶采暖費(fèi)用，而且屬于分布式電采暖可以節(jié)省鋪設(shè)集中熱力管網(wǎng)或天然氣管網(wǎng)的費(fèi)用，同時(shí)末端用戶調(diào)節(jié)方便。就目前國(guó)內(nèi)各大城市實(shí)行的分時(shí)電價(jià)政策而言，儲(chǔ)熱電暖器采暖其運(yùn)行費(fèi)用大大低于普通電暖器，因此儲(chǔ)熱電暖器采暖可以節(jié)省用戶采暖運(yùn)行費(fèi)用。通過(guò)對(duì)電采暖在蘭州地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性初步分析可得出：建筑物保溫性也會(huì)直接影響電采暖的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)于保溫性能好的建筑儲(chǔ)熱電暖器費(fèi)用可以低于城市集中熱力管網(wǎng)集中供熱的費(fèi)用。具有分時(shí)電價(jià)政策的城市采用儲(chǔ)熱電暖器采暖可以大大降低采暖費(fèi)用。綜上所述，儲(chǔ)熱電暖器是一種較理想的電采暖設(shè)備，其具有