分布式蓄熱供熱與液體動力加熱器

1、分布式蓄熱供熱與液體動力加熱器分布式蓄熱供熱與液體動力加熱器8/8分布式蓄熱供熱與液體動力加熱器分布式蓄熱供熱及液體動力加熱器 -電力需求側管理的現(xiàn)場解決方案電力摘要：采用分布式電蓄熱供熱可以在電網(wǎng)現(xiàn)有構架下實現(xiàn)平谷作用，同時還可以幫助燃氣管網(wǎng)實現(xiàn)削峰，能夠優(yōu)化城市能源系 統(tǒng)，減少輸送環(huán)節(jié)損耗。采用“火箭魚雷”技術的液體動力加 熱器，可以將化學水、水泵等被簡化，形成系統(tǒng)上的優(yōu)化，再結 合蓄熱水箱，能夠建立一種簡便易行的分布式電蓄熱供熱系統(tǒng)。關鍵詞：分布式供熱；蓄熱供熱；液體動力加熱器；空化技術1 分布式的發(fā)展趨勢燃氣工業(yè)隨著液化天然氣技術的發(fā)展，提出發(fā)展分 布式燃氣管網(wǎng)，使燃氣系統(tǒng)投資更低、效

2、率更高、更加 安全；熱力公司隨著天然氣和分布式能源技術的發(fā)展， 也提出熱損更小的分布式熱網(wǎng)方案，可以有效減少熱力 輸送中間環(huán)節(jié)的消耗；美加大停電之后，德國科學家研 究分析后正式提出，建設分布式電網(wǎng)可以有效解決電網(wǎng) 安全問題。分布式可以擴大能量溫度的利用范圍，進行 “溫度對口，梯級利用”，特別是低品位能量的利用；可 減少中間環(huán)節(jié)的浪費，減少電力、熱力的輸送損失“，在 現(xiàn)場轉換能源，在現(xiàn)場利用能源，在現(xiàn)場優(yōu)化能源”。分布式能源不僅包括能源梯級利用系統(tǒng)、資源綜合 利用系統(tǒng)和可再生能源，還含括了能夠優(yōu)化能源結構的 蓄能技術。不僅包括冰蓄冷、水蓄冷、飛輪儲能、電池 儲能和壓差儲能，也包括了蓄熱技術。將蓄

3、熱和現(xiàn)場轉 換能源技術結合，利用分布在需求側的設施，靠電網(wǎng)的 低谷電力來供應用戶的熱力需求，同時優(yōu)化電力供需結 構，將是電力需求側管理今后需要認真關注的一項主要技術。分布式技術的發(fā)展一方面對系統(tǒng)的信息化提出了新 的要求，現(xiàn)場不能有人值守，通過智能化控制系統(tǒng)，或 者網(wǎng)絡化遙控系統(tǒng)對分布在需求側的能源設備進行控求，能源轉換設備例如發(fā)電、余熱回收、制冷供熱和蓄能；可以實現(xiàn)多模塊并聯(lián)。模塊化組合可以更加機 動靈活，根據(jù)項目的實際需求建立系統(tǒng)，實現(xiàn)投資、使 用效率和系統(tǒng)可靠性的最優(yōu)化。目前，集中供熱存在著巨大的浪費，很多時候建筑 物內空無一人卻在供熱，一些建筑供熱量大于實際需 要。此外，集中供熱中間輸送

4、環(huán)節(jié)平均消耗10%20% 的能量。對于天然氣和電力這些高品位能源應盡快采取“ 精確供熱 ”和“靈活供熱”,按需、按時、按量供熱， 采取靈活的供熱調節(jié)技術和熱能轉換技術，這就是分布 式供熱。2 液體動力加熱技術液體動力加熱技術是一種利用流體力學原理加熱的 新型現(xiàn)場換熱技術，利用該技術，前蘇聯(lián)發(fā)明了著名的 “火箭魚雷”。該技術利用流體力學原理，利用動能將水 相變?yōu)樾馀荩瑢馀莪h(huán)繞雷體減少水中阻力，并使體 積膨脹的氣泡水推進魚雷。烏克蘭人發(fā)現(xiàn)在氣泡噴射過 程中會產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”，能夠產(chǎn)生水分子撞擊，實現(xiàn) 水溫度的上升，而且熱能轉換效率可以達到 95%，由于 “空化”作用破壞了水中易結垢的物質成分和

5、結垢條件， 水中的雜質不會因為水分子升溫而聚集結垢，更不會因釋是液體在動能下高速流經(jīng)“空化發(fā)生器”，在其內部表面產(chǎn)生接近真空狀態(tài)的負壓，使液體達到沸點而產(chǎn)生 大量微小氣泡，在周圍水壓作用下，氣泡經(jīng)過碰撞，內 部急遽爆裂，形成水分子摩擦，從而釋放出巨大能量而 使液體變熱升溫。烏克蘭利用這一技術制造了液體動力加熱器，不僅 具有很高的熱能轉換效率，而且由于運行沒有壓力、水 不結垢、系統(tǒng)簡單可靠的特性，故可以更加安全方便地 使用。工藝說明見圖1。該技術可實現(xiàn)模塊化組合，體 積小、占地省，具有非常好的適用性。1.電機和水泵；2.容器；3.熱能發(fā)生器；4.電控箱；5.底架；6.減振座 圖中字母：K代表球型

6、閥門；代表傳感器； P 代表軟管；K代表安全閥門。我國哈爾濱飛機制造公司及時引進這一技術，已經(jīng)形成批量化生產(chǎn)，并在大慶和勝利油田、中央國家機關 采購中心、首鋼、北京陶然亭和玉淵潭公園、中石化加 油站等多個項目中使用，運行效果良好。這種新型采暖 供熱技術已被國家科技部定為國家級“火炬計劃”項目。目前，在需求側管理中，電蓄熱供暖主要采用電鍋 爐。電鍋爐對水質要求比較嚴格，因安全原因電鍋爐一 般不能太靠近需求現(xiàn)場，造成中間輸送環(huán)節(jié)的損耗增 加，影響經(jīng)濟性；另外需配置化學水系統(tǒng)、水泵和系統(tǒng) 自控等，系統(tǒng)的綜合造價比較大；對場地和供電容量有 較大的要求，增加電網(wǎng)配電投資。液體動力加熱技術可以較好的解決電

7、鍋爐存在的問 題。液體動力加熱器由于對水質沒有要求，節(jié)省了化學 水處理系統(tǒng)，減少了相關投資和場地，免除了維護負擔； 液體動力加熱器內部主要構件是一個空化器，在供熱中 可以利用空化器的動能進行水系統(tǒng)循環(huán)，不需要專門配 備水泵；結合一個蓄熱水箱就可以實現(xiàn)蓄熱供暖，在使用上可以根據(jù)回水溫度變化進行自動調節(jié)，使用者可將這些系統(tǒng)直接安裝在建筑物的設備間或設備層，實現(xiàn)分 散蓄能、分散供暖，使按熱量核算變得更加可行；最關 鍵的是該設備不是壓力容器，盡管空化器制造水壓形成 空化現(xiàn)象，但空化之后立即恢復常壓，不存在爆炸的可 能性，方便了需求側的使用。液體動力加熱器不僅可以加熱水，而且可以加熱高 溫導熱油，溫度能

8、夠達到170，傳熱速度極快，可以 應用在多種特定場合；甚至可以直接加熱柴油，這對于 高寒地區(qū)的油料保障系統(tǒng)具有非常大的意義。該技術還可以及可再生能源系統(tǒng)配套使用，太陽 能、地源熱泵等可再生能源存在的普遍問題是品位比較 低，有的還存在間歇性問題，需要一種補償手段。例如 太陽能熱水器在冬季北方地區(qū)溫度只能達到4050， 能夠滿足采暖需要，但是夜間由于日照問題無法繼續(xù)采 暖，如果利用夜間低谷電力和蓄能系統(tǒng)，就可以很好解 決能量供應的平衡問題，在陰天太陽能無法工作狀態(tài)下 還可以保障系統(tǒng)運行。地源熱泵作為建筑采暖溫度偏 低，如果提高溫度可能影響效率，所以采用液體動力加 熱器作為補溫手段，不僅可以提高溫度

9、，而且可以將地 源熱泵作為基本負荷熱源，蓄熱加熱作為調峰負荷熱 源，從而降低設備初投資規(guī)模，具有更理想的經(jīng)濟性。3 技術應用探討采暖是一個動態(tài)的過程，主要影響建筑單位采暖量 的因素來自環(huán)境溫度的變化、建筑的使用用途和供暖系 統(tǒng)調節(jié)的靈活性、建筑保溫等，實現(xiàn)靈活調節(jié)的系統(tǒng)采 暖，才能既節(jié)能，又舒適。目前，哈爾濱飛機制造公司能夠生產(chǎn)三種不同容量 的設備，分別為 15kW、22kW 和 45kW 的模塊，并準備 進一步開發(fā)容量更小的模塊（表1）。這些模塊可以獨立 使用，也可以多模塊組合使用。可以結合蓄熱水箱蓄熱 運行，也可以直接連接熱網(wǎng)或熱水系統(tǒng)運行，使用比較 靈活。用電采暖技術應首先考慮利用夜間低

10、谷電力蓄熱技術，應該將低谷的8小時的電能作為蓄能基本負荷。當 環(huán)境溫度極限變化造成建筑尖峰采暖負荷變化，蓄熱供 暖能力不足時，再用平峰時段的電力進行調節(jié)。這樣可 以實現(xiàn)充分節(jié)能，優(yōu)化電力系統(tǒng)的供電結構，對電網(wǎng)、 電廠和用戶都實現(xiàn)供需優(yōu)化。由于液體動力加熱器對于水質沒有特殊要求，也沒 有壓力，水箱系統(tǒng)可以比較簡單，只需要進行必要的保 溫即可。在設計中如果采用蓄熱水箱，就需要配備溫控 循環(huán)泵系統(tǒng)。如果采用多套模塊串連設計，也可以不使 用水泵而只接液體動力加熱器自身動力進行循環(huán)。如果可以按照建筑實際利用時間采暖，一臺45kW 模塊8小時的蓄熱量在一般情況下可以滿足800900m2 辦公室采暖，500

11、600m2住宅采暖，700m2商業(yè)設施的 采暖。一般蓄熱水箱可以滿足熱力需求峰谷變化的調 節(jié)，如若出現(xiàn)極端溫度天氣，可以利用平峰電力進行適 當?shù)难a充（表2）。在一些建筑中可以采用低平兩個時段電力供暖，這樣蓄熱損耗可以有所下降，供暖能力和供暖面積都可以 翻番。這一方法可以減少初投資，運營得當也可以節(jié)省 采暖費用，但沒有全蓄熱方式經(jīng)濟。采用高平兩段方式， 可以有更大的調節(jié)能力，能夠根據(jù)環(huán)境溫度的季節(jié)變化 周期進行調節(jié)（表3）。建筑室內暖通設備的換熱能力必須滿足建筑設計指標，并不意味熱源系統(tǒng)按照這一指標簡單疊加，關鍵是 根據(jù)實際狀況選擇技術方案。例如采用分時供熱的辦公室，早 8 點上班時室內供暖量可

12、能需要 60W/m2，9 點時由于室內已經(jīng)加熱，計算機和人流熱量也上升，采暖 需求可能降到 45W/m2；10點鐘由于日照因素，環(huán)境氣 溫上升，單位采暖量繼續(xù)下降到 2030W/m2；中午12 點人們就餐，供暖水平可以維持在 1020W/m2；下午4點以后由于環(huán)境溫度下降，供暖量需要逐漸增加直到 下班之前。而下班以后，只需要維持室內5，保持供 暖管道不結凍。如果建筑節(jié)能結構好，利用余熱可以維 持到第二天早晨，這樣9小時平均需要的熱量在3040W/m2 左右。商業(yè)建筑及人流關系更大，人越多采暖 負荷越小。北京機場盡管是高棚頂和玻璃幕墻結構，實 際每平方米的采暖需求也只有 40W/m2。北京首鋼集

13、團特鋼公司已經(jīng)在多個建筑上采用液體 動力加熱器，其中一個項目是由兩個辦公建筑組成，建 筑是6070年代建成，墻體沒有保溫措施，窗戶是單層 玻璃，密封很差，一個 3600m2，一個 800m2，合計 4400 m2。使用 3 臺 45kW 機組直供，每平方米 29W。2004 年12月16日小雪天氣，晝間室外環(huán)境溫度03，實際 運行兩臺機組，折合 19.3W/m2。室內溫度超過 16。 三臺機組中1號機組作為系統(tǒng)基本負荷運行125天，每 天24小時，合計3000 小時；2號機組只在上班時間運 行，運行 86 天，每天 9 小時，合計 778 小時；3號機組 只在最冷的時間調節(jié)運行，預計每年運行2

14、9天，每天9 小時，合計259 小時?？偣差A計耗電226677kWh，按0.5 元 /kWh 內部工業(yè)電價合計，每年采暖費用113338.5元，單位平米采暖費為25.76元/季，比采用 天然氣集中采暖節(jié)省18660元/年。實際上該系統(tǒng)還可 以采取蓄能運行，基本上兩套機組就可以滿足運行要 求，如果有低谷電，經(jīng)濟性更加理想。在北京低谷電0.2元/kWh 的條件下，對于建筑節(jié) 能結構比較好的項目，特別是可以分時調節(jié)供暖的用戶， 其經(jīng)濟性非常好。采暖費用大大低于北京天然氣集中供 熱的民用建筑采暖 30 元 /m2/ 季、商業(yè)建筑 35 元 /m2 季的收費標準，甚至低于燃煤熱電廠的采暖費用。無論 從節(jié)

15、能角度還是環(huán)保角度，都具有更加理想的優(yōu)勢。中石化北京西翠路加油站900m2建筑面積，采用了 一臺 45kW液體動力加熱器和一個 4m3 保溫水箱，組成 一個蓄熱式采暖系統(tǒng)。加油站在夜間利用低谷電力蓄熱 運行，將水箱加溫到90。白天使用這些熱水供暖，當 天氣過冷時啟動加熱器在白天補償部分能量，其能源費用明顯降低（表4）。表5的條件是采用低、平兩段電價的分時調節(jié)供暖 用戶的采暖費，計算表明成本不會超過采用天然氣的每 平方米 30 元的集中供熱收費。下表還說明用戶可以將 平峰電力作為一種供熱尖峰調節(jié)手段，如果蓄熱供熱量 不能滿足需求時，可以利用部分價格高一些的平峰電力 作為調節(jié)手段，經(jīng)濟性依然可以承

16、受。對于采用低谷電價但不能分時調節(jié)供暖用戶，即便 住在節(jié)能標準比較低的建筑內，按照北京市的采暖規(guī)范 要求，其采暖費也基本及采用天然氣集中供熱用戶的采 暖費基本相當（表6）。除了采暖以外，利用低谷電力生產(chǎn)生活熱水也是一 個重要的用途。生活熱水長年使用，需求比較穩(wěn)定，而 且分散，對于電網(wǎng)不會增加大規(guī)模的投資。1個 45kW 模塊低谷蓄熱8小時的熱量可以滿足250300人的淋 浴，這一技術在學校和工廠的澡堂使用非常方便簡單， 也可以安裝在有衛(wèi)生熱水供應的其他建筑之內（表7）。除了衛(wèi)生熱水，在游泳池使用也非常方便，一般游泳池每天平均損失2左 右，可以根據(jù)情況選擇不同的機組配置。 對于不能申請低谷電的游泳池可以采取 連續(xù)供熱，如果能夠可以申請到低谷電 力，可以直接利用水池蓄熱，在夜間將水 溫提高；也可以采用低谷和平峰兩段，因 為在夏季游泳池散熱量比較小，大約半 年利用低谷蓄熱，半年低平