蓄熱式電供暖技術經(jīng)濟性分析

摘 要

摘要：介紹了蓄熱式電供暖的研究現(xiàn)狀，分析了蓄熱式電供暖的原理及特點。對蓄熱式電供暖、普通電供暖方式的經(jīng)濟性進行了比較，前者的經(jīng)濟性較好。關鍵詞：蓄熱式電供暖；蓄熱式電暖器
摘要：介紹了蓄熱式電供暖的研究現(xiàn)狀，分析了蓄熱式電供暖的原理及特點。對蓄熱式電供暖、普通電供暖方式的經(jīng)濟性進行了比較，前者的經(jīng)濟性較好。
關鍵詞：蓄熱式電供暖；蓄熱式電暖器；經(jīng)濟性分析
Technical and Economic Analysis on Regenerative Electric Heating Technology
HOU De-Xi，ZHANG Jian，WANG Man-li
Abstract：The current research status of regenerative electric heating is introduced，and its principle and characteristics are analyzed. The economic efficiency of regenerative electric heating are compared with that of common electric heating，and the former has better economic efficiency.
Key words：regenerative electric heating；regenerative electric radiator；economic analysis
1 概述
   能源是人類生存和發(fā)展的基礎，科學技術發(fā)展到今日，能源問題已成為制約人類物質(zhì)和精神生活進一步提高的瓶頸。因此，如何開發(fā)綠色能源以及提高能源利用率一直都是現(xiàn)代科技界關注的焦點。近年來，蓄熱材料逐漸成為國內(nèi)外能源利用和材料科學研究方面的熱點。蓄熱材料在其物性變化過程中，能夠從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量，從而達到儲存和釋放能量的目的，解決了能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾，有效提高了能源的利用率。由于有些蓄熱材料在其相變過程中溫度近似恒定，可以用于調(diào)整控制周圍環(huán)境的溫度，并且可以多次重復使用[1]。基于這些特性，使蓄熱材料在太陽能、電力移峰填谷、工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領域有著廣闊的應用前景[2～5]。
2 蓄熱式電供暖的研究現(xiàn)狀
   現(xiàn)代蓄熱技術主要是在20世紀70年代石油危機后發(fā)展起來的，當時一些工業(yè)大國開始重視太陽能、核能、風能等新能源的研究開發(fā)，而這些新能源是不連續(xù)的，這就迫使人們開始重視蓄熱技術并迅速開展研究工作。另一方面，隨著供暖、空調(diào)用能急劇增長和空間技術的迅速發(fā)展，如何使用蓄熱技術進行電力的移峰填谷以及給熱動力裝置提供穩(wěn)定的熱能或電能，成了研究和應用的熱點。蓄熱技術應用于建筑領域始于1982年，由美國能源部太陽能司發(fā)起，1988年起由美國能量儲存分配辦公室推動此項研究。經(jīng)過逾20年的發(fā)展，蓄熱技術開始轉(zhuǎn)入大規(guī)模商業(yè)化應用，成熟產(chǎn)品和設備相繼出現(xiàn)，蓄熱調(diào)溫建筑材料的產(chǎn)業(yè)化進程步入正軌。
    蓄熱技術是開發(fā)新能源、提高能源利用率的重要途徑，為了實現(xiàn)電力移峰填谷、平衡用電負荷，研究人員開展了蓄熱式電供暖的研究。蓄熱式電供暖根據(jù)蓄熱介質(zhì)的不同分為顯熱蓄熱及相變蓄熱。顯熱蓄熱式電供暖的蓄熱介質(zhì)一般是熱容量較大的固體材料、熱水等。其蓄熱原理為在蓄熱階段對蓄熱介質(zhì)電加熱，使其吸收熱量從而溫度升高，并對蓄熱介質(zhì)加以保溫措施以實現(xiàn)儲存熱量的目的；在放熱階段蓄熱介質(zhì)溫度降低釋放出熱量。顯熱蓄熱式電供暖由于其技術容易實現(xiàn)，國外開展研究較早。目前英國、西班牙、愛爾蘭、德國、芬蘭、丹麥等國已經(jīng)生產(chǎn)出大量以四氧化三鐵為蓄熱介質(zhì)的顯熱蓄熱式電暖器。國內(nèi)對該項研究開始于20世紀90年代，中科院工程熱物理研究所對電鍋爐中蓄熱水箱的分層取水進行了研究，解決了蓄熱水箱取水溫度不穩(wěn)定的問題[6～8]。相變蓄熱式電供暖則是利用相變材料的相變過程來儲存或釋放熱量。
3 蓄熱式電供暖原理及性能特點
3.1 原理
    蓄熱式電暖器在每天夜間低谷電價時段通電加熱6～7h，將廉價的電能轉(zhuǎn)換成熱能，并儲存起來，當然，在儲存部分熱量的同時也向房間放熱，滿足供暖需求。在當天其他17～18h用電高峰時段，將儲存的熱量斷電釋放，這樣它既能利用低谷電價政策，又可以24h持續(xù)放熱，實現(xiàn)了“低谷蓄熱，高峰放熱”。
    本文介紹的蓄熱式電暖器以電熱管為加熱元件，以蓄熱磚為蓄熱介質(zhì)，電熱管把熱量直接傳遞給蓄熱磚。蓄熱磚由高密度氧化鐵構成，它是一種良好的固態(tài)蓄熱介質(zhì)，比定壓熱容為1.1kJ/(kg·K)。蓄熱磚平均最高溫度可達到700℃以上，儲熱同時也可放熱，無有害氣體釋放，完全達到環(huán)保要求。夜間低谷電價時段電熱管通電加熱6～7h，斷電后蓄熱磚按一定的放熱曲線持續(xù)向房間放熱。供暖房間溫度波動極小，基本處于均勻、恒定狀態(tài)。
3.2 性能特點
    ① 低谷用電，運行費用較低。目前，甘肅、遼寧、吉林、黑龍江、北京、上海、江蘇等省市都實行峰谷電價政策，夜間低谷時段電費約為其他時段的50%。蓄熱式電暖器利用低谷時段加熱并儲存熱量，全天穩(wěn)定釋放，同比運行費用降低約50%。
    ② 全天24h持續(xù)供暖，室溫均勻穩(wěn)定。通過長壽命、高能效的加熱元件，在低谷時段加熱6～7h，將熱量儲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)過合理配置后的蓄熱供暖系統(tǒng)，能夠使室溫達到16～20℃。蓄熱式電暖器通過溫度感應器對輸入熱量和輸出熱量進行調(diào)節(jié)控制。蓄熱式電暖器的熱量輸出完全根據(jù)室外溫度變化曲線設計，隨著室外溫度的變化，釋放熱量，從而保持室內(nèi)溫度全天穩(wěn)定。
    ③ 調(diào)節(jié)靈活，滿足不同用戶的需求。蓄熱式電暖器提供多種功率選擇，適用于不同房間。每臺蓄熱式電暖器可單獨控制，如果長期外出，可以完全關閉。蓄熱式電暖器設有熱量輸入輸出調(diào)節(jié)旋鈕(小功率設備除外)。外出時可以把熱量輸出調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到最小，回家時調(diào)到最大；天氣暖和時可以把熱量輸入調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)小，以實現(xiàn)最大的經(jīng)濟性?？傊?，靈活的調(diào)節(jié)性能最大限度地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，固定在墻體上或者采用萬向輪移動方式，安裝使用比熱水供暖系統(tǒng)簡便，而且節(jié)省了供熱管道費用和安裝費用。
    ⑤ 運行安全可靠，免維護。蓄熱磚具有一定的防凍特性(防凍溫度為-10℃)，不會因天氣寒冷凍裂散熱片。實際使用證明蓄熱式電暖器運行安全可靠，全年免維護。
    ⑥ 行為節(jié)能，綠色供暖；無污染，無噪聲，安全環(huán)保。中國大部分地區(qū)高峰電力短缺已成為影響經(jīng)濟發(fā)展的一大障礙。然而，另一方面，夜間的低谷電力卻白白浪費。通過移峰填谷，行為節(jié)能，提高電力運行效率，節(jié)省能源是蓄熱式電暖器的主要特點之一。以輻射、對流傳熱為主的散熱方式，安靜、舒適。完全使用電能，清潔、環(huán)保，無污染物排放。
    ⑦ 使用壽命長。使用壽命長達20a，無腐蝕，而且各項安全指標均通過檢測，使用安全。
4 經(jīng)濟性分析
    電供暖在我國得到長足發(fā)展，各地已經(jīng)制定了分時電價以鼓勵電供暖，但電供暖的經(jīng)濟性也引起了廣泛爭議。下面對蓄熱式電供暖與普通電供暖在蘭州地區(qū)的設備造價和熱費進行比較分析。
   ① 基礎數(shù)據(jù)
   供暖設計熱指標為50W/m2，供暖時間為136d。蘭州市分時電價：23:00至次日7:00為0.2099元/(kW·h)，7:00至23:00為0.51元/(kW·h)。電暖器折舊年限為20a，折舊率為0.05。在考慮設備選型時，普通電暖器屬于間歇供暖，設備實際功率應比設計熱負荷增加20%，因此普通電暖器的設備配比系數(shù)取1.2；蓄熱式電暖器在斷電放熱階段其放熱量減少較多，故設備實際功率按設計熱負荷的3.2倍考慮，因此蓄熱式電暖器的設備配比系數(shù)取3.2。有效使用系數(shù)取0.7。
② 經(jīng)濟分析更
以蘭州地區(qū)絕熱性好的節(jié)能民用住宅建筑為例，普通電暖器與蓄熱式電暖器供暖的設備造價、熱費(運行費+折舊費)比較見表1，兩種電供暖方式的設備造價均未考慮電力部分(高壓配電網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)、戶內(nèi)線和電表)費用。在計算電供暖熱費時，應該考慮電暖器有效使用系數(shù)，而不是直接采用設計熱負荷進行計算。由表1可知，雖然普通電暖器的設備造價比蓄熱式電暖器低，但前者運行費用偏高。
表1 普通電暖器與蓄熱式電暖器的經(jīng)濟性比較   元/m2
項目
普通電暖器
蓄熱式電暖器
設備造價
40
150
運行費
電費
56.2
22.4
維修費
1.0
2.0
折舊費
2.0
7.5
熱費
59.2
31.9
5 結(jié)論
雖然普通電供暖的設備造價較低，但其運行費用較高，而且不具備蓄熱功能，大量應用勢必進一步加大電網(wǎng)負荷峰谷差，因此不宜提倡應用。GB 50019—2003《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》的4.7.1條也明確規(guī)定：能利用低谷電蓄熱的場所，經(jīng)技術經(jīng)濟比較合理時，可采用電供暖。蓄熱式電供暖正是這種較理想的電供暖方式，不但對電網(wǎng)負荷實現(xiàn)移峰填谷、節(jié)省用戶供暖費用，而且屬于分布式電供暖，可以節(jié)省敷設集中供熱管道或天然氣管道的費用，末端用戶調(diào)節(jié)也比較方便。
就目前國內(nèi)各城市實行的分時電價政策而言，蓄熱式電暖器的運行費用大大低于普通電暖器。蓄熱式電暖器是一種較理想的電供暖設備，具有廣闊的市場及應用前景。
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(本文作者：侯德席1 張健2 王曼莉3 1.甘肅第一安裝工程有限公司 甘肅蘭州 730060；2.蘭州交通大學 甘肅蘭州 730070；3.金昌市規(guī)劃建筑設計院 甘肅金昌 737100)