摘" 要：該文以蒙西地區(qū)采用固體電蓄熱裝置的供暖項目為背景，從政策導向、設(shè)備選型計算、系統(tǒng)原理和投資效益等方面分析固體電蓄熱裝置的應(yīng)用，能夠提高用電負荷，節(jié)能降耗，助力峰谷調(diào)節(jié)。在蒙西地區(qū)具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：蒙西；固體電蓄熱裝置；煤改電；供暖；削峰填谷

中圖分類號：TU833+.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0081-05

Abstract： Based on the heating project with solid electric heat storage device in Mengxi area， this paper analyzes the application of solid electric heat storage device from the aspects of policy orientation， equipment selection calculation， system principle and investment benefit， which can increase power load， save energy and reduce consumption， assist peak-valley regulation. Which has a good popularizing value in Mengxi area.

Keywords： Mengxi area; solid electric heat storage device; Coal to Electricity; heating; peak cutting and valley filling

隨著蒙西地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化和經(jīng)濟水平的提高，一方面峰谷用電兩極分化嚴重，負荷峰谷差日益擴大，嚴重影響電網(wǎng)供電的可靠性和電能質(zhì)量；另一方面分散的燃煤小鍋爐是造成嚴重霧霾的重要因素之一，“煤改電”供暖是打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要舉措，有利于進一步改善空氣質(zhì)量和居住環(huán)境。蒙西地區(qū)統(tǒng)一供暖管網(wǎng)覆蓋率不足30%，大部分地區(qū)依然采用燃煤鍋爐供熱[1]，依托蒙西地區(qū)的資源優(yōu)勢，火電裝機和新能源裝機整體富裕，但是低谷段電能利用率低，電網(wǎng)調(diào)峰困難，電采暖的大規(guī)模推廣可以快速增加用電負荷，消納夜間富余電能，同時進一步促進風電、光電等可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高清潔能源裝機占比，對推動能源電力清潔低碳發(fā)展具有重要意義，也將促進蒙西地區(qū)電力行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。大力推廣在低谷段運行的固體電蓄熱裝置，是削峰填谷、清潔環(huán)保的有效辦法，與其他熱源相比，固體電蓄熱裝置有功率密度大、無污染、經(jīng)濟節(jié)約及便于安裝等優(yōu)勢，并且可通過消納低谷電及風光棄電來供暖，實現(xiàn)節(jié)能減排、削峰填谷[2]。

固體電蓄熱裝置主要利用固體材料顯熱儲熱技術(shù)[3]，以材料升溫或降溫過程中的溫差來實現(xiàn)熱能存儲與釋放，在整個工作溫度范圍內(nèi)，儲熱材料始終保持固定形態(tài)，目前商業(yè)化應(yīng)用主要有鎂磚材料，其儲熱密度高，蓄熱溫度可達600～800 ℃；體積熱容大，單位體積儲熱密度為水的5倍以上。固體電蓄熱裝置突破了電熱轉(zhuǎn)換及儲能過程中的超大功率技術(shù)瓶頸，而且清潔無污染、結(jié)構(gòu)配置簡單、自動化程度高，依托蒙西地區(qū)充裕的電力資源、低廉的峰谷電價和電采暖政策的支持，固體電蓄熱裝置將在供暖領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1" 政策導向

固體電蓄熱裝置的應(yīng)用主要取決于峰谷電價和政策的支持，在集中供暖管網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)覆蓋不到的居民住宅、公用建筑、辦公區(qū)域，以及企業(yè)、學校等區(qū)域優(yōu)勢十分明顯。固體電蓄熱裝置能夠根據(jù)用戶需求就近安裝使用，實現(xiàn)分戶供暖、按需供暖、分室調(diào)溫，能夠自主調(diào)控，滿足個性化使用需求，真正達到節(jié)約投資、節(jié)能降耗的目的[4]。

1.1" 國家政策

2022年，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（發(fā)改能源〔2022〕210號）中提到：全面推進風電和太陽能發(fā)電大規(guī)模開發(fā)和高質(zhì)量發(fā)展，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，優(yōu)先就地就近開發(fā)利用，有序淘汰煤電落后產(chǎn)能，持續(xù)推進北方地區(qū)冬季清潔取暖，按照宜電則電的原則，加快配電網(wǎng)改造升級力度，保障電力供應(yīng)，條件適宜地區(qū)積極推進蓄熱電鍋爐等新型電采暖設(shè)備[5]。

國家發(fā)展改革委等十部委印發(fā)的《關(guān)于進一步推進電能替代的指導意見》（發(fā)改能源〔2022〕353號）中提到：要積極推廣工商業(yè)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等重點領(lǐng)域電能替代，在終端能源消費領(lǐng)域用電能替代煤炭、石油、天然氣，提高電能占終端能源消費比重，繼續(xù)推進清潔取暖，在現(xiàn)有集中供熱管網(wǎng)難以覆蓋的區(qū)域，推廣蓄熱式電鍋爐、分散式電暖氣等電采暖，助力重點區(qū)域散煤清零，不斷完善電能替代支持政策，加強規(guī)劃統(tǒng)籌銜接，增強電力供應(yīng)與服務(wù)保障，加大投融資支持力度，完善價格和市場機制，強化節(jié)能環(huán)保降碳剛性約束[6]。

1.2" 蒙西地區(qū)政策

2020年，內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展和改革委員會印發(fā)的《關(guān)于進一步完善蒙西地區(qū)“煤改電”電價政策的通知》（內(nèi)發(fā)改價費字〔2020〕996號）中提到，對農(nóng)村牧區(qū)、城鎮(zhèn)及城市周邊區(qū)域的燃煤散燒治理“煤改電”和自建電采暖的居民用戶，峰時段調(diào)整為10個小時（8：00—18：00），峰時段用電價格下調(diào)至0.465元/kW·h；谷時段調(diào)整為14個小時（18：00—次日8：00），谷時段用電價格下調(diào)至0.165元/kW·h[7]。隨著蒙西地區(qū)以新能源為主體的新型電網(wǎng)系統(tǒng)的全面建設(shè)及電采暖政策的深入實施，將大力促進能源電力清潔低碳發(fā)展，保障能源電力安全供應(yīng)，推動能源產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級，保持蒙西地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。

蒙西地區(qū)建有大型煤電基地和風電、光伏基地，區(qū)域內(nèi)無法消納大量電力，長期以來，蒙西電網(wǎng)由于外送通道少，造成嚴重的窩電現(xiàn)象。電力送出問題一直是內(nèi)蒙古電力發(fā)展的瓶頸，而固體電蓄熱裝置具有高電壓、大功率等特點，可以根據(jù)電能分布情況就近安裝使用，功率覆蓋范圍大，而且調(diào)節(jié)靈活，既能滿足區(qū)域的用熱需求，又能增加用電負荷，平衡電網(wǎng)峰谷差值，提高現(xiàn)有發(fā)電機組的利用率，實現(xiàn)富余電能的自我消耗，避免電力資源的浪費，為蒙西地區(qū)電力的健康可持續(xù)發(fā)展提供新的契機。

2" 設(shè)備選型計算

2.1" 蓄熱功率計算

蒙西地區(qū)某公司辦公場所進行熱源升級改造，采用固體電蓄熱裝置進行供暖，整個辦公場所供熱面積約38 000 m2，層高3.2 m，此辦公場所為節(jié)能建筑，采暖終端為鋼制柱式暖氣片，要求二次管網(wǎng)供回水溫度為65 ℃/40 ℃，裝置接入電壓為10 kV AC，利用電網(wǎng)谷電時間段進行加熱并滿足全天供熱需求。

按照CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》[8]中采暖熱指標推薦值表，采暖熱負荷按55 W/m2計算。蒙西地區(qū)峰時段為10個小時（8：00—18：00），峰時段用電價格為0.465元/kW·h；谷時段為14個小時（18：00—次日8：00），谷時段用電價格為0.165元/kW·h?？紤]到辦公場所實際供熱需求，室內(nèi)溫度按照20 ℃設(shè)計，蒙西地區(qū)整個采暖期為180 d（10月15日至次年4月15日），因建筑物一天中不同時刻受太陽光照影響，溫度呈曲線變化，η通常取值0.8，即全天平均負荷率按80%考慮。

1）日采暖總熱負荷按式（1）計算

W=Q×S×T₁÷η， （1）

式中：W為日總熱負荷，kW·h；Q為采暖熱負荷，W/m²；S為供暖面積，m²；T₁為全天供暖時長，24 h；η為全天平均負荷率，%。

經(jīng)計算日采暖總熱負荷為40 128 kW·h。

2）固體電蓄熱裝置的功率按式（2）計算

P=W×d÷f÷T₂， （2）

式中：P為固體電蓄熱裝置的功率，kW；W為日總熱負荷，kW·h；T₂為蓄熱時間，全天谷電時長，14 h；d為管道熱損，取值1.05；f為裝置熱效率，取值0.95。

通過計算可知，固體電蓄熱裝置的功率為3" 200" kW。

2.2" 蓄熱材質(zhì)的選擇

該項目的蓄熱體材質(zhì)選用成本造價低的鎂基耐火材料為基礎(chǔ)（氧化鎂含量不低于92%），并添加納米微晶材料，1 600 ℃高溫燒制而成，蓄熱磚密度大于等于3.0 g/cm3，荷重軟化溫度大于等于1 550 ℃，常溫耐壓強度大于等于50 MPa，蓄熱磚可塑性強，可根據(jù)使用要求定制多種款式，并具有蓄熱能力強、性能穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點。

2.3" 電熱絲材料的選擇

該項目的電熱絲采用螺旋式裸絲結(jié)構(gòu)，鎳鉻合金材質(zhì)（牌號：Cr20Ni80），具有表面熱負荷高、耐高溫腐蝕、電氣性能穩(wěn)定、運行可靠、使用壽命長、電阻相對穩(wěn)定、功率偏差小和安全系數(shù)高等優(yōu)點，在正常運行工況下，設(shè)計反復加熱壽命大于2萬h。

3" 固體電蓄熱裝置系統(tǒng)原理

整個供熱系統(tǒng)主要由高壓線路、配電系統(tǒng)、固體電蓄熱裝置本體、供熱管網(wǎng)系統(tǒng)、終端散熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

3.1" 固體電蓄熱裝置本體結(jié)構(gòu)

固體電蓄熱裝置由鋼結(jié)構(gòu)骨架、換熱系統(tǒng)、蓄熱體、電加熱絲和保溫材料等組成，本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）蓄熱體。蓄熱體采用異形蓄熱磚按照一定的排列順序砌筑而成，蓄熱磚具有雙定位裝置，能夠有效限制上下塊蓄熱磚之間的前后左右相對位移，較好地保證了蓄熱體在受熱脹冷縮影響時不會發(fā)生較大的傾斜與位移；依托異型蓄熱磚的結(jié)構(gòu)，在砌筑過程中搭接形成縱向貫穿的孔洞，用于電加熱絲的安裝和循環(huán)熱風的風道。

2）鋼結(jié)構(gòu)骨架。固體電蓄熱裝置的框架采用國標型鋼焊接而成，具有高承載力、高強度、耐腐蝕、施工方便和成本低等優(yōu)點，而且將蓄熱單元與換熱單元分別置于鋼結(jié)構(gòu)上部和下部，既能實現(xiàn)換熱系統(tǒng)在固體電蓄熱裝置內(nèi)封閉循環(huán)，提高熱利用效率，又能保證在斷電時候，高溫氣體不會下沉至換熱系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生氣化現(xiàn)象，安全性能更高。

3）保溫。固體電蓄熱裝置保溫采用導熱率低、隔熱性能好的硅酸鋁棉氈，屬于A級耐火材料，具有重量輕、穩(wěn)定性好、介電常數(shù)高和電氣絕緣性能好等優(yōu)點，而且最高使用溫度可達1 300 ℃，憑借優(yōu)異的保溫性能，在運行過程中，裝置表面最高溫度不超過所處環(huán)境溫度35 ℃。

4）換熱系統(tǒng)。固體電蓄熱裝置的換熱系統(tǒng)由高溫風機、換熱器和風道組成。其中，高溫風機采用特殊結(jié)構(gòu)和工藝，電機與葉輪直聯(lián)，機殼采用復合保溫材料，結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)減震、消聲、節(jié)能，并且熱量損失少，使用性能穩(wěn)定，機械效率高；換熱器采用螺旋鋁翅片管式結(jié)構(gòu)，適用于熱冷交換的復雜工況與環(huán)境，具有傳熱系數(shù)高、散熱功能好、機械強度高、承壓能力強、耐腐蝕，以及使用壽命長等特點。

3.2" 供熱系統(tǒng)

該項目的供熱系統(tǒng)由固體電蓄熱裝置的換熱系統(tǒng)、一次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)、二次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)、補水系統(tǒng)及終端散熱系統(tǒng)構(gòu)成。其中，終端散熱系統(tǒng)為辦公場所原有設(shè)施，本文不再詳述，供熱系統(tǒng)工作原理如圖3所示。整個供熱系統(tǒng)采用閉式供熱系統(tǒng)，滿足各類用熱負荷要求，系統(tǒng)成熟，運行可靠，而且整個系統(tǒng)安裝得靈活性好，受建筑結(jié)構(gòu)影響低。供熱系統(tǒng)的管道采用國標無縫鋼管，耐腐蝕性好，耐高溫，抗沖擊，疲勞性能好，有效使用壽命15年以上；管道保溫選用B1級橡塑保溫管，具有導熱系數(shù)低、防火阻燃、防潮阻濕、減振降噪、環(huán)保健康、使用壽命長、外觀素雅美觀和安裝方便等優(yōu)點；供熱系統(tǒng)中設(shè)置了安全閥、自動排氣閥、隔膜式壓力膨脹罐等裝置，具有運行安全可靠、設(shè)備壽命長、節(jié)水節(jié)能等優(yōu)點。

1）固體電蓄熱裝置換熱系統(tǒng)。蓄熱階段，利用電熱絲將電網(wǎng)的低谷電或風光棄電等廉價電能轉(zhuǎn)化為熱能存儲在蓄熱體內(nèi)，存儲的熱量滿足辦公場所當日供熱所需。換熱階段，利用高溫風機帶動空氣流經(jīng)蓄熱體孔洞，空氣溫度逐漸升高，加熱后的空氣進入到換熱器內(nèi)，并與換熱器內(nèi)的冷回水進行“氣-水”熱量傳遞，加熱后的水在循環(huán)泵的驅(qū)動下，在一次管網(wǎng)中進行換熱循環(huán)，冷卻后的空氣再次回到蓄熱體內(nèi)，開始下一次換熱循環(huán)。整個換熱系統(tǒng)實現(xiàn)封閉循環(huán)，依靠良好的保溫性能，熱量損失少，換熱效率高。

2）一次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)。在循環(huán)泵的驅(qū)動下，管道中的冷回水（50 ℃）通過固體電蓄熱裝置的換熱系統(tǒng)加熱到75 ℃，并在板式換熱器中進行“水-水”熱交換，換熱后的冷回水重新進入到換熱系統(tǒng)內(nèi)，開始下一次換熱循環(huán)。

3）二次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)。利用固體電蓄熱裝置的換熱系統(tǒng)，將蓄熱體存儲的熱能傳遞給一次管網(wǎng)循環(huán)水，再通過板式換熱器，將一次管網(wǎng)循環(huán)水的熱能傳遞給二次管網(wǎng)循環(huán)水，在二次管網(wǎng)循環(huán)泵的驅(qū)動下，循環(huán)水流經(jīng)終端散熱器，并將熱量輻射到建筑物內(nèi)。通過監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)高溫風機的風量，來控制供水溫度，實現(xiàn)按需供暖，能夠自主調(diào)控，滿足個性化使用需求，真正達到節(jié)能降耗的目的[9]。

4）補水系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)采用2套獨立的補水系統(tǒng)，分別用于一次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)和二次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)，水源取自設(shè)備間自來水分支管路，經(jīng)軟化水處理器軟化后的軟水存儲在水箱中，管道上的壓力傳感器檢測管道壓力信號并上傳至PLC控制系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)控制補水泵按照預設(shè)定壓力自動啟動進行補水。由于一次管網(wǎng)系統(tǒng)較小，管道壓力受水溫變化影響較大，在一次管網(wǎng)補水進口設(shè)置了壓力膨脹罐，有效解決管道壓力隨水溫變化驟升驟降問題。

3.3" 供電系統(tǒng)

固體電蓄熱裝置采用10 kV高電壓直接供電方式，免去10/0.4 kV變壓器設(shè)備，高壓電源直接接入固體電蓄熱裝置內(nèi)，實現(xiàn)大功率電熱轉(zhuǎn)換和大容量熱儲能。高壓電源由蒙西地區(qū)的電力服務(wù)公司負責接引至公司紅線內(nèi)，通過10 kV電壓等級架空線路引入至配電室，高壓開關(guān)柜與固體電蓄熱裝置接線端子采用電纜直接連接，接引方便簡單，成本低，同時作為純電阻裝置，不會產(chǎn)生諧波，不會對其他入網(wǎng)設(shè)備的使用產(chǎn)生任何影響。該供電方案變配電設(shè)備少，可有效降低占地面積和初始投資費用，而且沒有變壓器損耗，電能利用率更高。

3.4" 控制系統(tǒng)

固體電蓄熱裝置采用成熟通用的PLC控制方式，可實現(xiàn)手動、自動、遠程控制3種運行模式，具有抗干擾能力強、故障率低、易于設(shè)備擴展和便于維護等優(yōu)點。PLC控制系統(tǒng)主要由控制柜、智能儀表、變頻器、傳感器和觸摸屏等組成，并配有通信接口（RS485），可通過通信接口與監(jiān)視器、打印機等設(shè)備實現(xiàn)通信，同時也支持5G/4G/WIFI/以太網(wǎng)等聯(lián)網(wǎng)方式，根據(jù)用戶需求構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，進行實時的數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理，有助于提高裝置的運行效率，降低運行成本。在智能運行方面，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)采暖期內(nèi)室內(nèi)外環(huán)境溫度變化，通過調(diào)節(jié)蓄熱體的溫度、高溫風機風量、供回水溫度和管網(wǎng)水流量來實現(xiàn)供暖的實時控制，真正達到節(jié)能降耗的目的。

控制系統(tǒng)具備完善的數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障報警功能，系統(tǒng)現(xiàn)場安裝了就地電流表、電壓表、管道壓力表和供回水溫度表，方便巡檢人員查看和記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)。除了就地儀表外，系統(tǒng)還安裝了蓄熱體溫度傳感器、室內(nèi)外環(huán)境溫度傳感器、供回水溫度傳感器、管道壓力傳感器和過流過壓速斷保護等監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)⑾到y(tǒng)運行數(shù)據(jù)實時傳送至控制器上，一方面能夠形成運行數(shù)據(jù)報表和運行曲線供運維人員查看使用，另一方面能夠及時檢測出異常數(shù)據(jù)，發(fā)出故障報警，并及時切斷加熱電源，保證系統(tǒng)的安全性。

固體電蓄熱裝置的控制系統(tǒng)已經(jīng)接入互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管運行系統(tǒng)，通過登錄云端數(shù)據(jù)平臺，項目運維人員可以查看實時能耗數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)實際使用情況對固體電蓄熱裝置進行遠程調(diào)溫、設(shè)置模式、設(shè)置調(diào)溫區(qū)間和遠程鎖定等操作，而且通過手機端的使用，運維人員無需24小時值守，在任何地方、任何時間只要可以上網(wǎng)，就可通過手機端對項目地設(shè)備進行監(jiān)測和控制，真正實現(xiàn)技術(shù)節(jié)能和行為節(jié)能的統(tǒng)一。

4" 投資效益分析

蒙西地區(qū)某公司辦公場所進行熱源升級改造，總投資費用包括：固體電蓄熱裝置費用（蓄熱體、保溫、電熱絲、鋼結(jié)構(gòu)、高溫風機和換熱器等）、電氣設(shè)備及輔材費用（高壓開關(guān)柜、PLC控制柜、電纜線和橋架等）、暖通設(shè)備及輔材費用（軟化水處理器、水箱、水泵、板式換熱器、管材、閥門和儀表等）、安裝費和管理費，具體費用見表1。

采暖期運行總電能費用按式（3）計算

F=P×T₂×T×γ×s₁， （3）

式中：F表示總電能費用，元；P表示電蓄熱裝置的功率，kW；T₂表示蓄熱時間，全天谷電時長，14 h；T表示采暖期天數(shù)，按180 d計算；γ表示采暖期平均負荷調(diào)節(jié)系數(shù)，取0.5；s₁表示每kW·h電費，電價格按0.165元/kW·h計算。

經(jīng)計算整個采暖期運行總電能費用為665 280元，計入其他費用，年均運行成本約75萬元。

由上述內(nèi)容可知總投資費用為220萬元，年均運行成本約75萬元，本項目實際收取供暖費標準為33元/m2，供熱面積按38 000 m2計算，則年均供暖費用收入約125萬元，由此得知，4年半后可收回成本[10]，而固體電蓄熱裝置的使用壽命約為20年，考慮到易損件的更換維修費用，整個投資收益還是相對可觀的。

5" 結(jié)束語

通過對蒙西地區(qū)和固體電蓄熱裝置供暖系統(tǒng)的整體分析，固體電蓄熱裝置的應(yīng)用可以有效降低蒙西地區(qū)電力負荷峰谷差，實現(xiàn)節(jié)能減排、削峰填谷，促進蒙西地區(qū)電力行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，而且固體電蓄熱裝置清潔環(huán)保、無污染，是改善居住環(huán)境，提高生活質(zhì)量、建設(shè)生態(tài)宜居城市和美麗鄉(xiāng)村的興業(yè)惠民工程。

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