王長君，劉碩，丁薛峰

（江蘇啟能新能源材料有限公司，上海201100）

0 引言

經濟的發(fā)展需要依靠能源技術的進步。非可再生能源的不斷消耗和全球環(huán)境的不斷惡化，促使可再生能源技術的應用逐步成為趨勢。在供暖行業(yè)，一直以來主要依靠燃煤為主要能源，其不可再生性和帶來的環(huán)境問題促使我們轉變采供暖所用的能源。2016 年年底，我國北方城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206 億m2，使用的能源以燃煤為主，占總取暖面積的83%。為降低污染，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，我國積極推進發(fā)展清潔供暖技術［1-3］。

目前主要的清潔供暖方式有：燃氣供暖、直接電供暖、地源熱泵、空氣源熱泵等。其中，燃氣供暖對城市基礎設施依賴度大，受到燃氣管網(wǎng)和氣源供給的制約，且成本高；直接電供暖有很多種類，如發(fā)熱電纜、碳晶供暖、電暖器等，其運行成本很高；地源熱泵運行成本低，但其初始投資成本高，建設工程量大，且無法對既有建筑進行改造，因此應用較少；地源熱泵可能帶來地表水溫變化，地面沉降等問題［4］；空氣源熱泵受機組功率和使用效果的影響，在寒冷的地區(qū)供暖效率較低［5］。電儲存供暖主要利用谷電供暖，具有價格優(yōu)勢，且對基礎設施依賴度低，是最具經濟性的供暖方式之一，具有占地面積小、運行成本低、自動化程度高、安全可靠等顯著特點［6-7］。

本文通過對相變儲能供暖項目的實際案例分析，為清潔能源利用，特別是為北方清潔供暖應用提出具有參考價值的解決方案。

1 相變儲能供暖的應用

1.1 相變儲能材料

相變儲能材料（Phase Change Materials，PCMs）是一類利用在某一特定溫度下發(fā)生物理相態(tài)變化以實現(xiàn)能量的存儲和釋放的儲能材料，其儲能特性是在相變過程中吸收熱能，并可以在恒定均勻的溫度下提取。給定質量的相變材料吸收熱量的多少由其相變潛熱決定［2］。相變材料的巨大潛熱值使其在儲熱行業(yè)具有廣泛的應用前景［8］。

相變儲熱材料主要分為2 類：有機相變材料和無機相變材料。常用的有機相變材料主要分為2類：石蠟類和脂酸類。其優(yōu)點是成形性好，不易發(fā)生相分離及過冷，腐蝕性小，但其缺陷明顯：導熱系數(shù)低、成本高，基本不適合清潔供暖應用。無機相變儲能材料分為高溫材料和低中溫材料，高溫材料大部分為熔融鹽，中低溫材料主要為水合鹽。相比有機相變材料，無機相變材料具有導熱系數(shù)高、儲能密度高、成本低等特點。其中70～90 ℃溫度區(qū)間的水合鹽材料適合清潔供暖應用。但無機相變材料大多存在易分層、易過冷、循環(huán)壽命低等缺陷。

近幾年在清潔供暖領域，相變儲能技術逐漸獲得應用。目前主要采用無機相變材料作為儲能載體，但無機相變材料的循環(huán)壽命及儲能產品的壽命一直是相變材料大規(guī)模應用的主要制約因素。

1.2 相變儲能設備

要將相變材料應用到清潔供暖領域，就需要設計并制造相應的設備。

熱庫是相變儲熱設備中的一種，如圖1 所示熱庫，尺寸為942 mm×942 mm×1 835 mm（長×寬×高），質量2.2 t，儲熱量為650 MJ。其內部不銹鋼內膽中添加無機相變納米復合材料，同時材料中均勻排布銅材質或304 不銹鋼材質的換熱器，外部加裝保溫層［6-7］。為測試無機相變納米復合材料的使用壽命，專門制備了1臺熱庫樣機，尺寸為500 mm×500 mm×1 500 mm（長×寬×高）、儲熱量為80 MJ，并進行了近5 000 次充放熱循環(huán)，如圖2 所示，熱量基本無衰減。熱庫的主要應用范圍是大型清潔供暖項目，用于儲存熱能進行跨時段供暖，也可回收工業(yè)余熱等能源進行跨區(qū)域供暖。

相變儲能箱是另一種采用相變材料的儲能設備，其結構與熱庫類似，但主要與太陽能、空氣源熱泵等熱源結合使用，輔助提升系統(tǒng)供暖效率。

圖2 80 MJ熱庫樣機循環(huán)壽命測試Fig.2 Cycle life test for the prototype of 80 MJ Heatrix

相變儲能板，是相變材料與建筑結合應用的一種儲能形式。將相變材料與建筑材料結合制備成相變儲能板材，利用相變材料板的儲能效果吸收太陽能或者其他熱能，保持建筑溫度，提升建筑保溫效果，降低建筑供暖能耗。

2 相變儲能在清潔供暖中的應用

2.1 項目概述

相變儲能熱庫產品具有高效率、低熱損、高儲能密度、模塊化設計、安全無壓運行等顯著特點。在城市樓宇供暖方面，其不易燃、安全無壓運行的特性，保證其可以安裝在樓宇地下空間，無安全隱患，無需審批；可自由調節(jié)、模塊化設計、高儲能密度意味著相變儲能熱庫設備的空間利用率高。

天津大悅城寫字樓采用熱庫+電鍋爐的相變儲能系統(tǒng)作為供暖熱源，實現(xiàn)按需供暖。項目安裝105 臺熱庫，總儲熱量68.25 GJ，體積約190 m3，以高度2 m 計算，占地面積約95 m2；相同儲熱量的水箱體積約為816 m3，以設備高度2 m 計算，占地面積408 m2，是相變儲能設備占地面積的4.3 倍。相變儲能技術可以極大地降低使用成本，節(jié)約空間。

2.2 熱庫儲能供暖系統(tǒng)

相變儲能供暖系統(tǒng)的工作原理是：在谷電時段電鍋爐開始加熱，通過充熱循環(huán)系統(tǒng)給相變儲能熱庫充熱；供暖時段，電鍋爐停止加熱，通過放熱循環(huán)釋放熱庫儲存的熱量為末端供暖。在極端天氣時的平電時段，電鍋爐開啟補充部分熱量供暖；若夜間末端需要供暖，由電鍋爐直接供暖。相變儲能供暖系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 相變儲能供暖系統(tǒng)原理Fig.3 Phase change heat storage heating system

2.3 項目運行費用分析

天津大悅城寫字樓相變儲能供暖系統(tǒng)項目總投資約750 萬元，投資回收期約3.4 年。截至2020年5 月，項目運行5 個供暖季，供暖效果完全達到預期，系統(tǒng)運行基本平穩(wěn)，運行費用平均降低70%，詳細系統(tǒng)運行費用見表1。

如圖4—5 所示，統(tǒng)計5 個供暖季的運行數(shù)據(jù)，平均谷電運行費用84 萬元，平均費用占比約81%；平均平電費用12 萬元，平均費用占比約12%；平均峰電費用7 萬元，平均費用占比約7%。如圖6—7所示，每個采暖季平均運行費用為15 元/m2，日均供暖費用為0.13 元/m2。

2.4 項目節(jié)能調峰效果分析

圖4 不同年度谷電、平電、峰電運行費用Fig.4 Operation cost with valley，flat and peak loads in different years

圖5 不同年度谷電、平電、峰電運行費用占比Fig.5 Proportion of valley，flat and peak load operation costs in different years

由表2可知，在2018年1月和2020年1月，天津大悅城寫字樓供暖項目如果采用點直供，每天平均消耗峰電功率分別為1 733.3 kW 和1 381.2 kW。采用相變儲能技術供暖，峰電功率分別降至91.0 kW 和72.0 kW。因此，采用相變儲能技術供暖，每天可分別轉移峰電功率1 642.3 kW 和1 309.2 kW。若有n個類似供暖項目，采用相變儲能的方式供暖，在峰電期間最少可以轉移電功率n×1 309.2 kW，有效減少了冬季供暖峰電負荷，緩解電網(wǎng)壓力［9］。

表1 相變儲能供暖系統(tǒng)項目運行費用Tab.1 Operation cost of phase change energy heating system project

圖6 單位運行費用Fig.6 Operation cost per heating area per heating season

圖7 不同年度日均供暖費用Fig.7 Daily heating cost in different years

表2 2018年1月和2020年1月項目調峰數(shù)據(jù)Tab.2 Peak shaving data of the project in January 2018 and January 2020 kW

2.5 極端天氣對相變儲能系統(tǒng)的影響

選取2018 年和2020 年1 月23 日進行數(shù)據(jù)分析，如圖8 所示。2018 年1 月23 日天津市溫度最高氣溫-6 ℃，最低氣溫-12 ℃；2020 年1 月23 日天津市溫度最高氣溫9 ℃，最低氣溫-2 ℃，溫度差異明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)，熱庫溫度基本都在75 ℃，不同在于14：00時，2020年熱庫溫度開始降低，2018年熱庫溫度持續(xù)在75 ℃（平電補充，維持熱量供應）。分析08：00—16：00 用戶端溫度，2018年板式換熱器二次側進出水平均溫度分別40 ℃和48 ℃，2020 年板式換熱器二次側進出水平均溫度分別45 ℃和50 ℃。供暖溫度受極端天氣影響，但在供暖時間內，2018年1 月23 日板式換熱器二次側進水溫度持續(xù)升高，說明供暖系統(tǒng)完全滿足樓宇供暖需求，樓內溫度保持平衡。說明相變儲能供暖系統(tǒng)在極端天氣下也能滿足用戶采暖需求。

圖8 2018年和2020年1月23日熱庫及二次側板式換熱器進出水運行溫度曲線Fig.8 Inlet and outlet water temperature on Heatrix and secondary side on January 23rd，2018 and 2020

如圖9—10 所示，在2018 年1 月和2020 年1 月供暖期間，平均每天總耗電量分別為20 799 kW·h和16 574 kW·h，平均峰平電耗電量分別占總耗電量的11%和3%，谷電耗電量分別占總耗電量的89%和97%左右，說明即使受天氣影響，相變儲熱技術在清潔供暖方面，完全達到了移峰填谷、消納谷電能源、節(jié)約峰電能源、緩解峰電負荷的作用。

圖9 2018和2020年1月供暖每天耗電量與谷電耗電占比Fig.9 Daily electricity consumptions and valley electricity consumptions ratios in January 2018 and 2020

對比2018 年和2020 年1 月的供暖耗電占比數(shù)據(jù)和溫度變化數(shù)據(jù)，如圖10 所示。整體來看，2018年1 月天津的最高溫度范圍為-5～5 ℃，與2020 年1月的最高溫度范圍基本相同。受天氣影響，2018 年1 月每天谷電耗電量占總耗電量的比例波動較大，且在2018 年1 月22—28 日，天津天氣最高溫度從4 ℃驟降至-5 ℃，此時為極端天氣，谷電耗電占比連續(xù)處于80%左右，峰電和平電占比連續(xù)處于20%左右。說明在極端天氣情況下，利用部分峰電、平電補充可以完全滿足用戶采暖需求，且峰電、平電耗電比率僅占總耗電比例的20%。相變儲能系統(tǒng)在清潔供暖方面完全起到了移峰填谷的作用。

圖10 2018和2020年1月供暖峰平電耗電占比與環(huán)境溫度的變化Fig.10 Flat and peak electricity consumption ratios varying with temperature in January 2018 and 2020

3 相變儲熱在清潔供暖中的其他應用

3.1 相變儲能與空氣源熱泵系統(tǒng)結合

相變儲熱技術在清潔供暖領域的應用形式多種多樣，并且可以與空氣源熱泵有效結合，提升熱泵的制熱性能系數(shù)（COP），即熱泵系統(tǒng)所能實現(xiàn)的制冷量或制熱量與輸入功率的比值。例如Youssef等人［10］設計了一套相變儲熱輔助熱交換系統(tǒng)，與空氣源熱泵系統(tǒng)結合，證明相變儲能系統(tǒng)能有效提升熱泵的COP。Qu 等人［11］研究了一種相變材料與太陽能熱泵聯(lián)動供暖系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)在北京進行了詳細測試，結果表明采用雙水箱相變潛熱儲熱器可提高太陽能熱泵集熱效率大約50%，有效提升系統(tǒng)COP。相變儲能技術的應用提升了太陽能熱泵系統(tǒng)的能源效率，使得熱泵在寒冷的北方地區(qū)也能有較高的供暖效率。

3.2 相變儲能在建筑保溫中的應用

相變儲能技術除了與熱泵等系統(tǒng)結合使用之外，也可以與建筑保溫材料結合，減少室內溫度波動，降低建筑能耗。Kong 等人［12］設計了一種新型的相變復合材料墻板，并利用毛細管與太陽能熱系統(tǒng)集合，如圖12 所示。測試結果表明，結合相變復合材料墻體的系統(tǒng)，日能耗降低44.16%，此系統(tǒng)在清潔供暖方面具有很大的應用潛力。

圖11 雙相變儲熱水箱與太陽能熱泵聯(lián)用系統(tǒng)Fig.11 Integrated system with dual phase change energy storagetanks and solar source heat pump

圖12 相變儲能保溫墻的設計Fig.12 Design of the PCM wall

Biswas等人［13］采用納米相變材料制備相變儲能保溫墻板應用在建筑中，全年能耗降低20%以上。Lu 等人［14］開發(fā)了一種新型的相變儲能地板和相變儲能墻板結合，如圖13 所示，平均節(jié)能率為54.27%。這些研究表明，相變儲能在冬季供暖中能起到很好的節(jié)能效應，為清潔供暖和能源優(yōu)化利用提供了新的思路。

圖13 相變儲能地板系統(tǒng)Fig.13 Phase change energy storage floor system

4 結論

相變儲熱技術是一種熱存儲技術，可以解決能源供求在時間與空間上不均衡的矛盾，提高能源利用效率。本文主要通過津大悅城寫字樓項目對相變儲能在清潔供暖領域中的應用特點進行了驗證。

（1）相變儲能與谷電結合，儲存谷電能源，移峰填谷。根據(jù)天津大悅城寫字樓5個供暖季的數(shù)據(jù)分析，相變儲能谷電供暖技術能夠有效節(jié)約樓宇空間，安全方便運行，節(jié)省運營費用70%左右，最低轉移峰電負荷1 309.2 kW，在極端天氣也能滿足用戶采暖需求。

（2）相變儲能技術與熱泵系統(tǒng)聯(lián)用，能有效提升熱泵COP，使熱泵技術在寒冷地區(qū)也能得到有效應用。

（3）相變儲能技術與建筑結合，如與墻壁、地板、天花板結合，這些應用能有效提升建筑保溫效果，降低建筑供暖負荷，降低冬季供暖能耗。

目前，相變儲能技術在清潔供暖領域的應用才剛剛起步，還有更多的應用方向需要探索，如相變儲能技術與發(fā)電結合、相變儲能與太陽能結合等；還有更多應用問題需要攻克，如提升相變儲能材料的導熱性、相變材料與容器兼容性、提升相變材料儲能密度等。相信未來相變儲能技術能夠在清潔供暖方面發(fā)揮更大的作用。