电制热固体储热装置关键参数设计研究和经济性评估

邢作霞，赵海川，马士平，代俊雯，刘毓颖，孙振庭

(1沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2沈阳工业大学材料学院，辽宁 沈阳 110870；3大连电力勘察设计院有限公司，辽宁 大连 116011；4国网辽宁省电力有限公司大连供电公司，辽宁 大连 116011)

当前国内热能消耗主要由燃煤锅炉提供，在大量消耗一次能源的同时产生大量污染物，造成环境严重污染。采用风电、光伏发电等清洁能源供热替代传统燃煤供热不仅能解决环境污染问题，同时也是实现电网“削峰填谷”的重要手段[1]。电制热固体储热技术为最近几年发展的一项新技术，其工作原理为：电网用电低谷时期，启动电热储能转换系统，将电能转换为热能存储于蓄热材料中，热能在热负荷需求时才被释放[2]。与其他蓄热技术相比，电制热固体储热装置具有热转换效率高、储能密度大、运行成本较低、占地面积小等优点，因此具有广阔的应用前景。

电制热固体储热装置依据应用场景的差异分为分布式和集中式电制热固体储热装置。其中分布式电制热固体储热装置整体供热系统采取分散布局方式直接接入用户终端，节省管网损耗，通过上层互联网进行集中监控，通常应用于厂房、别墅、宾馆、学校等场所的集中供暖与热水供应。而集中式电制热固体储热装置可与风电联合进行清洁能源供热，解决了风电、光伏等消纳问题，也可与大型热电联产机组联合调度，实现电网的“削峰填谷”[3-4]。根据实际应用场景选择加热功率及蓄热量适合的电制热固体储热装置，并对其经济性进行分析是提高设备效益的重要手段。

本文在介绍电制热固体储热装置的结构特点和工作原理的基础上，对蓄热设备的加热功率及蓄热量的计算方法进行分析，研究了供暖时间段内储热装置供暖费用，并对比不同供暖方式的投资、运行费用对蓄热装置的经济性分析，最后通过实际案例分析验证本文所提储热供暖机组选型方法的正确性和经济性方面的优越性，为实际电制热固体储热装置选型提供参考。

图1 电制热固体储热装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of heating and solid sensible heat thermal storage device

1 电制热固体储热装置工作原理

电制热固体储热装置通常由蓄热体、加热丝、换热器、变频风机、炉体外壳、保温层等主体结构和热水循环系统、定压补水系统、控制系统、热流量计量装置等系统附属设备组成，其结构如图1 所示[5]。

电制热固体储热装置的电热能量转换主要包括热量产生、热量储存、热量输送、热量释放、热量控制等过程。当自动检测装置检测电网处于负荷低谷或到达供暖机组预设的电网低谷时间段，启动储热装置电热转换系统，把电能转换成热能存储于由非金属类氧化镁材料特制而成的蓄热单元中，蓄热单元温度达到设定上限或电网谷电时段结束，电热转换系统自动关闭。当外部有热量需求时，启动变频风机进行蓄热体内部空气负压循环，通过外部换热设备用气-气、气-液等换热方式将蓄热体内部热量以热水、热油、热风等形式对外输出，电加热和热量输出间相互独立，实现电热解耦及水电独立控制[6]。

2 电制热固体储热装置关键参数计算

电制热固体储热装置的关键参数主要是加热功率和蓄热量，根据所计算的蓄热量及加热功率即可确定储热装置的型号，是设备厂商为客户配置设备的关键参数。对电制热固体储热装置的加热功率和蓄热量进行计算时需要考虑室内温度、建筑物耗热量、建筑物热耗量指标及热负荷等参数。

不同地区、场所的室内计算温度有所差异，对于寒冷地区和严寒地区房间温度通常为18 ～24℃；辅助建筑物及辅助用室不应低于下列表 1 所示[7]。

对电制热固体储热装置的加热功率进行计算，需要得到装置的热负荷，而热负荷的计算需要首先已知采暖季建筑物的热指标，即单位建筑面积的供暖设计热负荷。

表1 各建筑物室内温度参考值Table 1 Indoor temperature reference values of buildings

采暖季建筑物的热指标与室外温度、建筑维护结构、保温材料的传热系数、窗体的传热系数、建筑物体形系数、风量大小、热损失等相关，因此各地建筑物热指标随地域有所差异。采暖季建筑物热指标可计算如式(1)所示[8]

式中，qf为采暖季建筑物热指标，W/m²；Te为采暖季室外平均温度，℃；Tw为采暖季室外计算温度，℃；Tn为采暖季室内计算温度，℃；Qh为采暖季建筑物耗热量，kW∙h/m²；Z为采暖天数。

电制热固体储热装置的热负荷主要由采暖季建筑物的热指标以及建筑物所需的供热面积来决定，可由式(2)进行计算

式中，q0为采暖建筑的热负荷，kW；qf为采暖季建筑物热指标，W/m²；F为建筑物的建筑面积，m²。

当采暖建筑的热负荷确定后，可对电制热固体储热装置的加热功率与蓄热量计算。在实际应用中，电制热固体储热装置通常采用电网全谷电蓄热或全谷电加部分平电进行蓄热，其加热功率以及蓄热量可由式(3)和式(4)表示

式中，qB为电制热固体储热装置加热功率，kW；Qx为装置蓄热容量，kW∙h；η1为装置效率，一般取0.95；λ1为谷电加热电量占总加热电量的比例，定义为谷电利用系数；t1为谷电时长，h。

3 电制热固体储热装置经济性分析

3.1 电制热固体储热装置费用计算

电制热固体储热装置通过电热转换系统将蓄热单元加热到设定温度的同时还需要对外输出热量，依据电网对谷电、平电以及峰电收费标准的差异，设定合理的储热供暖机组电热转换系统的启动时间、时长以及加热功率是提高供暖机组运行经济性的关键因素。因此，需要对电制热固体储热装置的运行费用进行计算。

（1）供暖期间装置设计加热电量计算

式中，Q1为整个供暖期电制热固体储热装置加热用电量，kW∙h。

（2）整个供暖季装置谷电时段所用电量计算

式中，Q2为整个供暖季装置谷电时段用电量，kW∙h；η2为风机水泵负荷系数，可表示为

其中，P1表示循环泵功率，kW；P2为风机功率，kW；N为设备数量。

（3）供暖平电时段电量计算

式中，Q3为供暖季平电时段用电量，kW∙h；t2为平电时长，h。

（4）供暖峰电时段电量计算

式中，Q4为供暖季峰电时段用电量，kW∙h；t3为峰电时长，h。

（5）供暖季储热供暖机组实际总用电量计算

式中，Qz为整个供暖季蓄热装置的实际总用电量，kW∙h。

（6）供暖期间蓄热机组总运行费用Cz计算见式(11)

式中，c1为谷电电价，元 /(kW∙h)；c2为平电电价，元/(kW∙h)；c3为峰电电价，元/(kW∙h)。

表2 各供暖方式经济性分析对比Table 2 Comparison and analysis of the economics of each heating method

3.2 不同供暖方式经济性分析

目前，冬季建筑物的供暖方式主要包括燃煤锅炉、燃气锅炉、电制热固体储热供暖机组、发热电缆、电直热锅炉和地源热泵等[9]。以建筑供暖面积为1 万平方米，供暖时长为120 天，建筑热耗量为42W/m2，日供热小时数10 小时，负荷系数0.64的建筑供暖为例[10]，依据各能源的不同热值及能源单价对不同供暖方式的设备总投资和年运行费用进行计算，计算结果如表2 所示。同时以燃煤锅炉的运行费用和设备总投资费用为基准计算不同供暖方式的设备总投资相对比例和运行费用相对比例，可表示为

式中，ε为设备总投资相对比例或运行费用相对比例；Cm为燃煤锅炉的设备总投资或运行费用；Cq为其它供暖设备的设备总投资或运行费用。

图2 各类供暖设备初始投资占比和年运行费用占比Fig.2 Proportion of initial investment and annual operating costs of various types of heating equipment

不同供暖方式的设备总投资相对比例和年运行费用相对比例如图2 所示。由图2 可以看出，在设备总投资方面电直热锅炉的设备总投资较少，为燃煤锅炉投资费用的1.25 倍，燃气锅炉为燃煤锅炉投资费用的1.5 倍，电制热固体储热机组为燃煤锅炉的2 倍左右，而地源热泵和发热电缆则达到燃煤锅炉投资的2.5 倍左右。而在年运行费用方面，电制热固体储热机组、发热电缆及地源热泵的年运行费用较低，仅为燃煤锅炉运行费用的1.1 倍左右，而电直热锅炉及燃气锅炉的运行费用则高达燃煤锅炉运行费用的1.5 倍左右。因此，综合设备初始投资费用、年运行费用等方面，相较于其他清洁能源供暖方式，采用电制热固体储热供暖机组进行采暖具有较高性价比。

3.3 谷电利用系数对储热装置经济性影响分析

3.3.1 谷电利用系数对储热装置投运费用影响分析

当采用电制热固体储热装置进行供暖时，与电网进行互联，共分为全部采用电网谷电时段进行蓄热和采用电网谷电时段加上部分电网平电时段进行蓄热两种情况。

将式(6)～式(10)带入式(11)中，整理可得整个供暖周期内储热装置的运行费用为

电制热固体储热装置的设备一次投资费用Cs为

式中，c4为单位功率的蓄热装置造价，元/kW；c5为单位蓄热量的蓄热装置造价，元/(kW∙h)。

因此固体储热装置在首年的初始投资Call则为设备的一次投资费用和单季运行费用之和，可表示为

由式(3)和式(13)可知，当采用电网全谷电时段进行蓄热的工况下，系统的总装机容量会略大，导致电制热固体储热装置的初始投资成本较高，但装置的年运行费用会降低；而采用电网全谷电时段和部分平电时段进行蓄热的工况，可以减小机组的加热功率以及蓄热量，从而降低系统的设备投资费用，但由于采用平电时段进行供暖，会导致装置的运行费用增加。

当采用电网全谷电时段和部分平电时段进行蓄热的工况时，由式(3)可知，储热装置所需配置功率与谷电利用系数有关，因此将不同谷电利用系数下蓄热装置的功率与全谷电下储热装置的功率之比定义为设备利用系数ζ，可表示为

式中，qmax为储热装置最大加热功率，kW。

由上述分析可知，对电制热固体储热装置的谷电利用系数进行研究是提高机组经济性的关键。

3.3.2 案例分析

为对不同谷电利用系数下蓄热装置的首年初始投资进行分析，以辽宁某地区供暖面积为1500 m2、供暖时长为115 天、参考热指标为42 W/m2，建筑所需配置储热装置的首年初始投资和设备利用系数进行计算。辽宁省谷电电价0.4 元/(kW∙h)[14]，不同谷电利用系数下，储热装置的首年初始投资及设备利用系数如图3 所示。

图3 不同谷电利用系数下加热功率及供暖总费用变化曲线Fig.3 Variation curve of heating power and total heating cost under different valley electricity utilization factors

随谷电利用系数的减小，设备利用系数一直降低，当谷电利用系数为0.85 左右时，设备利用系数的减少速率明显降低，此时电制热固体储热装置的首年初始投资总费用最低，此时装置设备功率为最大设备功率的64%，即设备利用系数为0.64。由上述案例分析可知，谷电利用系数对电制热固体储热供暖机组的投资运行费用影响较大。在辽宁地区，当谷电利用系数为0.85 时，电制热固体储热装置的经济性较好。但由于受地域性供暖峰谷电价差异影响，电制热固体储热装置最佳经济性运行时，各地区谷电利用系数存在差异。

表3 电制热固体储热装置运行参数Table 3 Maximum deformation and maximum temperature of heating and solid sensible heat thermal storage device

表4 某一电制热固体储热装置财务评价主要指标Table 4 Main indicators of financial evaluation of heating and solid sensible heat thermal storage device

4 案例分析

为验证本文所提电制热固体储热装置经济性评估方法的合理性与正确性，本文以河北丰宁地区某小学“煤改电”电制热固体储热装置进行供热为例进行案例分析。此地区电制热固体储热装置初始投资140 万元，谷电蓄热时间高达10 小时，配置变压器容量1250 kW，蓄热装置加热功率1200 kW，电制热固体储热装置的运行参数如表3 所示。

按照表3的电制热固体储热装置的运行参数对其进行投资测算。河北丰宁地区入网费用为80元/m2、谷电价格为0.34元/kW∙h[15]，供暖收入为39.6万元/年、以20年计算期内的财务评价主要指标如表4所示。

从表4 电制热固体储热装置财务评价结果中可以看出，在20 年计算期内该采购单位的净现金流入为135.64 万元，内部收益率IRR 为16.07%，静态投资回收期约10.32 年。由此可知，供暖单位采用电制热固体储热装置，在蓄热供暖机组的全寿命周期内具有较高收益，并可在10 年左右收回其投资运行成本。

5 结 论

本文对电制热固体储热装置的关键参数设计计算方法进行分析，并对其进行经济性评估，得出如下结论。

（1）本文提出了电制热固体储热装置的投资费用和运行费用计算方法。对不同供暖设备从设备初始投资成本及运行成本综合分析，结果表明：与其他清洁供暖方式相比，电制热固体储热供暖机组具有较高经济性与性价比。

（2）研究了谷电利用系数对电制热固体储热装置投资运行经济性的影响，分析得出：由于地域峰谷电价的差异性，当电制热固体储热装置具有最佳经济性时，不同地域谷电利用系数不同。在辽宁地区，当谷电利用系数为0.85 时，蓄热装置具有较高性价比。