蓄熱式電供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。對(duì)蓄熱式電供暖、普通電供暖方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，前者的經(jīng)濟(jì)性較好。關(guān)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(diǎn)。對(duì)蓄熱式電供暖、普通電供暖方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，前者的經(jīng)濟(jì)性較好。
關(guān)鍵詞：蓄熱式電供暖；蓄熱式電暖器；經(jīng)濟(jì)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(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今日，能源問(wèn)題已成為制約人類(lèi)物質(zhì)和精神生活進(jìn)一步提高的瓶頸。因此，如何開(kāi)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(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，蓄熱材料逐漸成為國(guó)內(nèi)外能源利用和材料科學(xué)研究方面的熱點(diǎn)。蓄熱材料在其物性變化過(guò)程中，能夠從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量，從而達(dá)到儲(chǔ)存和釋放能量的目的，解決了能量供求在時(shí)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(guò)程中溫度近似恒定，可以用于調(diào)整控制周?chē)h(huán)境的溫度，并且可以多次重復(fù)使用[1]?；谶@些特性，使蓄熱材料在太陽(yáng)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(shù)主要是在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)時(shí)一些工業(yè)大國(guó)開(kāi)始重視太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能等新能源的研究開(kāi)發(fā)，而這些新能源是不連續(xù)的，這就迫使人們開(kāi)始重視蓄熱技術(shù)并迅速開(kāi)展研究工作。另一方面，隨著供暖、空調(diào)用能急劇增長(zhǎng)和空間技術(shù)的迅速發(fā)展，如何使用蓄熱技術(shù)進(jìn)行電力的移峰填谷以及給熱動(dòng)力裝置提供穩(wěn)定的熱能或電能，成了研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。蓄熱技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域始于1982年，由美國(guó)能源部太陽(yáng)能司發(fā)起，1988年起由美國(guó)能量?jī)?chǔ)存分配辦公室推動(dòng)此項(xiàng)研究。經(jīng)過(guò)逾20年的發(fā)展，蓄熱技術(shù)開(kāi)始轉(zhuǎn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，成熟產(chǎn)品和設(shè)備相繼出現(xiàn)，蓄熱調(diào)溫建筑材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程步入正軌。
    蓄熱技術(shù)是開(kāi)發(fā)新能源、提高能源利用率的重要途徑，為了實(shí)現(xiàn)電力移峰填谷、平衡用電負(fù)荷，研究人員開(kāi)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(duì)蓄熱介質(zhì)電加熱，使其吸收熱量從而溫度升高，并對(duì)蓄熱介質(zhì)加以保溫措施以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(shù)容易實(shí)現(xiàn)，國(guó)外開(kāi)展研究較早。目前英國(guó)、西班牙、愛(ài)爾蘭、德國(guó)、芬蘭、丹麥等國(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，中科院工程熱物理研究所對(duì)電鍋爐中蓄熱水箱的分層取水進(jìn)行了研究，解決了蓄熱水箱取水溫度不穩(wěn)定的問(wèn)題[6～8]。相變蓄熱式電供暖則是利用相變材料的相變過(guò)程來(lái)儲(chǔ)存或釋放熱量。
3 蓄熱式電供暖原理及性能特點(diǎn)
3.1 原理
    蓄熱式電暖器在每天夜間低谷電價(jià)時(shí)段通電加熱6～7h，將廉價(jià)的電能轉(zhuǎn)換成熱能，并儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)然，在儲(chǔ)存部分熱量的同時(shí)也向房間放熱，滿(mǎn)足供暖需求。在當(dāng)天其他17～18h用電高峰時(shí)段，將儲(chǔ)存的熱量斷電釋放，這樣它既能利用低谷電價(jià)政策，又可以24h持續(xù)放熱，實(shí)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(gòu)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(dá)到700℃以上，儲(chǔ)熱同時(shí)也可放熱，無(wú)有害氣體釋放，完全達(dá)到環(huán)保要求。夜間低谷電價(jià)時(shí)段電熱管通電加熱6～7h，斷電后蓄熱磚按一定的放熱曲線(xiàn)持續(xù)向房間放熱。供暖房間溫度波動(dòng)極小，基本處于均勻、恒定狀態(tài)。
3.2 性能特點(diǎn)
    ① 低谷用電，運(yùn)行費(fèi)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(shí)行峰谷電價(jià)政策，夜間低谷時(shí)段電費(fèi)約為其他時(shí)段的50%。蓄熱式電暖器利用低谷時(shí)段加熱并儲(chǔ)存熱量，全天穩(wěn)定釋放，同比運(yùn)行費(fèi)用降低約50%。
    ② 全天24h持續(xù)供暖，室溫均勻穩(wěn)定。通過(guò)長(zhǎng)壽命、高能效的加熱元件，在低谷時(shí)段加熱6～7h，將熱量?jī)?chǔ)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(guò)合理配置后的蓄熱供暖系統(tǒng)，能夠使室溫達(dá)到16～20℃。蓄熱式電暖器通過(guò)溫度感應(yīng)器對(duì)輸入熱量和輸出熱量進(jìn)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(xiàn)設(shè)計(jì)，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(mǎn)足不同用戶(hù)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(tái)蓄熱式電暖器可單獨(dú)控制，如果長(zhǎng)期外出，可以完全關(guān)閉。蓄熱式電暖器設(shè)有熱量輸入輸出調(diào)節(jié)旋鈕(小功率設(shè)備除外)。外出時(shí)可以把熱量輸出調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到最小，回家時(shí)調(diào)到最大；天氣暖和時(shí)可以把熱量輸入調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)小，以實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)性?？傊`活的調(diào)節(jié)性能最大限度地滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同需求。
    ④ 外形美觀(guān)，安裝方便。外形美觀(guān)大方，固定在墻體上或者采用萬(wàn)向輪移動(dòng)方式，安裝使用比熱水供暖系統(tǒng)簡(jiǎn)便，而且節(jié)省了供熱管道費(fèi)用和安裝費(fèi)用。
    ⑤ 運(yùn)行安全可靠，免維護(hù)。蓄熱磚具有一定的防凍特性(防凍溫度為-10℃)，不會(huì)因天氣寒冷凍裂散熱片。實(shí)際使用證明蓄熱式電暖器運(yùn)行安全可靠，全年免維護(hù)。
    ⑥ 行為節(jié)能，綠色供暖；無(wú)污染，無(wú)噪聲，安全環(huán)保。中國(guó)大部分地區(qū)高峰電力短缺已成為影響經(jīng)濟(jì)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(fèi)。通過(guò)移峰填谷，行為節(jié)能，提高電力運(yùn)行效率，節(jié)省能源是蓄熱式電暖器的主要特點(diǎn)之一。以輻射、對(duì)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(wú)污染物排放。
    ⑦ 使用壽命長(zhǎng)。使用壽命長(zhǎng)達(dá)20a，無(wú)腐蝕，而且各項(xiàng)安全指標(biāo)均通過(guò)檢測(cè)，使用安全。
4 經(jīng)濟(jì)性分析
    電供暖在我國(guó)得到長(zhǎng)足發(fā)展，各地已經(jīng)制定了分時(shí)電價(jià)以鼓勵(lì)電供暖，但電供暖的經(jīng)濟(jì)性也引起了廣泛爭(zhēng)議。下面對(duì)蓄熱式電供暖與普通電供暖在蘭州地區(qū)的設(shè)備造價(jià)和熱費(fèi)進(jìn)行比較分析。
   ① 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
   供暖設(shè)計(jì)熱指標(biāo)為50W/m2，供暖時(shí)間為136d。蘭州市分時(shí)電價(jià)：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(shè)備選型時(shí)，普通電暖器屬于間歇供暖，設(shè)備實(shí)際功率應(yīng)比設(shè)計(jì)熱負(fù)荷增加20%，因此普通電暖器的設(shè)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(shè)備實(shí)際功率按設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的3.2倍考慮，因此蓄熱式電暖器的設(shè)備配比系數(shù)取3.2。有效使用系數(shù)取0.7。
② 經(jīng)濟(jì)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(shè)備造價(jià)、熱費(fèi)(運(yùn)行費(fèi)+折舊費(fèi))比較見(jiàn)表1，兩種電供暖方式的設(shè)備造價(jià)均未考慮電力部分(高壓配電網(wǎng)、低壓配電網(wǎng)、戶(hù)內(nèi)線(xiàn)和電表)費(fèi)用。在計(jì)算電供暖熱費(fèi)時(shí)，應(yīng)該考慮電暖器有效使用系數(shù)，而不是直接采用設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。由表1可知，雖然普通電暖器的設(shè)備造價(jià)比蓄熱式電暖器低，但前者運(yùn)行費(fèi)用偏高。
表1 普通電暖器與蓄熱式電暖器的經(jīng)濟(jì)性比較   元/m2
項(xiàng)目
普通電暖器
蓄熱式電暖器
設(shè)備造價(jià)
40
150
運(yùn)行費(fèi)
電費(fèi)
56.2
22.4
維修費(fèi)
1.0
2.0
折舊費(fèi)
2.0
7.5
熱費(fèi)
59.2
31.9
5 結(jié)論
雖然普通電供暖的設(shè)備造價(jià)較低，但其運(yùn)行費(fèi)用較高，而且不具備蓄熱功能，大量應(yīng)用勢(shì)必進(jìn)一步加大電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，因此不宜提倡應(yīng)用。GB 50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的4.7.1條也明確規(guī)定：能利用低谷電蓄熱的場(chǎng)所，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時(shí)，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(duì)電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)移峰填谷、節(jié)省用戶(hù)供暖費(fèi)用，而且屬于分布式電供暖，可以節(jié)省敷設(shè)集中供熱管道或天然氣管道的費(fèi)用，末端用戶(hù)調(diào)節(jié)也比較方便。
就目前國(guó)內(nèi)各城市實(shí)行的分時(shí)電價(jià)政策而言，蓄熱式電暖器的運(yùn)行費(fèi)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(shè)備，具有廣闊的市場(chǎng)及應(yīng)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(xué) 甘肅蘭州 730070；3.金昌市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院 甘肅金昌 737100)