爱能森：储热在“煤改电”供暖领域的应用

　　北方冬季供暖是我国的民生工程。"秦岭-淮河"是我国地理上划分南北的重要分界线，以秦淮一线为界，我国实行集中供暖的区域主要包括华北、东北、西北等地区。为了保护环境，改善空气质量，2016年国家发展改革委等八部委联合下发《关于推进电能替代的指导意见》，其中提出：在存在采暖刚性需求的北方地区和有采暖需求的长江沿线地区，重点对燃气（热力）管网覆盖范围以外的学校、商场、办公楼等热负荷不连续的公共建筑，大力推广碳晶、石墨烯发热器件、发热电缆、电热膜等分散电采暖替代燃煤采暖。在燃气（热力）管网无法达到的老旧城区、城乡结合部或生态要求较高区域的居民住宅，推广蓄热式电锅炉、热泵、分散电采暖。在农村地区，以京津冀及周边地区为重点，逐步推进散煤清洁化替代工作，大力推广以电代煤。在新能源富集地区，利用低谷富余电力，实施蓄能供暖。

　　近期，深圳市爱能森科技有限公司首席科学家曾智勇及董华佳、周厚国在《绿色科技》杂志发表了《储能在“煤改电”中的应用》一文，对“煤改电”概况，储热技术，带储能的清洁供暖系统运行状况及其应用前景等进行了阐述。转载如下，以供参考。

　　电供暖是指直接利用电力向用户供暖，是一种安全、清洁、舒适的取暖方式。电供暖具有多种实现形式，例如电锅炉、发热电缆、电热膜以及各种电驱动热泵等。2016年以来，我国北方地区大力推进“煤改电”清洁供暖，在取得了一定的成绩的同时，也存在着一些问题。

　　（1）设备安装条件限制

　　“煤改电”工程主要针对是城市集中热力管网辐射不到的城郊或者农村地区。以上地区公共基础设施相对落后，由于工程实际需要，“煤改电”的相关设备，例如空气源热泵、变压器很多情况下需要安装在胡同内、马路边、街巷等地，施工难度大，难以做到整体规划[4]。

　　（2）电力负荷不匹配

　　“煤改电”会造成在局部区域电力需求量出现剧增，原有配电网设计与新增电力需求负荷不匹配。电力增容工程需要繁杂的办理手续，而且电力基础设施投资使得整体工程造价成本大幅提高。

　　（3）取暖成本

　　在当前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉价的。在“煤改电”试点前期，在一些政策补贴的推动下，不少用户采购了直热电锅炉、蓄热电锅炉进行冬季取暖，后来因为承担不起昂贵的电费成本不得不选择了放弃，散煤取暖卷土重来。

　　空气源热泵具备节能环保、操作简单、维护方便等显著优点，是实现北方“煤改电”的主要途径之一。然而，空气源热泵在运行过程会产生较大的噪音，对住宅小区产生噪音污染。此外，空气源热泵的能效受环境温度影响明显，运行不稳定，在极端天气甚至出现停机的情况，供暖效果得不到保障。

　　储能技术在我国发展已经比较成熟了，大致可以分为4类：抽水储能，储热，电化学储能，机械储能。由于供暖主要涉及热能应用，本文主要讨论储热技术。储热的具体原理是利用其他形式能量转换为热能，并通过特定的蓄热介质将热能在保温良好的条件下储存起来，当需要利用时再通过换热把所储存的热量提取出来加以利用。储热，根据蓄热介质的状态可以分为显热储能和相变储能。

　　相变材料储热具有较大的储能密度，因而发展潜力更大。由于材料成本和配套设备的限制，目前储热市场仍然以显热储能为主。随着新型储热材料的研发应用和配套设备制造工艺的提升，储热技术应用的成本逐年下降，越来越多商业化工程应用得到推广。

　　根据能源品位划分，储热可以归纳为3个梯度：①高品位能源（≥1000℃）；②中品位能源（160-550℃）；③低品位能源（0-160℃）。供暖热源的温度范围一般在50℃-120℃，从能量品位层次划分来看，属于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很广泛。例如，空气能、地热能、污水能、电厂余热、谷电弃电等。带储能的供暖系统可以耦合这些能源，将不稳定的、不连续的能源输入转变为稳定的、连续的高质量能源输出。

　　山东省是《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》中清洁供暖改造的重点省份，“2+26”城市中山东省占了7个。 在“宜气则气，宜电则电”、“新旧动能转换”等政策推动下，山东省在城郊以及乡镇街道开展了一系列“煤改电”工程。以山东潍坊市某“煤改电”工程为例，简单阐述一下储热在“煤改电”供暖领域的应用。

　　原来的工程项目采用空气源热泵对小区燃煤锅炉进行“煤改电”清洁供暖改造。小区供暖面积7.2万平方米，采用25台额定制热量140KW空气源热泵低温机组进行供暖。系统主要设备配置及工艺流程简图如下。

表1  空气源热泵供暖系统主要设备配置表

图1  空气源热泵供暖系统工艺流程简图

　　潍坊市属于北温带季风区，四季的气温分布分明，1月份为全年的最冷月，日均最低温达到-8℃。工程投入使用第一年的供暖季，空气源热泵在极端严寒天气出现部分机组结霜严重，能效降低，甚至停机保护的情况，用户室内温度达不到供暖指标要求。

　　第二年，为了保障供暖效果，对空气源热泵采暖系统进行了升级改造，增加了储能系统。储能系统由热池模块和换热模块组成。热池模块包含了热池罐、缓冲罐、电加热器以及特种储热材料“骆驼二号”。“骆驼二号”的设计储热温度在60-130℃，化学性质稳定，无腐蚀，损耗率小，使用寿命周期长，是一种高品质的传热、储热材料。储热包含了热能储存和热能转换两个过程。

　　热能储存：谷电时段，利用电加热器加热热池罐中“骆驼二号”，将电能转化为热能储存。

　　热能转换：在峰电时段或者空气源热泵出力不足的情况，“骆驼二号”与供暖管道中的循环水进行换热，将储存的热能传递到供暖循环水中，再通过给水泵输送到用户末端进行供暖。

表2  改造后供暖系统主要设备配置表

图2  带储能的供暖系统工艺流程简图

表3  储能模块工况切换表

　　增加储能模块以后，上述“煤改电”清洁供暖系统的运行可靠性提高，即使在极端寒冷天气依然能够通过延长储能系统的运行时间使得用户室内温度维持在18±2℃。在个别空气源热泵机组出现停机保护时，还可以启动电加热进行直接热量补充。

　　此外，储能系统可以跟随供暖系统总热负荷随机性和波动性的特点，灵活调节储存热能的总量，以及合理控制储存热能的换热，充分利用“峰谷电价”杠杆最大化能源利用的经济效益。上述工程案例，当地峰谷电价比为4.12:1，通过储热不仅可以削峰填谷，利于调节当地电力供应负荷平衡，提高能源利用效率，还能降低供暖系统的电费成本。

　　根据供暖系统改造前后2年的运维数据统计，增加储能模块之后，供暖季谷电利用占比由原来的32.6%提升到了44.0%，单位面积能耗增加了4.5%，单位面积电费降低了14.2%。具体数据详见表4-表6。

表4  电价表

表5 能耗对比表

表6  电费对比

　　综上所述，“煤改电”工程耦合储能系统，不仅可以提高供暖系统可靠性，而且可以降低系统运行成本。因而，储能在“煤改电”中的应用愈加受到重视，商业推广日益广泛。“煤改电”将是“2+26”城市清洁供暖大势所趋的方向。随着“煤改电”清洁供暖工程的大范围推广，储能凭借自身的独特优势，将会迎来大放异彩的发展浪潮。