相变储热技术在清洁供暖中的应用研究

相变储热 技术在清洁供暖中的应用研究

靳永东

北京市热力集团有限责任公司朝阳第一分公司 北京市朝阳区 100102

摘要：相变储热技术作为一种热能储热技术，主要用于调节时空能量供需的不平衡，以调节峰值能量负荷，减轻能量供应压力，降低能耗成本。在清洁加热领域，相变储热技术有许多应用，例如相变储热加热。相变储热和建筑物的结合可以有效利用太阳能，减少建筑物的热损失，并节省能源。相变储热在清洁采暖行业具有广阔的应用前景。

关键词：相变储热；清洁供暖；可再生能源

1引言

随着我国经济不断发展，人们生活水平不断提升，冬季取暖的需求也日趋增长。尤其2020~2021年冬季寒潮较为强势，全国多地刷新了历史最低气温纪录，取暖需求和供暖压力进一步增大。为应对新一轮寒冷天气到来，国家发展和改革委员会发挥与各有关部门、各地区和各有关企业建立的保供日调度机制作用，提前统筹谋划，加强协调调度，从供需两侧发力，做了一系列充分准备。长期以来，冬季供暖是我国季节性能源需求波动的重要因素，对能源供给和冬季大气质量与环境保护构成了较大的压力。目前主要的清洁供暖方式有：燃气供暖、直接电供暖、地源热泵、空气源热泵等。其中，燃气供暖对城市基础设施依赖度大，受到燃气管网和气源供给的制约，且成本高；直接电供暖有很多种类，如发热电缆、碳晶供暖、电暖器等，其运行成本很高；地源热泵运行成本低，但其初始投资成本高，建设工程量大，且无法对既有建筑进行改造，因此应用较少；地源热泵可能带来地表水温变化，地面沉降等问题；空气源热泵受机组功率和使用效果的影响，在寒冷的地区供暖效率较低。电储存供暖主要利用谷电供暖，具有价格优势，且对基础设施依赖度低，是最具经济性的供暖方式之一，具有占地面积小、运行成本低、自动化程度高、安全可靠等显著特点。相变储热技术是一种热存储技术，可以解决能源供求在时间与空间上不均衡的矛盾，提高能源利用效率。

2当前清洁供暖仍面临的问题制约

2.1热源保障压力较大

北方供暖地区之间经济发展水平还存在较大差异，未来北方地区城镇化及清洁供暖还有很大发展潜力及发展空间。满足不断增长的供暖需求，热源、管网等保障均面临较大压力。与此同时，基础设施建设严重滞后，管道互联互通程度低、应急储备保障体系不完善，使得天然气供应紧张。天然气消费的季节峰谷差较大，对储气调峰设施配套建设要求较高，部分地区冬夏季节峰谷比到达较高水平，清洁取暖“煤改气”的实施，将进一步推高冬季用气峰值。而我国储气调峰能力建设严重滞后，在采暖季用气高峰可发挥的作用有限。天然气管网的供气能力和通达程度，也制约着煤改气的实施。

2.2供热成本高企，经济性不高

冬季供暖是重大的民生工程、民心工程，尤其是近年来清洁供暖改造，国家及地方各级政府以多种形式投人大量补贴。据悉，多数城市在煤改气设备方面的补贴比例多在50%以上，最高补贴上限在2000元至8000元;煤改电设备采用的热泵、蓄热式电暖器、碳晶等多种设备，补贴在2000元至上万元。随着清洁供暖试点城市扩容至43个，中央财政奖补资金以及地方配套资金规模也在不断扩大，压力持续增加。2008-2018年，中国城市供热行业销售收人平均增速超过15.8%，但由于受用能成本增加，企业收费率较低等因素影响，2018年销售收人增速仅为3.2%。据不完全统计，目前煤炭、燃气等原材料成本占比约七、八成。城市居民供热价格在制定时带有公益性，主管部门考虑到用户承受能力等因素，不少城市居民热费多年保持不变。但煤价近年上涨并高位运行，加上人员工资、设备购置、维修等经营成本又是市场价，不少供热企业成本倒挂，处于亏损状态。

2.3舒适、经济的取暖诉求提升

随着人民生活水平的不断提高，舒适过冬成为关系百姓获得感的民生话题。然而不少地方由于管道距离长、修建年代远等原因，管道经常跑冒滴漏，往往存在能源浪费严重、室内温度不达标等一系列问题。每逢冬季，因“暖气不暖”成为不少北方城市的投诉热点。值得注意的是，2017年清洁取暖在我国刚刚起步，当时燃气壁挂炉和热泵等相关技术应用范围不广、标准和规范还不完善，突然爆发的市场吸引了大批企业进入，产品质量与维修保养方面存在明显不足，给后期埋下“隐忧”，良莠不齐的取暖设备及维保，或在未来几年影响居民取暖“获得感”。

2.4重点区域大气污染防治难度升级

自2013年实施《大气污染防治行动计划》以来，供热领域作为大气污染治理的主战场，清洁供暖被提到北方各级政府的重要工作日程。经过几年的努力，效果初步显现，使得环境质量改善和温暖过冬两个民生问题得到切实保障。但随着散煤治理进入“深水区”，大气污染治理、清洁供暖改造难度将进一步加大，部分城市大气治理依旧面临严峻挑战。

2.5供暖能效仍有提升空间

节能是第一能源，但目前我国供热体系中从热源端到管网、以及终端利用端的能耗管控水平整体仍旧较低。从热源类型看，在集中供热中，热电联产是利用燃料的高品位热能发电，将其低品位热能供热的一种能源利用技术，在所有供热热源中能源转换效率最高。虽然热电联产效率高，但在北方城镇供热面积中比重不高，我国还有大量没有供热的纯凝机组。目前我国部分老旧建筑能耗高，尤其是2000年以前的老旧建筑，围护结构传热系数偏大，不仅影响室内温度达标，而且进一步加大了供暖运营成本。衡量清洁供暖实效的一个重要标准在于能效提升，我国能效不高的深层原因，仍在于能耗管控体系落后。最干净通常也是最便宜的能源，是通过提高能效节约出来的能源，因此，应下大力气提高建筑节能水平、能源需求效率、输配效率和供应效率。

3相变储热的应用

3.1相变储热材料

相变材料（PCM）是一种能量存储材料，它在特定温度下使用物理相变来实现能量存储和释放。它的储热特性是在相变过程中吸收热能。并且可以在恒定且均匀的温度下提取。给定质量的相变材料吸收的热量由其相变潜热确定。相变材料的巨大潜热值使其在蓄热行业中具有广阔的应用前景。相变储热材料主要分为两类：有机相变材料和无机相变材料。常用的有机相变材料主要分为两类：石蜡和脂肪酸。它的优点是良好的可成型性，较少的相分离和过冷以及低腐蚀性，但它的缺点很明显：导热系数低，成本高，并且基本上不适合清洁加热应用。无机相变储热材料分为高温材料和中低温材料。高温材料主要是熔融盐，而中，低温材料主要是水合盐。

3.2相变储热设备

为了将相变材料应用于清洁加热领域，必须设计和制造相应的设备。储热器是一种相变储热设备。将无机相变纳米复合材料添加到内部不锈钢内槽中。同时，由铜或304不锈钢制成的热交换器均匀地布置在材料中，并安装了外部绝缘层。为了测试无机相变纳米复合材料的使用寿命，专门制备了储热容量为80MJ的储热原型，进行了近5000次充放电循环，基本没有热衰减。蓄热的主要应用范围是大型清洁供热项目，这些项目用于存储热能以进行周期供热，还可以回收能源（例如工业废热）以进行区域供热。相变储热箱是另一种使用相变材料的储热设备。其结构类似于蓄热器，但主要与热源（例如太阳能和空气源热泵）结合使用，以帮助提高系统的加热效率。相变储热板是一种将相变材料和建筑物结合起来的储热形式。

4相变储热在清洁采暖中的应用

相变储热储热产品具有高效，低热损失，高储热密度，模块化设计，安全无压运行等突出特点。在城市建筑物的供暖中，其不易燃，安全和无压力的操作特性确保了它可以安装在建筑物的地下空间中，没有安全隐患，也无需批准；可自由调节，模块化设计，高储热密度意味着相变储热储热设备的空间利用率高。相变储热加热系统的工作原理是：电锅炉在谷电期间开始加热，相变储热热库通过加热循环系统进行充电；在加热期间，电锅炉停止加热，并且通过放热循环释放热量存储。所存储的热量提供了终端加热。在极端天气的正常时期，电锅炉将打开以补充部分热量以供加热；如果需要在深夜加热，则电锅炉将直接加热。

5实现供暖清洁化的建议

清洁取暖改造涉及我国污染防治和能源结构转型升级，上游对接国内外能源市场，下游事关居民取暖、环境治理，是一个系统工程。由前面的评价与分析结果可以看出，实现供暖清洁化对建设生态文明、改善民生具有十分重要的意义。基于以上分析，本文提出以下建议：

5.1引导供热向“绿色”“低碳”“智慧”转型

随着生态文明建设推进，在蓝天白云和温暖过冬的驱动下，未来集中供暖仍需加强全局意识、问题意识、过程意识，推动供热事业在确保安全的前提下，进一步向“绿色”“低碳”“舒适”“智慧”方向发展。供暖绿色化，重点是降低污染物排放，以增加“蓝天白云”的天数。供暖低碳化，重点在提高能源效率，增加低碳能源使用，推进生物质能、太阳能、风能等可再生能源的利用等，进而减少供暖产生的二氧化碳排放，降低“热岛”效应。供热智慧化，主要以供热信息化与自动化为前提条件，通过结合信息系统和物理系统作为技术渠道，使用物联网、云计算、空间定位等新型技术来感应和关联供热系统中的各个要素。在讨论和完善系统内部资源时，可利用大数据、仿真技术、人工智能等方法来完成。在使用模型预测先进控制技术前，需对调控系统内部细节加以了解，凸显建造系统的调节、诊断、感应和适应功能，从而打造出一种满足运营生产、设计方案、要求响应的新型智慧供热系统。

5.2完善制度保障，助推供热转型

供热为传统行业，事关民生，还存在不少遗留问题，推动供热绿色、低碳转型，还需要从制度上进行保障。一是加快供热立法。供热行业不仅承担着民生保障的重要责任，而且肩负着节能减排的重要使命。随着行业体制改革的逐步深化，供热行业管理中的一些深层次问题开始凸显，清洁供热面临着新的形势与任务，亟待供热法规的引领与规范，建立新的管理制度和市场秩序，以适应形势与任务的要求；二是强化标准工作，引导供热绿色低碳发展。着手和强化标准化工作，加强从供热源头到用户端的标准建设，开展供热产品和供热系统能效、质量、安全对标和认证工作，从标准体系上保障清洁取暖工作的可持续发展；三是立足国情制定能源发展战略，保障能源供给，构建城市供热安全保障体系。目前，天然气已成为各城市热、电、气稳定供应与安全运行的关键，各地在落实清洁供暖改造时，也必须把能源安全保障放在第一位，尤其在源头上首先落实天然气、电力、清洁能源等保障，然后“以供定改”。

5.3因地制宜加快推进清洁供暖技术的推广

生态环境部数据显示，推进清洁取暖是京津冀及周边地区改善空气质量的关键举措，对降低PM2.5浓度的贡献率达1/3以上。北方地区各地资源禀赋、经济实力、基础设施等条件不尽相同，因地制宜，对煤炭、天然气、电、可再生能源等能源形式合理配置、多源互补、加快推进清洁供暖和新型供暖技术的推广，是打赢“蓝天保卫战”、推动生态文明建设的关键。

6结语

相变储热技术是一种热存储技术，可以解决能源供求在时间与空间上不均衡的矛盾，提高能源利用效率。目前，相变储热技术在清洁采暖领域的应用才刚刚起步，相变储热与发电相结合，相变与热能相结合等方面，还有更多的应用需要探索。储热和太阳能还有更多的应用问题需要克服，例如提高相变储热材料的导热性，相变材料与容器的相容性，提高相变材料的储热密度。人们相信，相变储热技术将在未来的清洁供暖中发挥更大的作用。

参考文献：

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